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Inside the eye of a mantis shrimp, about 30 visual pigments work together, against three in humans. For decades, ecologists and biologists have asked why this crustacean needs so many. A team from the University of Liège (ULiège) and Humboldt University in Berlin has now taken them apart one by one, and found that some respond to red light, a part of the spectrum very few animals can perceive. The results are published in Science Advances.
Im Auge eines Fangschreckenkrebses arbeiten etwa 30 Sehpigmente zusammen, beim Menschen sind es drei. Seit Jahrzehnten fragen sich Ökologen und Biologen, warum dieser Krebs so viele braucht. Ein Team der Universität Lüttich (ULiège) und der Humboldt-Universität zu Berlin hat sie nun einzeln zerlegt und dabei festgestellt, dass einige auf rotes Licht reagieren, einen Teil des Spektrums, den nur sehr wenige Tiere wahrnehmen können. Die Ergebnisse sind in Science Advances veröffentlicht.
Vision starts with opsins, proteins that capture light. Combined with retinal, a small molecule derived from vitamin A, they form the visual pigments of the retina. In humans, a pigment that absorbs a photon loses its retinal and must regenerate before it works again, which is why a bright lamp leaves spots in our field of vision for a while. Four of the mantis shrimp pigments are different. They are bistable: a second photon restores the retinal, so the pigment can switch between two stable states with light alone. Two are activated by red light and deactivated by blue light. The other two work the other way around, activated by blue and deactivated by orange.
Das Sehen beginnt mit Opsinen, Proteinen, die Licht einfangen. Zusammen mit Retinal, einem kleinen, vom Vitamin A abgeleiteten Molekül, bilden sie die Sehpigmente der Netzhaut. Beim Menschen verliert ein Pigment, das ein Photon absorbiert, sein Retinal und muss sich regenerieren, bevor es wieder funktioniert. Deshalb hinterlässt eine helle Lampe für eine Weile Flecken in unserem Gesichtsfeld. Vier der Pigmente des Fangschreckenkrebses sind anders. Sie sind bistabil: Ein zweites Photon stellt das Retinal wieder her, sodass das Pigment allein durch Licht zwischen zwei stabilen Zuständen wechseln kann. Zwei werden durch rotes Licht aktiviert und durch blaues Licht deaktiviert. Die beiden anderen funktionieren umgekehrt: Sie werden durch Blau aktiviert und durch Orange deaktiviert.
Measuring them was the hard part. Marjorie Liénard, a researcher at GIGA–ULiège, developed an in vitro expression platform that produces these proteins outside the animal. The team combined it with the electrophysiology expertise of Peter Hegemann's laboratory at Humboldt University. Of the 17 opsins in the median band, 12 are standard green pigments, similar to ours, three are infrared, and two are blue-orange bistable. "This is the first time such pigments have been described in an animal while using the same chromophore as humans," Liénard explains. Combined with the coloured filters in the eye, sensitivity reaches 687 nanometres.
Die Messung war der schwierige Teil. Marjorie Liénard, Forscherin am GIGA–ULiège, entwickelte eine In-vitro-Expressionsplattform, die diese Proteine außerhalb des Tieres herstellt. Das Team kombinierte sie mit der elektrophysiologischen Expertise des Labors von Peter Hegemann an der Humboldt-Universität. Von den 17 Opsinen im mittleren Band sind zwölf gewöhnliche grüne Pigmente, ähnlich wie unsere, drei sind infrarotempfindlich, und zwei sind blau-orange bistabil. „Es ist das erste Mal, dass bei einem Tier solche Pigmente beschrieben wurden, die denselben Chromophor wie der Mensch verwenden“, erklärt Liénard. In Verbindung mit den farbigen Filtern im Auge erreicht die Empfindlichkeit 687 Nanometer.
The team suggests the shrimp changes its pigment mix with the light around it. Liénard compares it to sunglasses by day and a torch at dusk: in bright light, the ultraviolet, blue and green pigments saturate, and the red opsins keep working, while at dawn and dusk the animal relies on its green opsins and its blue bistable ones. How it uses this to find prey, avoid predators or defend its territory is not yet confirmed, and would need behavioural experiments, which are hard to run with these robust predators.
Das Team vermutet, dass der Krebs seine Pigmentmischung an das umgebende Licht anpasst. Liénard vergleicht es mit einer Sonnenbrille am Tag und einer Taschenlampe in der Dämmerung: Bei hellem Licht sind die ultravioletten, blauen und grünen Pigmente gesättigt, während die roten Opsine weiterarbeiten. Bei Morgen- und Abenddämmerung stützt sich das Tier dagegen auf seine grünen Opsine und seine blauen bistabilen. Wie es dies nutzt, um Beute zu finden, Fressfeinde zu meiden oder sein Revier zu verteidigen, ist noch nicht bestätigt. Dafür wären Verhaltensexperimente nötig, die bei diesen robusten Raubtieren schwer durchzuführen sind.
The most concrete prospect is optogenetics, a technique that controls cell activity with light. Unlike the channelrhodopsins of the alga Chlamydomonas reinhardtii, these opsins belong to the G-protein-coupled receptors, which trigger signalling cascades inside cells. That family is involved in cardiovascular, neurological and inflammatory diseases. Red light penetrates tissue more deeply and harms cells less than blue or ultraviolet light, so a switch that red turns on and blue turns off could, in principle, modulate those pathways precisely and reversibly. None of this has been developed yet. The team now wants to make the signalling more selective, look for similar proteins in closely related species, and understand what makes some of them bistable. It gives no date. "Nature still harbours many innovations," Liénard says, "which can only be uncovered through" this kind of approach.
Die konkreteste Perspektive ist die Optogenetik, eine Technik, die Zellaktivität mit Licht steuert. Anders als die Channelrhodopsine der Alge Chlamydomonas reinhardtii gehören diese Opsine zu den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, die Signalkaskaden in Zellen auslösen. Diese Familie ist an Herz-Kreislauf-, neurologischen und entzündlichen Erkrankungen beteiligt. Rotes Licht dringt tiefer ins Gewebe ein und schädigt Zellen weniger als blaues oder ultraviolettes Licht. Ein Schalter, den Rot einschaltet und Blau ausschaltet, könnte diese Signalwege daher prinzipiell präzise und reversibel beeinflussen. Bislang wurde davon nichts entwickelt. Das Team will nun die Signalübertragung selektiver gestalten, nach ähnlichen Proteinen in eng verwandten Arten suchen und verstehen, was manche von ihnen bistabil macht. Ein Datum nennt es nicht. „Die Natur birgt noch viele Innovationen“, sagt Liénard, „die sich nur durch“ diese Art von Ansatz „aufdecken lassen.“