神奇的分子机器

乌贼、章鱼和乌贼无疑是欺骗和伪装的大师。它们改变颜色、质地和形状的非凡能力是无与伦比的，即使是现代科技也无法匹敌。

加州大学圣巴巴拉分校教授丹尼尔·莫尔斯实验室的研究人员长期以来一直对变色动物的光学特性很感兴趣，他们尤其对近海的乳白色鱿鱼感兴趣。这些动物也被称为加利福尼亚市场乌贼，它们已经进化出一种能力，能够精细地、不断地调整自己的颜色和光泽，达到其他动物无法匹敌的程度。这使它们能够交流，也使它们能够躲在明亮而毫无特色的上层海洋中。

在之前的研究中，研究人员发现了一种被称为“反射蛋白”的特殊蛋白质，它控制着反射色素细胞——虹彩细胞，而这些细胞反过来又改变了生物的整体可见性和外观。但反射镜究竟是如何工作的仍然是个谜。

莫尔斯是分子、细胞和发育生物学系的名誉教授，也是《生物化学杂志》上一篇论文的主要作者。他说，了解这一机制，将有助于了解对涌现特性的可调控制，从而为下一代仿生合成材料打开大门。

反光皮肤

像大多数头足类动物，乳白色的海岸乌贼一样，通过在自然界中发现的最复杂的皮肤来练习他们的魔法。微小的肌肉控制皮肤的纹理，而色素和虹彩细胞影响皮肤的外观。一组细胞通过皮肤中含有色素的细胞的扩张和收缩来控制颜色。

在这些色素细胞的后面是一层虹彩细胞——即虹彩细胞——它们反射光，并在整个可见光谱中形成动物的颜色。鱿鱼也有白光团，它控制着白光的反射率。这些含有色素和光反射细胞的层合在一起，使鱿鱼能够在一个非常广泛的调色板上控制它们皮肤的亮度、颜色和色调。

不同于颜料的颜色，近岸乌贼的高动态色调是由于改变了虹彩细胞本身的结构。光在与光谱可见部分波长相同的纳米大小的特征之间反射，产生颜色。当这些结构改变它们的尺寸时，颜色也会改变。反射蛋白是这些特征变形能力的背后，研究人员的任务是弄清楚它们是如何起作用的。

多亏了基因工程和生物物理分析的结合，科学家们找到了答案，结果发现这是一种比之前想象的更优雅、更强大的机制。

“结果非常令人惊讶，”第一作者罗伯特·利文森(Robert Levenson)说。他是莫尔斯实验室的博士后研究员。“相反，我们的证据表明，控制信号检测和组装的反射蛋白的特征遍布整个蛋白质链。”

研究人员发现，一个名为

的渗透马达反射素，看起来有点像串在绳子上的一串珠子。正常情况下，这些珠子之间的连接带强正电荷，所以它们相互排斥，就像未煮熟的意大利面一样，将蛋白质拉直。

莫尔斯和他的团队发现，向反射细胞发出的神经信号会引发神经链上磷酸基的增加。这些带负电荷的磷酸基中和了这些连接的排斥，使蛋白质折叠起来。研究小组特别兴奋地发现，这种可折叠的、新的、粘稠的表面出现在反射蛋白的珠状部分，使它们聚集在一起。每个reflectin蛋白最多可与四个磷酸盐结合，这为鱿鱼提供了一个精确可调的过程:添加的磷酸盐越多，蛋白质折叠得越多，逐渐暴露出更多的突出性疏水表面，团块也越大。

当这些团块生长时，溶液中许多单一的小蛋白变成更少、更大的多蛋白团。这改变了膜层内部的流体压力，将水挤出——这是一种“渗透运动”，对神经元产生的电荷的微小变化做出反应，神经元与成千上万的白光团和虹彩细胞相连。由此产生的脱水减少了膜层的厚度和间距，使反射光的波长逐渐从红色变为黄色，然后变为绿色，最后变为蓝色。浓度越高的溶液折射率也越高，从而增加了细胞的亮度。

“我们没有想到，我们发现的机制竟然如此复杂，却包含在一个多功能分子——嵌段共聚物reflectin中，而且完美地整合在一起。相反的区域如此微妙地平衡着，它们就像一台亚稳态机器，通过精确地调整细胞内纳米结构的渗透压来精确地调整反射光的颜色和亮度，从而不断地感知和响应神经元的信号，”Morse说。

更重要的是，研究人员发现，整个过程是可逆和可循环的，这使得鱿鱼能够不断地微调它所处环境要求的任何光学特性。

在之前的实验中，研究人员已经成功地控制了reflectin，但是这次的研究首次证明了其潜在的机制。现在它可以为科学家和工程师设计具有可调特性的材料提供新的思路。莫尔斯说:“我们的发现揭示了生命系统中产生的生物分子材料的特性与目前正在工业和技术前沿开发的高度工程化合成聚合物之间的基本联系。”

他补充说:“因为reflectin的工作是控制渗透压，我可以想象它在储能和转换的新方法、涉及粘度和其他液体特性的制药和工业应用，以及医疗应用方面的应用。”

值得注意的是，在这些反射蛋白中起作用的一些过程与阿尔茨海默病和其他退行性疾病中病态聚集的蛋白是共同的，Morse观察到。他计划研究为什么这个机制是可逆的，循环的，无害的，在反射蛋白的情况下有用，但不可逆和病理的其他蛋白质。也许它们序列的细微结构差异可以解释这种差异，甚至为疾病预防和治疗指明新的途径。