Japońskim naukowcom udało się wprowadzić chloroplasty krasnorostów do komórek ssaków i obserwować aktywność fotosyntetyczną przez co najmniej dwa dni. Raport z badania został opublikowany w czasopiśmie Proceedings of the Japan Academy, Series B.
Pierwsze oznaki fotosyntezy pochodzą sprzed około 3,4 miliarda lat; bezpośrednie dowody, w postaci błon tylakoidowych sinic, pochodzą sprzed około 1,8 miliarda lat. Między 1,2 a 1,6 miliarda lat temu sinice zostały przejęte przez komórki eukariotyczne, co doprowadziło do udanej endosymbiozy, która dała początek chloroplastom roślin. W połowie XX wieku wykazano, że izolowane chloroplasty zachowują aktywność fotosyntetyczną przez pewien czas, choć mechanizmy stojące za tym zjawiskiem pozostają niejasne. Następnie różne grupy naukowe próbowały włączyć te organelle do obcych komórek, stosując różne metody, ale zachowały one swoją morfologię tylko przez kilka godzin, a ich aktywność fotosyntetyczna w nowym środowisku nie została potwierdzona.
Sachihiro Matsunaga z Uniwersytetu Tokijskiego wraz ze współpracownikami wyizolował chloroplasty z jednokomórkowego krasnorostu Cyanidioschyzon merolae, który zachowuje cechy pierwotne i zamieszkuje silnie kwaśne gorące źródła wulkaniczne. Jego chloroplasty są aktywne w temperaturach poniżej 37 stopni Celsjusza, zachowują swoją strukturę po wyizolowaniu i rzadko różnicują się w inne plastydy w zmieniających się warunkach środowiskowych, co czyni je obiecującymi kandydatami do włączenia do innych komórek. Wyizolowane chloroplasty zachowały swoją aktywność fonosyntetyczną i morfologię nawet po sześciu dniach przechowywania w temperaturze 4 stopni Celsjusza.
Powstałe chloroplasty hodowano wspólnie z komórkami jajnika chomika chińskiego (Cricetulus griseus), powszechnie stosowaną w biotechnologii immortalizowaną linią komórkową CHO-K1, w stosunku 100 do 1. Tego samego dnia mikroskopia konfokalna wykazała, że około 20% komórek pochłonęło 1–3 chloroplasty, a około jeden procent zawierał dużą liczbę (7–45) tych organelli. Drugiego dnia komórki z chloroplastami wykazywały wyższe tempo wzrostu niż komórki kontrolne. Po dwóch i czterech dniach hodowli liczba pochłoniętych organelli w komórkach zmniejszyła się – prawdopodobnie z powodu trawienia wewnątrzkomórkowego lub losowego rozkładu między komórkami potomnymi podczas podziału komórkowego.
Chloroplasty znajdowały się w pęcherzykach wewnątrzkomórkowych, koliście w pobliżu jądra, bez jego penetracji, i były otoczone mitochondriami; zachowano natywne DNA. Autorzy badania wykorzystali mikroskopię fluorescencyjną do identyfikacji tych organelli na podstawie zawartości chlorofilu oraz skaningową mikroskopię elektronową do szczegółowego zbadania ich błon. Chloroplasty miały podwójną błonę zewnętrzną i wiele warstw błon tylakoidowych. Pierwszego dnia hodowli kokultywnej ta warstwowa struktura była nienaruszona w niektórych chloroplastach, podczas gdy w innych była częściowo zdeformowana. Po dwóch dniach odległość między błonami tylakoidów i rozmiar plastoglobuli (cząsteczek lipoprotein zawierających plastochinon, które pojawiają się w odpowiedzi na stres) wzrosły w niektórych chloroplastach. Po czterech dniach błony tylakoidów uległy degradacji.
Aby ocenić aktywność fotosyntetyczną – transport elektronów w fotosystemie II – naukowcy wykorzystali fluorometrię obrazową z modulacją amplitudy impulsu (Imaging-PAM). Pierwszego dnia i po dwóch dniach kokultywacji aktywność ta w chloroplastach pochłoniętych przez komórki nie różniła się istotnie od aktywności w izolowanych organellach, ale czwartego dnia znacząco spadła.
Zatem, dzięki prawidłowemu doborowi chloroplastów i komórek biorcy, organelle te mogą zachować swoją strukturę i aktywność fotosyntetyczną przez co najmniej dwa dni po pobraniu. To odgórne podejście do biologii syntetycznej może stanowić podstawę do sztucznej produkcji fotosyntetycznych komórek zwierzęcych, konkludują autorzy.
Wcześniej chińscy naukowcy stworzyli nanostruktury z tylakoidami chloroplastów i wszczepili je do mysich chondrocytów, które następnie przeszczepiono do chrząstki stawowej żywych zwierząt. Ich włoskim kolegom udało się zmontować aparat fotosyntetyczny w sztucznej komórce, wykorzystując jedynie główne białko transbłonowe centrum reakcji bakterii purpurowych.
