ФОТОСИНТЕЗ У ЖИВОТНЫХ: ФАНТАЗИИ УЧЁНЫХ ИЛИ НЕДАЛЁКОЕ БУДУЩЕЕ?
Японским исследователям удалось включить хлоропласты красной водоросли в клетки млекопитающих и пронаблюдать в них фотосинтетическую активность в течение не менее двух дней. Сегодня расскажем как, зачем и почему это открытие может стать перспективным методом для современной науки.
Фотосинтез — процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений. Проще говоря, это способ получения энергии из неорганических веществ: из углекислого газа и воды образуется глюкоза. Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты. В связи с этим данный процесс присущ зелёным растениям и цианобактериям.
Первые указания на появление фотосинтеза имеют возраст около 3,4 миллиарда лет; прямые его свидетельства у цианобактерий — около 1,8 миллиарда лет. 1,2-1,6 миллиарда лет назад безъядерная клетка цианобактерии была захвачена ядросодержащими клетками, что привело к их успешному симбиозу, в результате которого появились хлоропласты растений. В середине XX века было показано, что изолированные хлоропласты в течение некоторого времени способны к самостоятельному фотосинтезу, хотя механизмы этого недостаточно ясны. После этого многие научные группы различными способами пытались включить хлоропласты в несвойственные им клетки. Они сохраняли свою структуру лишь несколько часов, и их фотосинтетическая активность в новом окружении подтверждена не была.
Сатихиро Мацунага из Токийского университета с коллегами выделили хлоропласты из одноклеточной красной водоросли Cyanidioschyzon merolae, которая обитает в горячих вулканических источниках с высокой кислотностью воды. Ее хлоропласты активны при температуре ниже 37 °С, сохраняют свою структуру в изолированном состоянии, что делает их перспективными кандидатами для пересадки в другие клетки. Выделенные хлоропласты сохраняли свою структуру и фонтосинтетическую активность даже спустя шесть дней хранения при температуре 4°С.
Хлоропласты были внедрены в клетки хомяка и располагались во внутриклеточных везикулах (пузырьках) циркулярно вблизи ядра, не проникая в него, и были окружены митохондриями. Для обнаружения хлоропластов по содержанию в них хлорофилла была использована флуоресцентная микроскопия.
Сканирующая электронная микроскопия была использована для детального изучения структуры хлоропластов. Хлоропласты обладали двойной наружной мембраной и множественными слоями тилакоидных мембран (непосредственно то место, где протекают световые реакции фотосинтеза). В первый день совместной культивации у некоторых из них слоистая структура была неповрежденной, у других — частично деформированной. Через два дня у части хлоропластов увеличились расстояние между тилакоидными мембранами и вырос размер пластоглобул (липопротеиновых частиц, появляющихся в ответ на стресс). Через четыре дня тилакоидные мембраны деградировали.
Для оценки фотосинтетической активности исследователи воспользовались флуориметрией с визуализационной амплитудно-импульсной модуляцией (Imaging-PAM). В первые несколько дней эта активность в захваченных клетками хлоропластах значимо не отличалась от таковой в изолированных хлоропластах, но на четвёрные сутки существенно снизилась.
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. По мнению исследователей, такие гибридные клетки могут помочь в выращивании искусственных органов. Обычные клетки страдают от гипоксии, мешающей их делению, в то время как гибридные клетки, обогащаемые кислородом через фотосинтез, растут активнее и быстрее и более устойчивы к гипоксии.
Текст: Валентина Паутова, Анастасия Поплавская
Визуал: Руслана Ходаковская