タコやイカのような一部の頭足類は、皮膚が透明に見えるように自己変色することが出来る。このユニークな能力の正確なメカニズムについて、科学者たちはより多くのことを学びたいと考えている。しかし、実験室でイカの皮膚細胞を培養することは出来ない。だが今回、カリフォルニア大学アーバイン校の研究者たちは、哺乳類（人間）細胞でイカの皮膚細胞の特性を再現することで、実験室でこの皮膚特性を研究することを可能にした。この研究は、アメリカ化学会議で発表された。

イカの皮膚は透明で、色素細胞の外層である色素胞(chromatophore)を特徴としている。それぞれの色素胞は、皮膚表面に沿って筋線維に接続されており、それらの筋線維は、神経線維に接続されている。これらの神経を電気的に刺激することで、筋肉を収縮させることが出来るのだ。筋肉は異なる方向に引っ張られるため、細胞は拡大し、色が変わる。細胞が収縮すると、色素部分も縮むのだ。

色素胞の下には、別の層の虹色素胞（iridophore）がある。虹色素胞は色素胞とは異なり、蝶の翅にある結晶体と似た構造色の例であり、イカの虹色素胞は静的ではなく動的だ。これらは、異なる波長の光を反射するように調整することが出来る。2012年の論文によると、この動的にチューニング可能な構造色の虹色素胞は、アセチルコリンと呼ばれる神経伝達物質に関連している。2つの層は協力して、イカの皮膚の独特な光学的特性を生成するのだ。

また、イカの白色部位である白色素胞（leucophore）もある。白色素胞は虹色素胞に似ているが、光の全スペクトルを散乱させるため、白く見える。白色素胞にはリフレクチンと呼ばれるタンパク質が含まれており、通常はナノ粒子に凝集して光を散乱させるため、吸収または直接伝達する代わりに光を散乱させます。白色素胞は主にタコやイカでは見られるが、セピオテウティス属の一部の雌イカには、光の一定の波長の散乱のみを行うようにチューニングできる白色素胞がある。細胞が光を透過させることで、散乱が少なくなるとより透明に見えるが、散乱が多くなると細胞は不透明になる。

2015年、カリフォルニア大学アーバイン校のAlon Gorodetsky氏の研究室は、兵士たちが赤外線カメラから自分自身を偽装するのに役立つような、イカをヒントにした透明ステッカーを作成した。ステッカーは、一般的な家庭用の梱包テープに修正された細菌でコーティングされたもので、厚さを変えることで調整できます。それにより、ステッカーは青く見えたり、オレンジに見えたりすることができる。

Gorodetsky氏のチームは、リフレクチンナノ粒子が一時的ではなく安定して形成されるように、ヒト細胞にリフレクチン遺伝子を導入することで、この研究を拡大した。細胞培養液に塩を加えることで、リフレクチンが光を散乱するナノ粒子に凝集するようになり、塩濃度を徐々に上げることで、ナノ粒子は大きくなり、さらに多くの光を散乱するように「チューニング」された。彼らはホロトモグラフィーと呼ばれる技術を使用して、ナノ粒子の性質の詳細なタイムラプス画像を撮影した。

Gorodetsky氏は、「これらのタンパク質の固有の特性、高い屈折率、特定の構造に自己結合する能力が、哺乳動物の細胞で再現できるかどうかを本当に理解しようとしていました。したがって、哺乳動物細胞にこのタンパク質の大量発現を導入しました。そして、それらの自己結合構造は、そのサイズや光学的特性の多くの点で非常に類似していることがわかりました」と語っている。

COVID-19パンデミックが発生した際、研究室での作業ができなくなったため、Gorodetsky氏の博士課程の学生、Georgii Bogdanov氏は、イメージングデータを使用してコンピュータモデルを作成し、予測を行い、イカ細胞と人工的に作られた哺乳動物細胞の光学特性を比較することができました。Bogdanov氏は、「屈折率は同等であり、これはこの現象の重要な部分です。そして、それらの粒子のサイズも同様であり、これにより、イカの皮膚と哺乳動物細胞で起こる光散乱の完全な比較が可能になります」と述べている。

これの応用についてだが、今年初めに、トロント大学のエンジニアたちは、イカをヒントにして、「液体窓」のプロトタイプを作成した。これは、光の波長、強度、分布を変更することで、エネルギー費用を大幅に節約することができるものだ。Gorodetsky氏によると、彼自身の研究の1つの潜在的な応用は、リフレクチンを高屈折率の細胞分子プローブとして使用することだという。高度な顕微鏡技術と組み合わせて使用され、遺伝子コード化されたタグは、ヒト細胞内で褪色しないため、細胞の構造を追跡して細胞成長と発達をよりよく理解するために科学者たちが使用できる。

また、この研究は、特定の色素や化学物質を使用する代わりに、自然界から得られた素材やメカニズムを利用することができることを示唆している。これにより、環境に配慮した新しい技術の開発が促進され、生物多様性の保全にも貢献することが出来るだろう。

しかし、この研究にはまだ課題が残っている。例えば、キーとなるタンパク質のリフレクチンを高効率で発現させることは難しいため、研究者たちは現在、より効果的な発現方法を模索している。また、リフレクチンの安定性も課題の1つであり、研究者たちは、タンパク質の劣化を防ぐ方法を見つけるために取り組んでいる。

さらに、哺乳動物細胞にリフレクチンを導入することは、安全性の問題も引き起こす可能性がある。そのため、安全性を確保するために、研究者たちはこのタンパク質が細胞内でどのように動作するかを詳しく調べる必要がある。

これらの課題を克服するために、研究者たちは、さらなる研究を行うことで、リフレクチンが持つ可能性を最大限に引き出し、より多くの応用分野で使用できるようにすることが必要だ。このような研究は、生命科学や工学の分野で重要な発見をもたらすことが期待されている。

Source

• American Chemical Society: Human cells help researchers understand squid camouflage
• via Futurism: SCIENTISTS ENGINEER HUMAN CELLS TO HAVE THE CAMOUFLAGE ABILITY OF SQUIDS