Japońskim naukowcom udało się wprowadzić chloroplasty czerwonych alg do komórek ssaków i obserwować w nich aktywność fotosyntetyczną przez co najmniej dwa dni. Sprawozdanie z prac opublikowano w czasopiśmie Proceedings of the Japan Academy, Series B.
Pierwsze oznaki pojawienia się fotosyntezy pochodzą sprzed około 3,4 miliardów lat; bezpośredni dowód na to w postaci błon tylakoidowych sinic ma około 1,8 miliarda lat. 1,2–1,6 miliarda lat temu sinice zostały schwytane przez komórki eukariotyczne, co doprowadziło do ich udanej endosymbiozy, której efektem było pojawienie się roślinnych chloroplastów. W połowie XX wieku wykazano, że izolowane chloroplasty przez pewien czas zachowują aktywność fotosyntetyczną, chociaż mechanizmy tego zjawiska nie są dostatecznie jasne. Później różne grupy naukowe próbowały włączyć te organelle do komórek, które nie były ich własnymi, stosując różne metody, ale zachowywały one swoją morfologię tylko przez kilka godzin, a ich aktywność fotosyntetyczna w nowym środowisku nie została potwierdzona.
Sachihiro Matsunaga z Uniwersytetu Tokijskiego i jego współpracownicy wyizolowali chloroplasty z jednokomórkowego krasnorostu Cyanidioschyzon merolae, który zachowuje prymitywne cechy i żyje w gorących źródłach wulkanicznych o wysokiej kwasowości wody. Chloroplasty są aktywne w temperaturach poniżej 37 stopni Celsjusza, zachowują swoją strukturę w stanie izolowanym i rzadko różnicują się w inne plastydy, gdy zmieniają się warunki środowiskowe, co czyni je obiecującymi kandydatami do włączenia do innych komórek. Wyizolowane chloroplasty zachowały aktywność fotosyntetyczną i morfologię nawet po sześciu dniach przechowywania w temperaturze czterech stopni Celsjusza.
Powstałe chloroplasty hodowano razem z komórkami jajnika chomika chińskiego (Cricetulus griseus) z zimmortalizowanej linii CHO-K1, szeroko stosowanej w biotechnologii, w stosunku 100 do 1. Tego samego dnia mikroskopia konfokalna wykazała, że około 20 procent komórek uchwyciło 1–3 chloroplasty, a około jeden procent zawierał dużą liczbę (7–45) tych organelli. Drugiego dnia komórki z chloroplastami wykazywały szybszą szybkość wzrostu niż komórki kontrolne. Po dwóch i czterech dniach kokultywacji liczba uwięzionych organelli w komórkach zmniejszyła się, prawdopodobnie z powodu ich wewnątrzkomórkowego trawienia lub w wyniku losowego rozkładu między komórkami potomnymi w trakcie podziału.
Chloroplasty zlokalizowane są w pęcherzykach wewnątrzkomórkowych, okrężnie w pobliżu jądra, bez wnikania w nie, i otoczone są mitochondriami; W nich zachowało się rodzime DNA. Autorzy pracy wykorzystali mikroskopię fluorescencyjną do identyfikacji tych organelli na podstawie zawartości chlorofilu oraz skaningową mikroskopię elektronową do szczegółowego zbadania ich błon. Chloroplasty mają podwójną błonę zewnętrzną i wiele warstw błon tylakoidowych. Pierwszego dnia kokultywacji u niektórych z nich struktura warstwowa była nienaruszona, u innych zaś uległa częściowemu zdeformowaniu. Po dwóch dniach w niektórych chloroplastach zwiększyła się odległość między błonami tylakoidów i wielkość plastoglobul (cząsteczek lipoprotein zawierających plastochinon, które pojawiają się w odpowiedzi na stres). Po czterech dniach błony tylakoidowe uległy degradacji.
Aby ocenić aktywność fotosyntetyczną — transport elektronów w fotosystemie II — naukowcy zastosowali fluorymetrię z modulacją amplitudy impulsów obrazowych (Imaging-PAM). Pierwszego dnia i po dwóch dniach kokultywacji aktywność ta w chloroplastach pochwyconych przez komórki nie różniła się znacząco od aktywności w izolowanych organellach, natomiast czwartego dnia znacząco spadła.
Dzięki prawidłowemu doborowi chloroplastów i komórek biorczych organelle te mogą zachować swoją strukturę i aktywność fotosyntetyczną przez co najmniej dwa dni po pobraniu. Autorzy wnioskują, że takie podejście odgórne do biologii syntetycznej może stać się podstawą do sztucznej produkcji fotosyntetycznych komórek zwierzęcych.
Wcześniej chińscy naukowcy stworzyli nanostruktury z tylakoidów chloroplastowych i wprowadzili je do chondrocytów myszy, które następnie przeszczepili do chrząstki stawowej żywych zwierząt. Ich włoskim kolegom udało się zmontować aparat fotosyntetyczny w sztucznej komórce, wykorzystując jedynie główne białko błonowe centrum reakcji fioletowych bakterii.