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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.
En el ojo de la gamba mantis trabajan juntos unos 30 pigmentos visuales, frente a tres en los humanos. Durante décadas, ecólogos y biólogos se han preguntado por qué este crustáceo necesita tantos. Un equipo de la Universidad de Lieja (ULiège) y de la Universidad Humboldt de Berlín los ha desmenuzado uno a uno y ha comprobado que algunos responden a la luz roja, una parte del espectro que muy pocos animales pueden percibir. Los resultados se publican en Science Advances.
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.
La visión comienza con las opsinas, proteínas que captan la luz. Combinadas con el retinal, una pequeña molécula derivada de la vitamina A, forman los pigmentos visuales de la retina. En los humanos, un pigmento que absorbe un fotón pierde su retinal y debe regenerarse antes de volver a funcionar, por eso una lámpara brillante deja manchas en nuestro campo visual durante un rato. Cuatro de los pigmentos de la gamba mantis son diferentes. Son biestables: un segundo fotón restablece el retinal, de modo que el pigmento puede cambiar entre dos estados estables solo con luz. Dos se activan con luz roja y se desactivan con luz azul. Los otros dos funcionan al revés: se activan con luz azul y se desactivan con naranja.
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.
Medirlos fue la parte difícil. Marjorie Liénard, investigadora del GIGA–ULiège, desarrolló una plataforma de expresión in vitro que produce estas proteínas fuera del animal. El equipo la combinó con la experiencia en electrofisiología del laboratorio de Peter Hegemann, en la Universidad Humboldt. De las 17 opsinas de la banda media, 12 son pigmentos verdes estándar, similares a los nuestros, tres son infrarrojas y dos son biestables de azul y naranja. «Es la primera vez que se describen este tipo de pigmentos en un animal que utiliza el mismo cromóforo que los humanos», explica Liénard. Combinada con los filtros de color del ojo, la sensibilidad alcanza los 687 nanómetros.
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.
El equipo sugiere que la gamba cambia su mezcla de pigmentos según la luz del entorno. Liénard lo compara con unas gafas de sol de día y una linterna al anochecer: con luz intensa, los pigmentos ultravioleta, azul y verde se saturan y las opsinas rojas siguen funcionando, mientras que al amanecer y al atardecer el animal depende de sus opsinas verdes y de sus biestables azules. Todavía no está confirmado cómo usa esto para encontrar presas, evitar depredadores o defender su territorio, y haría falta realizar experimentos de comportamiento, difíciles de llevar a cabo con estos depredadores tan robustos.
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.
La perspectiva más concreta es la optogenética, una técnica que controla la actividad celular con luz. A diferencia de las channelrhodopsinas del alga Chlamydomonas reinhardtii, estas opsinas pertenecen a los receptores acoplados a proteínas G, que desencadenan cascadas de señalización dentro de las células. Esa familia está implicada en enfermedades cardiovasculares, neurológicas e inflamatorias. La luz roja penetra más profundamente en los tejidos y daña menos las células que la luz azul o ultravioleta, de modo que un interruptor que la roja activa y la azul desactiva podría, en principio, modular esas vías de forma precisa y reversible. Nada de esto se ha desarrollado todavía. El equipo quiere ahora que la señalización sea más selectiva, buscar proteínas similares en especies muy emparentadas y entender qué hace que algunas de ellas sean biestables. No da ninguna fecha. «La naturaleza todavía alberga muchas innovaciones», afirma Liénard, «que solo pueden descubrirse mediante» este tipo de enfoque.