Хлоропласты, встроенные в клетки млекопитающих, способны к фотосинтезу

Клептопластия — накопление в тканях организма хлоропластов съеденных водорослей — служит природным свидетельством того, что перенос активных фотосинтетических систем в неродственные клетки возможен. Вдохновляясь примером «фотосинтезирующего моллюска» Elysia chlorotica, многие исследователи пытались воспроизвести явление клептопластии in vitro, вводя изолированные хлоропласты в клетки различных видов животных. Однако их физиологическая активность пока не была подтверждена. Японские ученые выделили хлоропласты из красной водоросли, внедрили их в клетки яичника китайского хомячка и показали, что эти хлоропласты способны в них функционировать.

Они выбрали для получения хлоропластов водоросль Cyanidioschyzon merolae, которая сохранила примитивные характеристики водорослей-предков. В природе она обитает в сильно закисленных и вулканических горячих источниках, а в лаборатории обычно культивируется при температуре 42℃ в среде с рН 2,3. Впрочем, отмечают авторы, при температуре 37℃ клетки этих водослей остаются активными, в отличие от многих других видов. Геномы хлоропластов водорослей, как правило, содержат всего около 100 генов, но у этого вида он включает 243 гена, и авторы предположили, что хлоропластам C. merolae будет легче выжить в клетках животных.

Для выделения хлоропластов клетки водорослей обрабатывали гипотоническим раствором, а затем гомогенизировали в растворе кукурузного крахмала перед гомогенно-градиентным центрифугированием.

Активность фотосистемы II и интенсивность флуоресценции хлорофилла в изолированных хлоропластах сравнили с целыми клетками, а также обработали их 3-(3′, 4′-хлорфенил)-1,1-диметилмочевиной. Результаты указали на то, что, хотя в изолированных хлоропластах эффективность работы электронтранспортной цепи снижена, они все еще фотосинтетически активны.

Затем авторы работы культивировали клетки яичника китайского хомячка (CHO-K1) вместе с хлоропластами в соотношении 1:100. В течение двух дней такой совместной культивации клетки стали расти быстрее, чем контрольные (т. е. культивируемые без хлоропластов). Авторы предполагают, что хлоропласты могли обеспечить клеткам дополнительный источник углерода. Анализ с помощью конфокальной микроскопии показал, что около 20% клеток содержали 1-3 хлоропласта, а около 1% клеток встроили в себя намного больше хлоропластов (до 45). Хлоропласты располагались в цитоплазме клеток, некоторые из них контактировали с ядром, но не проникали в него. ДНК хлоропластов детектировалась в самих органеллах и не покидала их пределы.

Электронная микроскопия выявила два типа хлоропластов, встроившихся в клетки CHO-K1. В одном случае слоистая структура тилакоидных мембран сохранялась, в другом — деформировалась. Через 4 дня «обитания» хлоропласта в поглотившей его клетке слоистая структура тилакоидных мембран разрушалась; хлоропласты были встроены в везикулярную структуру и окружены митохондриями.

Чтобы оценить фотосинтетическую активность хлоропластов в клетках млекопитающих, ученые измерили квантовый выход флуоресценции (φII) при облучении клеток красным светом (625 нм). Значимых различий между интактными хлоропластами и хлоропластами в клетках CHO-K1 сразу после совместной культивации или через два дня после него не обнаружили, однако на четвертый день функциональность хлоропластов существенно снизилась.

Проведенная работа впервые показала, что хлоропласты могут быть фотосинтетически активны в клетках млекопитающих (по крайней мере, какое-то время). Авторы рассчитывают, что их подход подтолкнет дальнейшее развитие синтетической биологии в этом направлении и позволит разработать метод для получения фотосинтезирующих клеток млекопитающих.

Получены дрожжи с наполовину синтетическим геномом