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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.
No interior do olho de um camarão-mantis, cerca de 30 pigmentos visuais trabalham em conjunto, contra três no ser humano. Durante décadas, ecologistas e biólogos perguntaram-se porque é que este crustáceo precisa de tantos. Uma equipa da Universidade de Liège (ULiège) e da Universidade Humboldt de Berlim desmontou-os agora um a um e constatou que alguns respondem à luz vermelha, uma parte do espetro que muito poucos animais conseguem perceber. Os resultados foram publicados na 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.
A visão começa com as opsinas, proteínas que captam a luz. Associadas ao retinal, uma pequena molécula derivada da vitamina A, formam os pigmentos visuais da retina. No ser humano, um pigmento que absorve um fotão perde o seu retinal e tem de se regenerar antes de voltar a funcionar, razão pela qual uma lâmpada forte deixa durante algum tempo manchas no nosso campo de visão. Quatro dos pigmentos do camarão-mantis são diferentes. São biestáveis: um segundo fotão restitui o retinal, pelo que o pigmento pode alternar entre dois estados estáveis só com a luz. Dois são ativados pela luz vermelha e desativados pela luz azul. Os outros dois funcionam ao contrário: ativados pela azul e desativados pela laranja.
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.
Medi-los foi a parte difícil. Marjorie Liénard, investigadora do GIGA–ULiège, desenvolveu uma plataforma de expressão in vitro que produz estas proteínas fora do animal. A equipa associou-a à competência em eletrofisiologia do laboratório de Peter Hegemann, na Universidade Humboldt. Das 17 opsinas da faixa mediana, 12 são pigmentos verdes habituais, semelhantes aos nossos, três são infravermelhos e duas são biestáveis azul-laranja. « Esta é a primeira vez que se descrevem estes pigmentos num animal que utiliza o mesmo cromóforo que o ser humano », explica Liénard. Associada aos filtros coloridos do olho, a sensibilidade atinge 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.
A equipa sugere que o camarão muda a sua combinação de pigmentos conforme a luz ambiente. Liénard compara-o a uns óculos de sol de dia e a uma lanterna ao crepúsculo: com luz intensa, os pigmentos ultravioleta, azul e verde saturam, e as opsinas vermelhas continuam a funcionar, enquanto ao amanhecer e ao entardecer o animal se apoia nas opsinas verdes e nas azuis biestáveis. Como é que usa isto para encontrar presas, evitar predadores ou defender o seu território ainda não está confirmado, e exigiria experiências comportamentais, difíceis de realizar com estes predadores 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.
A perspetiva mais concreta é a optogenética, uma técnica que controla a atividade celular com luz. Ao contrário das canalrodopsinas da alga Chlamydomonas reinhardtii, estas opsinas pertencem aos recetores acoplados a proteínas G, que desencadeiam cascatas de sinalização no interior das células. Esta família está implicada em doenças cardiovasculares, neurológicas e inflamatórias. A luz vermelha penetra mais profundamente nos tecidos e prejudica menos as células do que a luz azul ou ultravioleta, pelo que um interruptor que a vermelha liga e a azul desliga poderia, em princípio, modular essas vias com precisão e de forma reversível. Nada disto foi ainda desenvolvido. A equipa quer agora tornar a sinalização mais seletiva, procurar proteínas semelhantes em espécies próximas e perceber o que faz com que algumas sejam biestáveis. Não avança qualquer data. « A natureza ainda esconde muitas inovações », afirma Liénard, « que só podem ser descobertas através » deste tipo de abordagem.