Създадени за първи път животински клетки, способни на фотосинтеза

Ваня Милева Последна промяна на 07 ноември 2024 в 10:14 3589 0

Флуоресцентно изображение на хлоропласти, успешно включени в клетки на хамстер

Кредит R. Aoki, Y. Inui, Y. Okabe et al. 2024/ Proceedings of the Japan Academy, Series B

Флуоресцентно микроскопско изображение със свръхразделителна способност. Това флуоресцентно изображение показва хлоропласти (оцветени в магента), успешно включени в клетки на хамстер, други характеристики на животинската клетка също са подчертани (ядра в светло синьо и органели в жълто-зелено).

Невероятно постижение, което предефинира биологичните граници: учените успешно създадоха животински клетки, способни на фотосинтеза.

Произвеждащи енергия хлоропласти от водорасли са били включени в клетки на хамстер, позволявайки на клетките да фотосинтезират светлина, съобщават учени от Япония. Преди това се смяташе, че комбинирането на хлоропласти (съдържащи хлорофил структури в клетките на растенията и водораслите) с животински клетки е невъзможно и че хлоропластите няма да оцелеят или да функционират.

Този пробив, ръководен от професор Сачихиро Мацунага (Sachihiro Matsunaga) от Токийския университет, може да трансформира медицинските изследвания и да помогне за напредъка в производството на месо, отгледано в лаборатории.

Фотосинтеза в животински клетки

Фотосинтезата, традиционно извършвана само от растенията, водораслите и някои бактерии, е процес, който използва слънчева светлина, вода и въглероден диоксид за производство на кислород и захари – по същество "хранейки" организма.

"Всички живи организми на Земята, включително хората, могат да живеят благодарение на фотосинтезата", обяснява Мацунага. "Животинските клетки консумират кислород, ядат и разграждат захари и отделят въглероден диоксид. Тази реакция е напълно противоположна на фотосинтезата.

Чрез въвеждане на фотосинтетични свойства в животинските клетки, екипът се надява да създаде клетки, които консумират по-малко кислород и отделят по-малко въглероден диоксид – по същество ги превръщат в минипроизводители на кислород.

Малки зелени електроцентрали. Хлоропластите придават на растенията и водораслите техния зелен оттенък и им позволяват да преобразуват слънчевата светлина в храна и кислород чрез фотосинтеза. Хлоропластите (вдясно) в това изследване са взети от вид малки червени водорасли (които всъщност не винаги са червени, въпреки името), наречени Cyanidioschyzon merolae (вляво). Водораслото идва от киселинните горещи извори на вулкан близо до Неапол, Италия. Кредит: R. Aoki, Y. Inui, Y. Okabe et al. 2024/ Proceedings of the Japan Academy, Series B

Преодоляване на 50-годишно предизвикателство

Опитите за създаване на фотосинтезиращи животински клетки датират от 70-те години на миналия век.

"Ако можем да накараме дори част от фотосинтезата да се случи в животинските клетки, можем да намалим количеството консумиран кислород, да намалим количеството изядена захар и да намалим емисиите на въглероден диоксид ", коментира Мацунага.

Как обаче да се накарат животинските клетки да приемат хлоропластите, клетъчните структури, където се извършва фотосинтезата в растенията? Точно в това  се крие предизвикателството.

Преди това животинските клетки унищожаваха хлоропластите, разпознавайки ги като чужди нашественици, като бактерии или вируси.

След десетилетие на неуспешни опити изследванията в тази област бяха изоставени и учените приеха, че хлоропластите не могат да функционират в животински клетки.

Животински клетки, поглъщащи хлоропласти

Екипът на Мацунага извърши две големи стъпки, за да постигне този научен пробив.

Първо, намериха хлоропласти, които биха могли да оцелеят в по-топлата среда на животински клетки, които обикновено се култивират при около 37 градуса по Целзий - значително по-висока температура от тези, при които повечето растителни хлоропласти могат да издържат.

След това задачата на екипа бе да попречи на животинските клетки да отхвърлят хлоропластите като чужд материал.

"Хлоропластите, изядени като храна, могат да издържат в животинската клетка поне два дни, през което време може да бъде открита първоначалната реакция на фотосинтезата", обяснява Мацунага.

Като позволи на животинските клетки да поглъщат хлоропластите като "храна", вместо да ги имплантират насилствено, екипът успява да заобиколи имунната реакция, която обикновено разрушава хлоропластите.

Нов източник на енергия и растеж

Първоначалните резултати изненадват Мацунага и колегите му. Животинските клетки не само понасят хлоропластите, но също така показват повишена скорост на растеж, което предполага, че хлоропластите осигуряват допълнителен източник на енергия.

"Бях изненадан, защото успяхме да направим нещо, което никой не беше успял от 50 години и от което всички биологични изследователи се бяха отказали", споделя Мацунага.

Това постижение може да има широки последици, особено за медицински приложения и производство на изкуствено месо.

Приложения на фотосинтезата при животните

Докато човешката фотосинтеза остава далечна цел, Мацунага вярва, че непосредствените приложения са в медицинските изследвания и производството на месо, отглеждано в лаборатории .

Едно основно препятствие при отглеждането на тъкани за медицинска употреба или изкуствено месо е осигуряването на доставка на кислород до гъсто подредените клетки.

Както обяснява Мацунага, "когато клетките станат многослойни, вътрешността на клетъчната маса [не получава достатъчно кислород]; клетъчното делене спира и увеличаването на размера е невъзможно.

Чрез вграждане на хлоропласти тези клетъчни клъстери могат да генерират собствен кислород, ако бъдат изложени на светлина, потенциално възобновявайки клетъчното делене и растеж.

В бъдеще Мацунага предвижда медицински приложения, които биха доставяли кислород до определени органи, като сърцето. Например имплантирането на малък светодиод близо до сърцето може да осигури светлина на фотосинтетичните клетки, подобрявайки доставянето на кислород при пациенти със сърдечни заболявания .

Удължаването на живота на хлоропластите в животинските клетки обаче остава предизвикателство.

"В бъдеще ще подобрим нашата техника, така че хлоропластите да могат да извършват фотосинтеза в животински клетки възможно най-дълго", отбелязва Мацунага.

Нова ера в биологичното инженерство

Проучването на Мацунага бележи промяна в парадигмата, показвайки как проектирането на животински клетки да фотосинтезират може да доведе до многобройни иновации, от лабораторно отгледано производство на месо до подобрени медицински лечения.

Въпреки че все още има какво да се направи, за да се разшири функцията на хлоропластите в тези клетки, екипът на Matsunaga отвори вратата към нови възможности, разширявайки границите на това, което клетките могат да постигнат.

Този пробив подчертава трансформативния потенциал на фотосинтезата отвъд живота на растенията, предлагайки уникален и многостранен инструмент за справяне с човешките предизвикателства в производството на храни, медицината и вероятно дори изменението на климата.

Справка:  Ryota Aoki et al. Incorporation of photosynthetically active algal chloroplasts in cultured mammalian cells towards photosynthesis in animals, Proceedings of the Japan Academy, Series B, Physical and Biological Sciences (2024). DOI: 10.2183/pjab.100.035

Източник: Solar-powered animal cells: Combining chloroplasts from algae with hamster cells, University of Tokyo

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !