Израильские ученые раскрыли тайну возникновения "живых кристаллов"

Ученые из Института Вейцмана проанализировали весь процесс формирования биологических кристаллов, которые, например, отвечают за разнообразную окраску животных, и играют большую роль в их приспособляемости.

Рыбы, хамелеоны, крабы и многие другие животные умеют создавать природные кристаллы. Они нужны для зрения, маскировки, регулирования тепла и передачи сигналов. "Живые" кристаллы состоят всего из двух молекул – гуанина и гипоксантина, но они удивительно разнообразны по своим формам и оптическим свойствам.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Chemical Biology, ученые Института Вейцмана показали по каким "биологическим рецептам", клетки готовят кристаллы из двух главных ингредиентов – гуанина и гипоксантина

Ученые сосредоточились на маленькой прозрачной рыбке – зебрафиш (Danio rerio), тело которой покрыто разноцветными кристаллами. Эти кристаллы – разные. Защитная оболочка жабр – серебристая, глаза отражают голубоватый свет, а клетки кожи переливаются желтым или голубым.

При детальном анализе кристаллов зебрафиш исследователи заметили, что их форма зависит от соотношения между молекулами гуанина и гипоксантина. Это немного напоминает кулинарные рецепты, которые включают два ингредиента, но при разных пропорциях получаются совершенно разные блюда.

Соотношение гуанина и гипоксантина в кристалле меняет его структуру, оптические свойства и то, как организм его использует. Измерив соотношение этих молекулярных строительных блоков в кристаллах рыбок, исследователи смогли искусственно воссоздать в лаборатории три разных кристалла зебрафиш, каждый из которых содержал разное соотношение гуанина и гипоксантина.

Ученые выделили клетки, производящие кристаллы (они называются иридофоры), и расшифровали биологические механизмы, позволяющие клеткам создавать кристаллы "по заказу". Исследования показали, что каждая группа иридофоров обладает уникальным балансом ферментов, и именно этот уникальный баланс в клетке определяет соотношение между строительными блоками каждого кристалла и, как следствие, структуру и функцию кристалла в различных тканях.

Соавтор работы доктор Двир Гур говорит: "У людей есть только один фермент, отвечающий за получение гуанина, а у рыб мы выявили целых пять таких ферментов, – объясняет".

Ученый говорит: "Нам удалось раскрыть всю историю от начала до конца: от генов, которые позволяют рыбкам производить широкий спектр ферментов, выполняющих схожие, но разные функции, от уникального уровня экспрессии каждого фермента в клетках до того, как присутствие ферментов определяет соотношение между различными строительными блоками кристаллов и, следовательно, их характеристики".

Ученые пишут, что полученные результаты не только углубляют понимание природы и предлагают новую форму производства материалов, но и подчеркивают красоту и простоту природы: мы видим, как всего две простые молекулярные структуры создают все разнообразие форм и функций "живых" кристаллов.