Japońskim naukowcom udało się włączyć chloroplasty krasnorostów do komórek ssaków i obserwować w nich aktywność fotosyntetyczną przez co najmniej dwa dni. Raport z prac opublikowano w czasopiśmie Proceedings of the Japan Academy, Series B.
Pierwsze oznaki fotosyntezy pochodzą sprzed około 3,4 miliarda lat; bezpośredni dowód na to w postaci błon tylakoidowych cyjanobakterii ma około 1,8 miliarda lat. 1,2–1,6 miliarda lat temu cyjanobakterie zostały wychwycone przez komórki eukariotyczne, co doprowadziło do ich pomyślnej endosymbiozy, w wyniku której pojawiły się chloroplasty roślinne. W połowie XX wieku wykazano, że izolowane chloroplasty przez pewien czas zachowują aktywność fotosyntetyczną, chociaż mechanizmy tego nie są wystarczająco jasne. Następnie różne grupy naukowe próbowały na różne sposoby włączyć te organelle do swoich niezwykłych komórek, 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 jednokomórkowej algi czerwonej Cyanidioschyzon merolae, która zachowuje prymitywne cechy i żyje w gorących źródłach wulkanicznych o wysokiej kwasowości wody. Jego chloroplasty są aktywne w temperaturze poniżej 37 stopni Celsjusza, zachowują swoją strukturę w stanie izolowanym i rzadko różnicują się w inne plastydy pod wpływem zmiany warunków środowiskowych, 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 szeroko stosowanej w biotechnologii unieśmiertelnionej linii CHO-K1, w stosunku 100 do 1. Tego samego dnia mikroskopia konfokalna wykazała, że około 20 procent komórek wychwytywało 1–3 chloroplasty, a około procent zawierało dużą liczbę (7–45) tych organelli. Drugiego dnia komórki z chloroplastami wykazały wyższą szybkość wzrostu niż komórki kontrolne. Po dwóch i czterech dniach wspólnej hodowli liczba wychwyconych organelli w komórkach zmniejszyła się – prawdopodobnie albo w wyniku ich wewnątrzkomórkowego trawienia, albo w wyniku losowego rozmieszczenia pomiędzy komórkami potomnymi podczas podziału.
Chloroplasty znajdowały się w pęcherzykach wewnątrzkomórkowych, kołowo w pobliżu jądra, nie wnikając w nie, i były otoczone mitochondriami; zachowało się w nich natywne 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. W pierwszym dniu wspólnej uprawy ta warstwowa struktura w niektórych przypadkach była nienaruszona, a w innych częściowo zdeformowana. Dwa dni później w niektórych chloroplastach wzrosła odległość między błonami tylakoidów i wielkość plastoglobul (cząstek lipoprotein z plastochinonem, które pojawiają się w odpowiedzi na stres). Po czterech dniach błony tylakoidów uległy degradacji.
Aby ocenić aktywność fotosyntetyczną — transport elektronów w fotosystemie II — naukowcy wykorzystali fluorymetrię z wizualną modulacją amplitudy i impulsu (Imaging-PAM). W pierwszym dniu i po dwóch dniach kokultywacji aktywność ta w chloroplastach wychwyconych przez komórki nie różniła się istotnie od aktywności w izolowanych organellach, natomiast w czwartym dniu znacznie się zmniejszyła.
Zatem przy prawidłowym doborze chloroplastów i komórek biorców organelle te mogą zachować swoją strukturę i aktywność fotosyntetyczną przez co najmniej dwa dni po wychwyceniu. Autorzy podsumowują, że podobne odgórne podejście stosowane w biologii syntetycznej może posłużyć za podstawę do uzyskania sztucznych komórek zwierzęcych dokonujących fotosyntezy.
Wcześniej chińscy badacze stworzyli nanostruktury z tylakoidów chloroplastów i wprowadzili je do chondrocytów myszy, które następnie przeszczepiono do chrząstki stawowej żywych zwierząt. Ich włoskim kolegom udało się złożyć aparat fotosyntetyczny w sztucznej komórce, wykorzystując jedynie główne białko transbłonowe centrum reakcji purpurowych bakterii.