В клетки млекопитающих включили хлоропласты и запустили фотосинтез

Японским исследователям удалось включить хлоропласты красной водоросли в клетки млекопитающих и пронаблюдать в них фотосинтетическую активность в течение не менее двух дней. Отчет о работе опубликован в журнале Proceedings of the Japan Academy, Series B.

Первые указания на появление фотосинтеза имеют возраст около 3,4 миллиарда лет; прямые его свидетельства в виде тилакоидных мембран цианобактерий — около 1,8 миллиарда лет. 1,2–1,6 миллиарда лет назад цианобактерии были захвачены эукариотическими клетками, что привело к их успешному эндосимбиозу, в результате которого появились хлоропласты растений. В середине XX века было показано, что изолированные хлоропласты в течение некоторого времени сохраняют фотосинтетическую активность, хотя механизмы этого недостаточно ясны. После этого разные научные группы разными способами пытались включить эти органеллы в несвойственные им клетки, но они сохраняли свою морфологию лишь несколько часов, и их фотосинтетическая активность в новом окружении подтверждена не была.

Сатихиро Мацунага (Sachihiro Matsunaga) из Токийского университета с коллегами выделили хлоропласты из одноклеточной красной водоросли Cyanidioschyzon merolae, которая сохраняет примитивные черты и обитает в горячих вулканических источниках с высокой кислотностью воды. Ее хлоропласты активны при температуре ниже 37 градусов Цельсия, сохраняют свою структуру в изолированном состоянии и редко дифференцируются в другие пластиды при изменении условий среды, что делает их перспективными кандидатами для инкорпорации в другие клетки. Выделенные хлоропласты сохраняли фонтосинтетическую активность и морфологию даже спустя шесть дней хранения при температуре четыре градуса Цельсия.

Полученные хлоропласты культивировали совместно с клетками яичника китайского хомячка (Cricetulus griseus) широко применяемой в биотехнологии иммортализованной линии CHO-K1 в соотношении 100 к 1. В тот же день конфокальная микроскопия показала, что около 20 процентов клеток захватили 1–3 хлоропласта, а около процента содержали большое количество (7–45) этих органелл. На второй день клетки с хлоропластами демонстрировали более высокую скорость роста, чем контрольные. Через два и четыре дня совместной культивации число захваченных органелл в клетках снижалось — вероятно, либо вследствие внутриклеточного их переваривания, либо в результате случайного распределения между дочерними клетками в ходе деления.

Хлоропласты располагались во внутриклеточных везикулах циркулярно вблизи ядра, не проникая в него, и были окружены митохондриями; нативная ДНК в них сохранялась. Авторы работы использовали флуоресцентную микроскопию для идентификации этих органелл по содержанию в них хлорофилла и сканирующую электронную микроскопию для детального изучения их мембран. Хлоропласты обладали двойной наружной мембраной и множественными слоями тилакоидных мембран. В первый день совместной культивации у некоторых из них эта слоистая структура была интактной, у других — частично деформированной. Через два дня у части хлоропластов увеличились расстояние между тилакоидными мембранами и размер пластоглобул (липопротеиновых частиц с пластохиноном, появляющихся в ответ на стресс). Через четыре дня тилакоидные мембраны деградировали.

Для оценки фотосинтетической активности — транспорта электронов в фотосистеме II — исследователи воспользовались флуориметрией с визуализационной амплитудно-импульсной модуляцией (Imaging-PAM). В первый день и через два дня совместной культивации эта активность в захваченных клетками хлоропластах значимо не отличалась от таковой в изолированных органеллах, но к четвертому дню существенно снижалась.

Таким образом, при правильном подборе хлоропластов и клеток-реципиентов эти органеллы могут сохранять структуру и фотосинтезирующую активность в течение как минимум двух дней после захвата. Подобный нисходящий подход синтетической биологией может служить основой для получения искусственно фотосинтезирующих животных клеток, заключают авторы работы.

Ранее китайские исследователи создали наноструктуры с тилакоидами хлоропластов и внедрили их в хондроциты мышей, которые затем пересадили в суставные хрящи живым животным. Их итальянские коллеги смогли собрать фотосинтетический аппарат в искусственной клетке, использовав только основной трансмембранный белок реакционного центра пурпурных бактерий.