研究人员已经在哺乳动物细胞中复制了鱿鱼皮细胞的可调透明度，这种细胞可以被培养，可能会导致更好的细胞成像技术。加州大学欧文分校的团队专注于称为白细胞的头足类动物细胞，并将编码反射蛋白的鱿鱼衍生基因引入人体细胞。通过向细胞的培养基中添加盐，他们观察到反射蛋白形成了纳米结构，从而改变了细胞的不透明度。该研究不仅有助于了解鱿鱼生物学，而且还为基于固有光学特性的高级细胞成像策略开辟了可能性。
人体细胞帮助研究人员了解乌贼的伪装
鱿鱼和章鱼是伪装大师，它们融入环境以躲避捕食者或惊吓猎物。这些头足类动物如何变得可逆透明的某些方面仍然“不清楚”，这主要是因为研究人员无法在实验室中培养头足类动物的皮肤细胞。然而，今天，研究人员报告说，他们已经在可以培养的哺乳动物细胞中复制了一些乌贼皮肤细胞的可调透明度。这项工作不仅可以阐明基本的鱿鱼生物学，还可以为许多细胞类型的成像提供更好的方法。
研究人员将在美国化学学会 (ACS) 的春季会议上展示他们的研究结果。ACS 2023 年春季会议是一场混合会议，将于 3 月 26 日至 30 日以虚拟方式和现场方式举行，会上有超过 10,000 场关于广泛科学主题的演讲。
多年来，Alon Gorodetsky 博士和他的研究小组一直致力于研究受鱿鱼启发的材料。在过去的工作中，他们开发了“隐形贴纸”，它由粘附在胶带上的细菌产生的鱿鱼反射蛋白组成。“然后，我们有了这个疯狂的想法，看看我们是否能够捕捉到乌贼皮肤组织改变人类细胞培养透明度的能力的某些方面，”该项目的首席研究员戈罗德茨基说。
通过将鱿鱼蛋白掺入哺乳动物细胞，研究人员可以将细胞的透明度从透明调整为浑浊（比例尺为 10 μm）。图片来源：改编自 ACS 生物材料科学与工程，2023 年，DOI：10.1021/acsbiomaterials.2c00088
加州大学尔湾分校的团队将他们的努力集中在称为白细胞的头足类动物细胞上，白细胞具有由散射光的反射蛋白组成的颗粒状纳米结构。通常，反射蛋白聚集在一起形成纳米粒子，因此光不会被吸收或直接传输；相反，光线从它们身上散射或反射，使白细胞呈现亮白色。
“我们希望对哺乳动物细胞进行工程改造，使其能够稳定地而非暂时地形成反射纳米结构，这样我们就可以更好地控制光的散射，”Gorodetsky 说。那是因为如果细胞允许光通过而几乎没有散射，它们看起来会更透明。或者，通过散射更多的光，细胞将变得不透明并且更加明显。“然后，在细胞水平，甚至培养水平，我们认为我们可以预测地改变细胞相对于周围环境或背景的透明度，”他说。
为了改变光与培养细胞的相互作用方式，Gorodetsky 实验室的研究生 Georgii Bogdanov 介绍了研究结果，将编码反射蛋白的鱿鱼衍生基因引入人体细胞，然后利用 DNA 产生蛋白质。“我们实验的一个关键进展是让细胞稳定地产生反射素并形成具有相对高折射率的光散射纳米结构，这也使我们能够更好地在三维空间对细胞成像，”Bogdanov 说。
在实验中，该团队向细胞的培养基中添加了盐，并观察到反射蛋白聚集在一起形成纳米结构。通过系统地增加盐浓度，Bogdanov 获得了纳米结构特性的详细延时 3D 图像。随着纳米粒子变大，从细胞反射的光量增加，从而调整它们的不透明度。
然后，COVID-19大流行袭来，让研究人员想知道他们可以做些什么来推进他们的研究，而无需亲自进入实验室。因此，Bogdanov 在家开发计算模型，甚至可以在实验开始之前预测细胞的预期光散射和透明度。“这是理论和实验之间的一个美丽循环，你可以在其中输入反射纳米结构的设计参数，得到特定的预测光学特性，然后更有效地设计细胞——无论你可能感兴趣的光散射特性是什么，”Gorodetsky 解释道.
在基本层面上，Gorodetsky 建议这些结果将帮助科学家更好地了解鱿鱼皮肤细胞，这些细胞尚未在实验室环境中成功培养。例如，之前的研究人员假设反射蛋白纳米粒子分解和重新组装以改变可调鱿鱼白细胞的透明度。现在，Gorodetsky 的团队已经证明，只要盐浓度发生简单变化，在他们稳定的工程哺乳动物细胞中就会发生类似的重排，这种机制似乎类似于在可调鱿鱼细胞中观察到的机制。
研究人员现在正在优化他们的技术，以根据细胞的固有光学特性设计更好的细胞成像策略。Gorodetsky 设想反射蛋白可以作为基因编码的标签，不会在人体细胞内漂白。“Reflectin 作为一种分子探针，为使用先进的显微镜技术追踪细胞结构提供了很多可能性，”Bogdanov 补充道。例如，科学家们提出，基于他们工作的成像方法也可能对更好地了解细胞生长和发育产生影响。
头足类动物（例如，鱿鱼、章鱼和墨鱼）因其复杂的神经系统、复杂的行为模式和视觉上令人惊叹的颜色变化而吸引了公众和科学家的想象力。通过从可调头足类动物皮肤细胞的结构和功能中汲取灵感，我们设计和改造了包含可重构的基于蛋白质的光子结构的人类细胞，因此具有可调的透明度变化和光散射能力 (1)。反过来，我们用三维无标记全息断层显微技术可视化了类似工程细胞的折射率分布，因此，我们已经详细了解了它们的全局光学特性与亚细胞超微结构之间的关系 (2)。此外，我们已将这些努力扩展到多个自组装基于蛋白质的平台的折射率和光散射特性的预测工程，包括体外和体内 (2,3)。最后，我们开发了改进的化学和遗传策略来控制亚细胞结构的大小、数量和折射率 (4)。我们的综合发现可能有助于加深对头足类伪装机制的理解，并导致开发用于生物光子学和生物工程应用的独特工具。此外，我们已将这些努力扩展到多个自组装基于蛋白质的平台的折射率和光散射特性的预测工程，包括体外和体内 (2,3)。最后，我们开发了改进的化学和遗传策略来控制亚细胞结构的大小、数量和折射率 (4)。我们的综合发现可能有助于加深对头足类伪装机制的理解，并导致开发用于生物光子学和生物工程应用的独特工具。此外，我们已将这些努力扩展到多个自组装基于蛋白质的平台的折射率和光散射特性的预测工程，包括体外和体内 (2,3)。最后，我们开发了改进的化学和遗传策略来控制亚细胞结构的大小、数量和折射率 (4)。我们的综合发现可能有助于加深对头足类伪装机制的理解，并导致开发用于生物光子学和生物工程应用的独特工具。
