Japońskim badaczom udało się włączyć chloroplasty krasnorostów 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 miliarda 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, w wyniku której pojawiły się chloroplasty roślinne. W połowie XX wieku wykazano, że izolowane chloroplasty zachowują aktywność fotosyntetyczną przez pewien czas, chociaż mechanizmy tego nie są do końca 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 University of Tokyo i jego współpracownicy wyizolowali chloroplasty z jednokomórkowego krasnorostu Cyanidioschyzon merolae, który zachowuje pierwotne 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, gdy zmieniają się warunki środowiskowe, 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 jajnika chomika chińskiego (Cricetulus griseus) z unieśmiertelnionej 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 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 kokultywacji liczba uchwyconych organelli w komórkach zmniejszyła się - prawdopodobnie albo w wyniku ich wewnątrzkomórkowego trawienia, albo 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; zachowane było 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 w niektórych z nich, a częściowo zdeformowana w innych. Dwa dni później odległość między błonami tylakoidowymi i wielkość plastoglobul (cząsteczek lipoprotein z plastochinonem, które pojawiają się w odpowiedzi na stres) zwiększyły się w niektórych chloroplastach. Po czterech dniach błony tylakoidowe uległy degradacji.
Aby ocenić aktywność fotosyntetyczną — transport elektronów w fotosystemie II — naukowcy zastosowali fluorymetrię z wizualną modulacją amplitudy i impulsu (Imaging-PAM). Pierwszego dnia i po dwóch dniach kokultywacji aktywność ta w chloroplastach przechwyconych przez komórki nie różniła się znacząco od aktywności w izolowanych organellach, ale czwartego dnia znacząco spadła.
Zatem przy właściwym doborze chloroplastów i komórek biorczych organelle te mogą zachować swoją strukturę i aktywność fotosyntetyczną przez co najmniej dwa dni po schwytaniu. Podobne podejście odgórne w biologii syntetycznej może służyć jako podstawa do uzyskania sztucznie fotosyntetyzujących komórek zwierzęcych, podsumowują 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 fioletowych bakterii.