学习的主人

阿龙Gorodetsky记得确切的时刻他沉迷于鱿鱼和墨鱼的伪装系统开始。三年前,他参加了一个自组装会议,无意间看到了一个演示罗杰Hanlon海洋生物学家从伍兹霍尔海洋生物实验室,我们。

Hanlon显示惊人的头足类动物的视频表演惊人的伪装和谈到激动人心的申请人为伪装技术。这把我吹走,我想:我要工作,”Gorodetsky回忆说。

与生物分子电子集团在加州大学欧文分校在美国,Gorodetsky很快建立cephalopod-inspired研究项目观察导电材料和伪装,对外界刺激作出响应。坐reflectins的核心项目,一个非常健壮的家庭中发挥关键作用的蛋白质的头足类生物伪装。材料科学家,真正抓住Gorodetsky的注意的是reflectin可以处理和工作,基本上像一个聚合物。

他的团队已经使用的电影reflectin建立伪装涂料。使用醋酸,他们可以调整涂料的反射超过600海里,这样他们有效地消失和再现通过红外成像摄像机时,在晚上使用的军事巡逻。¹他们说,这些电影是一个至关重要的第一步开发可重构仿生伪装隐形技术应用程序。

研究者也表明reflectin可以进行质子以及最先进的人造质子导体,可再生能源中心和bioelectronic技术从燃料电池到晶体管。他们持久和有效的质子的设备使用reflectin影片他们早些时候为迷彩设计。²

Gorodetsky用头足类动物,他经常认为它将是一个好安装一个包含一个小柜鱿鱼在他的办公室,这样他可以观察到伪装过程不同的插入模式为背景。在伍兹霍尔,这正是Hanlon花了几十年做的事情,尽管他仍然潜水研究头足类动物在自然环境。在实验室里,Hanlon研究的那一刻,复杂的结构构成伪装层头足类动物的皮肤使用的显微镜和光谱学的很多。

看到光

Hanlon伪装的视频非常令人欣喜的,Gorodetsky仍然几乎每天都看着他们。“乌贼是现实生活中的形状换档器,”他激动地说。“让人吃惊的是他们没有眼睛的头,但仍然可以模仿他们的背后是什么。相当于你备份一堵墙和变成一个文件柜,”他的笑话。更令人惊奇的是,大多数的头足类动物是色盲,因此如何实现这样一个五颜六色的伪装,仍然是一个有趣的生物学问题。

他们有一个高度分布的神经系统,这意味着过程不一定要经过大脑。和最近的开创性研究Hanlon光敏研究一种叫视蛋白的蛋白质,通常发现在视网膜感光细胞,在头足类动物的皮肤。这些视蛋白可能有一个角色在帮助头足类动物感觉到他们的五彩缤纷的环境。他们可能会对色彩,但他们可能只是亮度。我们无法证明功能,汉龙说。“这是非常艰难和令人烦恼的交易。”

另一个问题出现错误Hanlon头足类动物是如何改变他们的伪装如此之快——在几毫秒。“必须有一个神经生物学的捷径。这是非常令人兴奋的发现出大自然磨练其优雅的解决方案,”他说。他的详细的观测工作调查这些问题引起了许多领域的科学家们对自然伪装的奇迹。

分层的看

结构中包含三层的头足类动物的皮肤为伪装。底层细胞,称为leucophores,作为反射器提供一个照明白色背景。接下来的一层闪光细胞,包括成堆的高折射率(RI)包含reflectin电影。对比高RI电影和电影之间的低RI空间意味着他们充当布拉格反射镜产生短波的颜色。在一起,leucophores和虹细胞使蓝色,绿色和白色的颜色。上面这些坐pigment-packed细胞称为色素细胞,分层的黄色/红色,棕色。

墨鱼特别是能产生很强的白色。Hanlon的团队利用透射电子显微镜研究了超微结构leucophores,惊讶于他们如何产生“白的白”。每个单元格都包含多达12000球形微粒称为证据,包括硫酸糖蛋白和reflectin。软球可以提供bio-inspiration材料科学的方法来实现高效的光散射和光学工程、Hanlon说。

每个的叶绿体色素囊包含成千上万的颜色颗粒。囊扩大时拉着皮肤、肌肉控制的神经起源于大脑,给快速的颜色变化。光能够与一个,两个或三个色素细胞的颜色,这取决于囊捉襟见肘。色素细胞作为光学过滤器,这样短的波长的光被吸收的黄色颜料在长波长吸收的红色和褐色,汉龙解释吗?。

色素细胞是如此的远不止简单的颜色过滤器,然而,随着透露在Hanlon的团队和科学家之间的合作项目哈佛大学,美国。利用串联质谱分析和微观光致发光光谱,他们发现色素颗粒从墨鱼皮肤发出荧光的波长650 - 720纳米。³这与由两个家庭反映蛋白质:reflectins和晶状体蛋白。去年,第一次,他们发现大量的reflectin色素细胞。这表明,色素颗粒比均匀更复杂的集群的颜料,他们首先想到的。

反思reflectin

Reflectin拥有魅力的许多研究人员,尤其是因为它是发现在所有三个头足类动物的伪装层。蛋白质由6个重复子域和可以经受高温和处理。

2007年,赖特帕特森空军基地的美国,Rajesh奈克团队是第一个从non-cephalopod描述reflectin来源,用基因工程大肠杆菌。⁴我们开始发现一些非常不寻常的光学特性(reflectin),我们仍然无法解释,“奈克说。这都归结到不寻常的组合在这个家庭的蛋白质氨基酸序列,他说。

Naik的团队还透露,这些蛋白质有意外的自组装性质。Naik的工作,使reflectin Gorodetsky的注意,他被这个发现高度兴奋。你可以调整条件reflectin总量以不同的方式,这也许强调多样化其生物功能,”他说。Naik的团队已经表明reflectin可以加工成薄膜,光子光栅结构和纤维,使它非常有吸引力的材料科学家寻求技术与潜在的光子应用,如光学传感器。

然而,蛋白质却很难研究,不仅是因为其不溶性性质。它本质上表现为无序蛋白质,直到它聚集成纳米颗粒和薄膜很难研究使用标准的x射线衍射,Gorodetsky说。它需要一些专门的技术基于小角散射,他补充道。说,必须理解结构奈克。的人很难。仍在试图找出一些方法使溶解,而另一些则寻找不同的方法,他们可以得到的二级结构。

奈克reflectin等到一个更深的理解的结构出现之前,他认为用它来发展与实际应用的材料。他还需要确保任何工具可以批量生产。“在一天结束的时候,我们必须能够生产。特殊材料不转化为可行的产品,”他说。

目前唯一的方法生产reflectin——除了收获从头足类动物基因工程植物或细菌,目前限制产量实验室使用。然而,奈克是对未来充满希望。新重组表达系统,主机可以调整重组蛋白生产代谢途径,可以导致reflectin产量增加,他说。

事实上,Gorodetsky面临的第一个挑战是如何得到的大肠杆菌细菌生产足够量的蛋白质的研究。最终的技术是有效的,他说,他一直“非常高兴”基因和协议发送给任何研究者感兴趣。我希望更多的人工作在这个蛋白质,所以我非常兴奋分享我们发现的东西,”他说。

reflectin Gorodetsky同意获得更深的理解的结构对其未来使用的技术是至关重要的。你可以猜测和推断,但获得充分理解你需要建立一个结构和功能之间的关系,”他说。例如,Gorodetsky嫌疑人——但尚未证明reflectin电影运输质子很好,因为他们是隔离成不同的疏水区域和proton-conducting亲水通道。

他正在深化结构理解但也迫切与应用程序。Gorodetsky目前领先一个项目开发动态可调体温调节的灵感来自鱿鱼皮的结构,特别是reflectins。⁵这种技术可以使佩戴者利用自己的辐射热生产。这样的地方热管理可以显著减少所需的能量来加热和冷却建筑物,使美国能源消费大幅削弱,根据美国政府的计算高级研究项目署能源(arpa - e),项目资金的是哪一个?。

Gorodetsky也热衷于使用reflectin bioelectronic材料和合作Francesco彩券,离子通道专家欧文分校医学院。电信号在活细胞中发挥重要功能。他们在大脑中的神经元沟通的基础;他们驱动肌肉收缩和心跳;调节免疫反应和血液中激素水平。不像人造的电子设备,电池用离子而不是电子导电。Reflectin可以进行质子,所以我们的想法是使用reflectin-based材料作为接口与活细胞。我们制造晶体管,本质上讲同一种语言细胞,”Gorodetsky说。这是一个很好的合作的人非常面向医学上的人非常的材料和设备。”

共同努力

头足类动物研究时,都是关于合作。Hanlon参与600万美元(£400万),四年多学科项目,资助的美国海军研究办公室(ONR)。汉龙作为项目的一部分,是在一个团队中,开发了一种黑白可弯曲伪装设备。设备由一个薄,灵活的表包含类似的色素细胞,leucophores、肌肉和视蛋白。它可以缠绕在对象和生产黑白模式自发与背景相匹配。⁶

顶层的设备包含一个热敏染料封装在microgranules和镶嵌在聚合物基质中。下面是一层薄薄的银给一个明亮的白色背景,加上一个超薄硅二极管提供热量,从而控制染料的光学特性。与此同时,一个光电二极管拿起周围的光环境。

生物学的相比之下我们的设备非常原始,但他们建立一个设计,”说约翰·罗杰斯材料科学家、伊利诺伊大学香槟分校的我们,对项目首席研究员。他希望黑人和白人设备会让人们清晰地想象未来研究的方向。有很多方法,设备可以改善,他补充道。例如,热转换机制并不是特别吸引人从电力消耗和一般稳定的角度来看,他说。

设备团队认为系统可以适应结合可协调的系统模拟虹细胞。虽然罗杰斯的工作是bioinspired,他没有生硬地照搬自然系统。”可能有更好的方法来构建人造虹细胞不依赖于机械运动(复制头足类动物的肌肉),但(一)电可切换的变化在分子规模,”他说。

电子开关技术中使用一些电子阅读器设备可能是有用的,他说。这种系统的优点是非常低的。利用这些技术可能持有建设先进的伪装技术的关键,他建议,而不是试图复制一个虹细胞。我们今天没有准备好部署一个主动伪装系统,但我们已从生物学和关键的工程原则体现了他们在真实的设备,”他说。

与此同时,另一个团队工作的一部分ONR-funded鱿鱼皮财团从莱斯大学,我们采取了灵感来自头足类动物的纳米颗粒性质色素细胞使用铝纳米开发彩色显示系统,以改善目前技术用于液晶显示器。

他们安排铝纳米秩序井然的数组创建彩色像素。燃料棒像双缝或棱镜和像素的颜色可以改变通过改变奈米棒的长度和间距。这些高度活跃的红色、绿色和蓝色像素立即兼容液晶显示,研究人员说。而染料褪色随着时间的推移,铝像素将继续给非常鲜艳的颜色,解释了水稻的Stephan链接。

链接有特别喜欢的跨学科性质ONR项目。“我们学到了很多,”他说。这种合作的核心位于Hanlon庞大的头足类动物的知识,建立了几十年。虽然着迷的细枝末节,Hanlon成功的关键在于他总是记住更大的图景。即使当我们看小细胞,我们仍然考虑更大的系统。这不仅仅是细胞生物学,”他说。

艾玛·戴维斯是一个基于科学作家在主教的Stortford,英国