Opalizujące zmutowane bakterie oferują nową, lśniącą paletę barw
Kolory, które wyglądają inaczej, gdy patrzy się na nie pod różnymi kątami, określa się mianem opalizujących. O ile pigmenty wytwarzają kolory za pomocą mechanizmu zwanego absorpcją (pochłaniają one część widma widzialnego, a niepochłonięta część widna przekłada się na obiektu), to kolory strukturalne wynikają ze strukturyzacji materiału w skali długości fali światła widzialnego. Takie opalizujące zabarwienie może więc zmieniać kolor i jasność w zależności od kąta patrzenia, czego klasycznym przykładem jest macica perłowa wyściełająca skorupę ostryg. Naturalne struktury fotoniczne są źródłem wielu wyzwań, zwłaszcza w odniesieniu do modelowania. Są one wysoce hierarchiczne, co oznacza, że mają cechy rozłożone na różnych skalach długości i są zazwyczaj podatne na zaburzenia. W ramach finansowanego przez UE projektu LODIS (Looking through disorder) opracowano narzędzia do analizy i symulacji w celu dokładniejszego zrozumienia nieuporządkowanych struktur fotonicznych, aby przezwyciężyć problem złożoności tego zjawiska i wyjaśnić sposób powstawania wielu barw występujących w przyrodzie. Zespół projektu LODIS skupił się w szczególności na wpływie zaburzeń na właściwości optyczne struktur fotonicznych. „W wielu naturalnych układach nanostruktury produkujące barwę są swoiście nieuporządkowane. Nieład może wpływać negatywnie na silne interferencje w systemach optycznych, ale pozwala również na uzyskanie znacznie większej różnorodności pod względem wyglądu”, wyjaśnia koordynator projektu, dr Silvia Vignolini. W ramach projektu, w celu zilustrowania efektu zaburzenia stworzono wideo pokazujące, jak zmieniają się kolory opalizujących bakterii morskich. Kluczowe znaczenie mutacji Naukowcy stworzyli docenianą na całym świecie linię badawczą, która znacząco przyczyniła się do zrozumienia, w jaki sposób żywy system może tworzyć złożone architektury fotoniczne w przyrodzie. „Kolejną kwestią będzie to, jak takie naturalne zasady projektowania można wykorzystać do produkcji nowych materiałów optycznych w zrównoważony sposób”, zauważa dr Vignolini. Używając mikroskopu elektronowego do przyjrzenia się zmutowanym bakteriom o długości zaledwie dwóch milionowych części metra, badacze zobaczyli, co się tak naprawdę dzieje: organizacja bakterii odpowiada za kolor kolonii. Określono genetyczne ścieżki regulacji niezliczonej ilości barw w nowym szczepie bakterii z gatunku Flavobacterium. Modyfikując ich geny, badacze wykazali, że można kontrolować zarówno właściwości barwiące, jak i rozpraszające światło. Kiedy zakłócenia są konstruktywne Wyjaśnia to zasada procesu fizycznego zwanego interferencją konstruktywną. Definiuje się ją jako sytuację, w której dwie lub więcej fal o jednakowej fazie i częstotliwości wytwarza pojedynczą długość fali równą sumie poszczególnych fal. „W przypadku kolorowych bakterii morskich powoduje to »kolorowe odbicie światła«”, wyjaśnia dr Villads Egede Johansen, członek zespołu badawczego. „Inaczej mówiąc, kolor, który widzimy, jest wynikiem odbicia światła od mających kształt pałeczek bakterii ułożonych w określony sposób, a nie od pigmentu. Jeden ruch ezy i kolor znika z powodu zmiany ułożenia bakterii!” Uzyskane mutanty różniły się pod względem długości lub średnicy komórek o kształcie pałeczek, a nawet zdolności do poruszania się. Zespół pokazał, w jaki sposób można kontrolować barwę i właściwości rozpraszające światło organizmów żywych poprzez modyfikację ich genów. „Prace te oznaczają ogromny postęp w tej dziedzinie: jak dotąd badania koncentrowały się głównie na optycznej charakterystyce strukturalnie kolorowych organizmów, ale brakowało badań nad genetycznymi ścieżkami odpowiadającymi za zabarwienie strukturalne w jakimkolwiek żywym organizmie”, podkreśla dr Vignolini. Dobrze przyjęta zarówno przez środowisko naukowe, jak i prasę praca została opublikowana w prestiżowym czasopiśmie PNAS. Kolejne kroki na drodze do wykorzystania naturalnych mechanizmów koloryzacyjnych Kontynuacja badań ma dla zespołu ogromne znaczenie, a uczeni aktywnie poszukują dalszych środków finansowych. Brytyjska instytucja finansująca BBSRC, która skupia się na innowacyjnych projektach w dziedzinie nauk biologicznych, przyznała grant doktorantowi z przeznaczeniem na kontynuację prac. Bez wątpienia istnieje wiele ekscytujących wątków badań, które można podjąć. „Wyobraźmy sobie możliwe zastosowania tej technologii – przeźroczyste, biodegradowalne kosmetyki i farby na bazie bakterii, które będą rosły w ciągu jednego dnia, tworząc kolorowe ściany i samochody”, podsumowuje dr Vignolini.
Słowa kluczowe
LODIS, barwa, opalizujące, struktury fotoniczne, pigment