Japońskim naukowcom udało się włączyć chloroplasty krasnorostów do komórek ssaków i obserwować w nich aktywność fotosyntetyczną przez co najmniej dwa dni. Raport z badań został opublikowany w czasopiśmie Proceedings of the Japan Academy, Series B.
Pierwsze oznaki pojawienia się fotosyntezy pochodzą sprzed około 3,4 miliarda lat; bezpośrednie dowody w postaci błon tylakoidowych sinic pochodzą sprzed około 1,8 miliarda lat. 1,2–1,6 miliarda lat temu sinice zostały schwytane przez komórki eukariotyczne, co doprowadziło do ich udanej endosymbiozy, w wyniku której pojawiły się chloroplasty roślinne. W połowie XX wieku wykazano, że izolowane chloroplasty zachowują aktywność fotosyntetyczną przez pewien czas, chociaż mechanizmy tego procesu nie są do końca jasne. Później różne grupy naukowe próbowały na różne sposoby włączyć te organelle do swoich nietypowych 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 jednokomórkowego krasnorostu Cyanidioschyzon merolae, który zachowuje cechy pierwotne 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 w przypadku zmiany warunków środowiskowych, co czyni je obiecującymi kandydatami do włączenia do innych komórek. Wyizolowane chloroplasty zachowały swoją aktywność fotosyntetyczną i morfologię nawet po sześciu dniach przechowywania w temperaturze czterech stopni Celsjusza.
Uzyskane chloroplasty hodowano razem z komórkami zimmortalizowanej linii jajnika chomika chińskiego (Cricetulus griseus) CHO-K1, szeroko stosowanej w biotechnologii, w stosunku 100 do 1. Tego samego dnia mikroskopia konfokalna wykazała, że około 20% komórek wychwyciło 1–3 chloroplasty, a około jeden procent zawierał dużą liczbę (7–45) tych organelli. Drugiego dnia komórki z chloroplastami wykazywały szybsze tempo wzrostu niż komórki kontrolne. Po dwóch i czterech dniach kokultywacji liczba wychwytanych organelli w komórkach zmniejszyła się – prawdopodobnie w wyniku ich wewnątrzkomórkowego trawienia lub w wyniku losowego rozkładu między komórkami potomnymi podczas podziału.
Chloroplasty znajdowały się w pęcherzykach wewnątrzkomórkowych, koliście w pobliżu jądra, bez jego penetracji, 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. Pierwszego dnia wspólnej hodowli ta warstwowa struktura była nienaruszona u niektórych z nich, a częściowo zdeformowana u innych. Dwa dni później w niektórych chloroplastach wzrosła odległość między błonami tylakoidów i rozmiar plastoglobul (cząsteczek 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). Pierwszego dnia i po dwóch dniach kokultywacji aktywność ta w chloroplastach wychwyconych 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. Podobne podejście odgórne stosowane w biologii syntetycznej może stanowić podstawę do uzyskania sztucznie fotosyntetyzujących komórek zwierzęcych, konkludują autorzy.
Wcześniej chińscy naukowcy stworzyli nanostruktury z tylakoidami chloroplastów i wprowadzili je do chondrocytów myszy, 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.
