Los calamares y los pulpos son maestros del camuflaje, mezclándose con su entorno para evadir a los depredadores o sorprender a sus presas. Algunos aspectos de cómo estos cefalópodos se vuelven reversiblemente transparentes aún no están «claros», en gran parte porque los investigadores no pueden cultivar células de piel de cefalópodo en el laboratorio. Hoy, sin embargo, los investigadores informan que han replicado la transparencia sintonizable de algunas células de piel de calamar en células de mamíferos, que pueden cultivarse. El trabajo no solo podría arrojar luz sobre la biología básica del calamar, sino también conducir a mejores formas de obtener imágenes de muchos tipos de células.
Los investigadores presentarán sus resultados en la reunión de primavera de la American Chemical Society (ACS).
Durante muchos años, Alon Gorodetsky, Ph.D., y su grupo de investigación han estado trabajando en materiales inspirados en el calamar. En trabajos anteriores, desarrollaron «pegatinas de invisibilidad», que consistían en proteínas de reflectina de calamar producidas por bacterias que se adhirieron a una cinta adhesiva. «Entonces, tuvimos esta loca idea de ver si podíamos capturar algún aspecto de la capacidad de los tejidos de la piel del calamar para cambiar la transparencia dentro de los cultivos de células humanas», dice Gorodetsky, quien es el investigador principal del proyecto.
El equipo de la Universidad de California en Irvine centró sus esfuerzos en las células de cefalópodo llamadas leucóforos, que tienen nanoestructuras similares a partículas compuestas de proteínas reflectantes que dispersan la luz. Por lo general, las reflectinas se agrupan y forman las nanopartículas, por lo que la luz no se absorbe ni se transmite directamente; en cambio, la luz se dispersa o rebota en ellos, lo que hace que los leucóforos se vean de color blanco brillante.
«Queríamos diseñar células de mamíferos para que establecieran, en lugar de temporalmente, nanoestructuras reflectantes para las cuales pudiéramos controlar mejor la dispersión de la luz», dice Gorodetsky. Eso es porque si las células dejan pasar la luz con poca dispersión, parecerán más transparentes. Alternativamente, al dispersar mucha más luz, las células se volverán opacas y más aparentes. «Luego, a nivel celular, o incluso a nivel de cultivo, pensamos que podíamos alterar de manera predecible la transparencia de las células en relación con el entorno o el fondo», dice.
Para cambiar la forma en que la luz interactúa con las células cultivadas, Georgii Bogdanov, un estudiante graduado en el laboratorio de Gorodetsky que presenta los resultados, introdujo genes derivados del calamar que codificaban la reflectina en células humanas, que luego usaron el ADN para producir la proteína. «Un avance clave en nuestros experimentos fue lograr que las células produjeran reflectina de manera estable y formaran nanoestructuras que dispersan la luz con índices de refracción relativamente altos, lo que también nos permitió obtener mejores imágenes de las células en tres dimensiones», dice Bogdanov.
En los experimentos, el equipo agregó sal a los medios de cultivo de las células y observó que las proteínas de reflectina se agrupaban en nanoestructuras. Al aumentar sistemáticamente la concentración de sal, Bogdanov obtuvo imágenes detalladas en 3D de lapso de tiempo de las propiedades de las nanoestructuras. A medida que las nanopartículas se hacían más grandes, la cantidad de luz que rebotaba en las células aumentaba y, en consecuencia, ajustaba su opacidad.
Luego, llegó la pandemia de COVID-19, lo que dejó a los investigadores preguntándose qué podían hacer para avanzar en su investigación sin estar físicamente en el laboratorio. Entonces, Bogdanov pasó su tiempo en casa desarrollando modelos computacionales que pudieran predecir la dispersión de luz y la transparencia esperadas de una célula incluso antes de que se ejecutara un experimento. «Es un bucle hermoso entre la teoría y los experimentos, en el que introduces parámetros de diseño para las nanoestructuras de reflectina, obtienes propiedades ópticas predichas específicas y luego diseñas las células de manera más eficiente, para cualquier propiedad de dispersión de luz que te interese», explica Gorodetsky.
En un nivel básico, Gorodetsky sugiere que estos resultados ayudarán a los científicos a comprender mejor las células de la piel del calamar, que no se han cultivado con éxito en un entorno de laboratorio. Por ejemplo, investigadores anteriores postularon que las nanopartículas de reflectina se desensamblan y se vuelven a ensamblar para cambiar la transparencia de los leucóforos de calamar sintonizables. Y ahora, el equipo de Gorodetsky ha demostrado que se produjeron reordenamientos similares en sus células de mamífero modificadas estables con cambios simples en la concentración de sal, un mecanismo que parece análogo a lo que se ha observado en las células sintonizables de calamar.
Los investigadores ahora están optimizando su técnica para diseñar mejores estrategias de imágenes celulares basadas en las propiedades ópticas intrínsecas de las células. Gorodetsky prevé que las proteínas de reflectina podrían actuar como etiquetas codificadas genéticamente que no se blanquearían dentro de las células humanas. «La reflectina como sonda molecular ofrece muchas posibilidades para rastrear estructuras en las células con técnicas de microscopía avanzadas», agrega Bogdanov. Por ejemplo, los científicos proponen que los enfoques de imágenes basados en su trabajo también podrían tener implicaciones para comprender mejor el crecimiento y el desarrollo celular.
Los investigadores reconocen la financiación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.
