Krok k dokonalé kamufláži

Chobotnice, olihně, sépie a další druhy hlavonožců jsou známé svými neuvěřitelnými maskovacími schopnostmi, kdy rychle mění barvu a texturu kůže, aby s okolím. Tento přírodní trik závisí na komplexním pigmentu zvaném xantommatin, který řídí mnoho barevných změn zvířat. Vědce, a dokonce i výzkumníky v oblasti obrany fascinuje potenciál xantommatinu po celá desetiletí. Reprodukce pigmentu v laboratoři však byla extrémně obtížná – až doposud.

Vědecký tým ze Scrippsova institutu oceánografie na Kalifornské univerzitě v San Diegu vyvinul nový způsob, jak produkovat xantommatin ve velkém množství, což ho umožňuje snadněji studovat a používat. „Vyvinuli jsme novou techniku, která poprvé urychlila naše schopnosti vyrábět materiál, v tomto případě xantommatin, v tělech bakterií,“ řekl Bradley Moore, hlavní autor studie a mořský chemik se společnými působišti na Scrippsově oceánografii a na Farmaceutické fakultě Kalifornské univerzity v San Diegu Skaggs. „Tento přírodní pigment dává chobotnici nebo olihni fantastickou superschopnost maskování,  a náš úspěch v pokročilé výrobě tohoto materiálu je jen špičkou ledovce.“ Metoda generovat pigment uvnitř bakterií dosáhla až 1 000krát vyšších výtěžků než předchozí přístupy, což  by mohlo umožnit řadu aplikací, od udržitelných barviv a materiálů blokujících volné radikály až po pokročilé povlaky a fotoelektronická zařízení. Výzkum byl publikovaný 3. listopadu 2025 v časopise Nature Biotechnology.

Od inkoustu chobotnice po motýlí křídla

Podle autorů by stejná biotechnologie mohla být aplikována na další užitečné sloučeniny, což by pomohlo průmyslovým odvětvím odklonit se od produkce založené na ropě směrem k materiálům odvozeným z přírody.

Kromě hlavonožců se xanthommatin nachází také u hmyzu a přispívá k zářivě oranžovým a žlutým odstínům křídel motýlů monarchů a jasně červeným odstínům na tělech vážek a v očích much.

Navzdory fantastickým barevným vlastnostem xanthommatinu je jeho dostupnost nedostatečně prozkoumána. Získávání pigmentu ze zvířat není efektivní a tradiční laboratorní metody jsou pracné a spoléhají na chemickou syntézu s nízkým výtěžkem.

Bakterie pro výrobu pigmentu

Proto výzkumníci z Mooreovy laboratoře v Scripps Oceanography ve spolupráci s kolegy z Kalifornské univerzity v San Diegu a z Centra pro bioudržitelnost Nadace Novo Nordisk v Dánsku navrhli řešení, jakousi zpětnovazební smyčku růstu, kterou nazývají „růstově spřažená biosyntéza“.

Způsob, jakým bioinženýrsky vytvořili chobotnicový pigment v bakterii, představuje nový odklon od typických biotechnologických přístupů. Ve své metodě úzce propojili produkci pigmentu s přežitím bakterie, která ho vytvořila. „V podstatě jsme přišli na způsob, jak obelstít bakterie, aby vytvořily více materiálu, který jsme potřebovali,“ řekla Leah Bushinová, hlavní autorka studie, nyní členka fakulty na Stanfordské univerzitě a dříve postdoktorandka v Mooreově laboratoři v Scripps Oceanography, kde její práce probíhala.

Když se vědci snaží přimět mikrob k produkci cizí sloučeniny, vytváří to u něj velkou metabolickou zátěž. Bez významné genetické manipulace se mikrob brání přesměrování svých základních zdrojů k produkci něčeho neznámého.

Propojení života s produkcí pigmentu

Propojením přežití buňky s produkcí cílové sloučeniny se týmu podařilo obelstít mikrob. Začali s geneticky modifikovanou „nemocnou“ buňkou, která by mohla přežít pouze tehdy, pokud by produkovala jak požadovaný pigment, tak i druhou chemickou látku – kyselinu mravenčí. Na každou molekulu vytvořeného pigmentu buňka také produkovala jednu molekulu kyseliny mravenčí. Kyselina mravenčí poskytuje palivo pro růst buňky a vytváří soběstačnou smyčku, která pohání produkci pigmentu. „Udělali jsme to tak, že produkce sledované sloučeniny byla pro život bakterie naprosto nezbytná. Pokud organismus neprodukuje xanthommatin, nebude růst,“ řekla Bushinová.

Tým použil vlastní bioinformatické nástroje k identifikaci klíčových genetických mutací, které zvýšily efektivitu a umožnily bakteriím vytvářet pigment přímo z jediného zdroje živin.

Projekt nabízí pohled do budoucnosti, kde biologie umožňuje udržitelnou produkci cenných sloučenin a materiálů prostřednictvím pokročilé automatizace, integrace dat a výpočetně řízeného designu.

Rekordní produkce pigmentu

Dřívější pokusy o výrobu pigmentu byly notoricky neefektivní s obvyklou produkcí pouze asi pěti miligramů na litr. Nová technika to dramaticky změnila a zvýšila produkci na jeden až tři gramy na litr, což je zhruba tisícinásobné zlepšení.

Ačkoli projekt vyžadoval několik let pečlivého plánování a návrhu zkušebních testů, jakmile experimenty začaly, úspěch se dostavil překvapivě rychle. „Byl to jeden z mých nejlepších dnů v laboratoři,“ vzpomínala Bushinová na průlomový okamžik. „Připravila jsem experiment a nechala ho tam přes noc. Když jsem se druhý den ráno vrátila a zjistila, že funguje a produkuje hodně pigmentu, byla jsem nadšená. Takové okamžiky jsou důvodem, proč se věnuji vědě.“

Od kamufláže po kosmetiku

Zatímco některá z potenciálních využití pigmentu se mohou zdát futuristická, zájem o něj roste. Ministerstvo obrany USA i kosmetické společnosti zkoumají potenciál tohoto materiálu. Výzkumníky v oblasti obrany přitahuje jeho přirozená maskovací schopnost, zatímco vývojáři produktů péče o pleť zkoumají jeho potenciál pro ekologické opalovací krémy. Xanthommatin je antioxidant, který brání pokožku proti škodlivému UV záření. Mezi další možné aplikace patří nátěry měnící barvu, inteligentní barvy a environmentální senzory.

Zdroj: Growth-coupled microbial biosynthesis of the animal pigment xanthommatin” by Leah B. Bushin, Tobias B. Alter, María V. G. Alván-Vargas, Lara Dürr, Elina C. Olson, Mariah J. Avila, Daniel C. Volke, Òscar Puiggené, Taehwan Kim, Leila F. Deravi, Adam M. Feist, Pablo I. Nikel and Bradley S. Moore, 3 November 2025, Nature Biotechnology.
DOI: 10.1038/s41587-025-02867-7

This Lab Just Copied the Octopus’s Camouflage Superpower