Ученые из Японии внедрили хлоропласты в культивируемые клетки млекопитающих и наблюдали в них фотосинтетическую активность в течение не менее двух дней. Ранее не было данных исследований о переносе изолированных хлоропластов в гетерологичную клетку-хозяина, что привело бы к обнаружимому фотосинтезу в клетке-хозяине.
Фотосинтез представляет собой сложный химический процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ. Фотосинтез происходит при участии фотосинтетических пигментов. Первые данные о появлении фотосинтеза датированы около 3,4 млрд лет назад, а свидетельства в виде тилакоидных мембран цианобактерий (единственные бактерии, которые способны к оксигенному фотосинтезу) — около 1,8 миллиардов лет. Затем цианобактерии были захвачены эукариотическими клетками, и возник их эндосимбиоз, в результате которого возникли хлоропласты растений. В середине 20 века было установлено, что изолированные хлоропласты могут в течение некоторого времени сохранять фотосинтетическую активность, и после этого ученые предпринимали попытки включить хлоропласты в несвойственные клетки, но они могли сохранять свою морфологию только в течение нескольких часов, и активность фотосинтаза в них не была подтверждена (1).
Хлоропласты именно водорослей были выбраны из-за того, что в отличие от хлоропластов цветковых растений, они редко дифференцируются в другие пластиды (лейкопласты или этиопласты) в ответ на меняющиеся условия внешней среды. В исследовнии использовались хлоропласты красной водоросли Cyanidioschyzon merolae/ Цианидиошизон меролае, которую сокращенно называют schyzon или шизон. Цианидиошизон меролае представляет собой небольшую (размером 2 мкм) одноклеточную гаплоидную красную водоросль. Эта красная водоросль обитает в горячих источниках (pH 1,5, 45°C). Клеточное строение этой водоросли достаточно простое: она содержит один хлоропласт и одну митохондрию, не имеет вакуоли и клеточной стенки. Благодаря простому строению Цианидиошизон меролае удобно использовать в качестве модельного организма для изучения деления митохондрий и пластид.
В качестве клеток млекопитающих, культивируемых в качестве хозяина, использовалась клеточная линия яичника китайского хомячка (CHO)-K1. Эти клетки являются достаточно восприимчивыми к экзогенным веществам, что делает их пригодными для поддержания хлоропластов водорослей.
В процессе исследования хлоропласты, выделенные из шизона, культивировали совместно с клетками яичника китайского хомячка (Cricetulus griseus) иммортализованной линии CHO-K1 в соотношении 100 к 1. В тот же день, по результатм конфокальной микроскопии, было обнаружено, что около 20% клеток захватили по 1-3 хлоропласта, а около 1 % клеток содержали большое количество (7–45) хлоропластов. Включенные хлоропласты сохраняли свою тилакоидную структуру во внутриклеточных везикулах и поддерживались в цитоплазме, окруженные митохондриями около ядра.
На второй день клетки с хлоропластами имели более высокую скорость роста, чем контрольные. Через 2 и 4 дня совместной культивации число захваченных органел в клетках снижалось. По результатам этих наблюдений был сделан вывод, что система транспорта электронов в хлоропластах функционировала в клетках млекопитающих по крайней мере до 2-го дня, однако фотосинтетическая активность в инкорпорированных хлоропластах значительно снизилась через 4 дня после совместного культивирования, что свидетельствует о том, что хлоропласты в клетках CHO-K1 не функционировали нормально (2).
Авторы исследования отмечают, что результаты их исследований будут полезны для клеточной инженерии, так как клетки, выращиваемые в лабораторных условиях, испытывают гипоксию и это нарушает их рост и деление. А внедрение в них хлоропластов может обеспечить достаточный уровень кислорода, что в свою очередь обеспечит рост. Однако прежде чем это произойдет, команде необходимо будет поддерживать работу хлоропластов дольше, чем два дня, как это было в данном эксперименте.
1. https://nplus1.ru/news/2024/11/04/feed-me-sunlight
2. https://habr.com/ru/companies/ua-hosting/articles/856118/