鱼、变色龙、螃蟹和《绝命毒师》(Breaking Bad)里的化学老师沃尔特·怀特(Walter White)有什么共同点?答案是他们都知道如何制造晶体。但是，与不可救药的怀特(White)制造用于犯罪目的的改变精神的甲基苯丙胺晶体不同，其他人制造天然晶体的目的要健康得多:从视觉和伪装到调节热量和交流。

尽管生物在细胞内产生的许多晶体仅由鸟嘌呤和次黄嘌呤两种分子组成，但由此产生的晶体在形状、用途和光学特性方面的多样性令人难以置信。

研究人员一直对动物从两种简单的积木中创造出如此丰富的种类的能力着迷，但直到现在，对于动物世界中如此丰富的晶体，还没有令人满意的解释。

在最近发表在《自然化学生物学》上的一项研究中，魏茨曼科学研究所的研究人员解开了这个谜团，并提供了一个全面的“生物配方”描述，即细胞用来制作如此多样和有用的晶体菜单。

故事的主人公是斑马鱼，这是一种视觉上令人惊叹的淡水鱼，它的身体上覆盖着五颜六色的晶体。特写照片显示，它的组织含有不同的晶体:鱼鳃的保护层是银色的，眼睛反射出蓝色的光，皮肤细胞是闪闪发光的黄色或蓝色。

“当我们试图理解为什么晶体不同时，我们将它们从组织中分离出来，发现它们在细胞的形状，组成和排列方面彼此差异很大，”魏茨曼分子遗传学部门的Dvir Gur博士解释说，他是研究小组的负责人。

利用电子显微镜，研究小组观察到，形成在鳃盖上的晶体又长又窄，而眼睛里的晶体较短，皮肤上的晶体最短。

Gur补充说:“我们意识到斑马鱼的晶体为我们提供了一个完美的研究机会，可以了解晶体的结构和特性是如何受到生物化学和基因控制的，而不必比较具有不同基因组成的不同动物形成的晶体。”

当研究人员仔细观察斑马鱼的不同晶体时，他们注意到它们的形状受到鸟嘌呤和次黄嘌呤分子之间比例的影响。

这种效果类似于面包师的工作，他们可以选择适当的配料平衡来制作不同的美食:例如，奶油比巧克力多，可以制作出轻盈的慕斯，而使用平衡或更低的比例，可以制作出完美的夹心或上釉的甘纳许。

同样，晶体中鸟嘌呤和次黄嘌呤的不同比例将改变其结构和光学特性，并相应地改变生物体利用它的方式。在测量了不同鱼类晶体中这些分子组成块的比例后，研究人员设法在实验室人工重建了三种不同的斑马鱼晶体，每种晶体含有不同比例的鸟嘌呤和次黄嘌呤。

把光放回鱼鳃里的蛋白质

但是鸟嘌呤和次黄嘌呤不仅仅是晶体的组成部分。它们也是所有生物使用的重要分子，对DNA的构建和细胞的正常功能都至关重要。

为了更好地理解调节它们在晶体中的比例的机制，以及为什么这些晶体的产生不会破坏其他细胞过程，领导这项研究的博士生雷切尔·戴斯(Rachel Deis)分离了产生晶体的细胞，称为虹膜团。然后，她与一个跨学科研究团队合作，破译了使他们能够制造定制晶体的生物机制。

戴斯说:“这是我们第一次成功地分离出虹膜团，鉴定出它们所含的蛋白质，并将它们与不产生晶体的细胞进行比较。”“当我们查看虹膜团中的蛋白质列表时，我们惊讶地发现了两个明显矛盾的趋势。

“一方面，彩虹基团含有特别大量的酶，这些酶负责形成晶体的组成部分;另一方面，它们含有的其他酶的数量比预期的要少，这些酶具有类似的功能，属于同一蛋白质家族。”

这些发现使研究人员怀疑，每一组虹膜团都有独特的酶平衡，而细胞中独特的平衡决定了每个晶体组成单元之间的比例，从而决定了晶体在不同组织中的结构和功能。

“人类只有一种酶负责制备鸟嘌呤的最后阶段;在鱼类中，我们发现了五种不同的酶，”Gur解释说。鱼体内大量的酶使它们能够产生不同比例的鸟嘌呤和次黄嘌呤，而不破坏其他细胞功能。鸟嘌呤和次黄嘌呤是形成晶体的基本成分。

研究人员最终对这一机制进行了测试。他们设计了一种不能表达pnp4a酶的鱼，这种酶是产生结晶鸟嘌呤所需的酶之一。在普通的斑马鱼中，这种酶在眼睛的虹膜中大量存在，在皮肤的虹膜中含量较低。

当研究人员设计了一条不能表达这种酶的鱼时，它眼睛里的晶体数量减少了，形状也从细长变成了方形，变得与鱼皮肤上的晶体相似。实验证实，每一组细胞都有独特的酶平衡，当这种平衡被打破时，细胞的组成部分就会发生变化，从而导致其晶体结构的变化。

Gur总结道:“我们已经成功地从头到尾揭示了整个故事:从使鱼能够产生各种具有相似但不同功能的酶的基因，通过细胞中每种酶的独特表达水平，到酶的存在决定晶体不同构建块之间比例的方式，从而确定它们的特征。”

研究人员将他们成功发现整个机制归功于研究团队的跨学科性质，生物学家与光学和生物材料专家一起工作。他们的发现不仅进一步加深了我们对自然的理解，使我们能够模仿自然的材料，而且还突出了自然的美丽和简单:两个简单的分子结构如何产生如此丰富的复杂生物功能。