Вчені вперше створили тваринні клітини, здатні до фотосинтезу

У неймовірному подвигу, який перевизначає біологічні кордони, вчені успішно створили тваринні клітини, здатні до фотосинтезу.  Цей прорив під керівництвом професора Сачіхіро Мацунаги з Токійського університету може змінити медичні дослідження та допомогти у розвитку виробництва м’яса, вирощеного в лабораторії. Фотосинтез в клітинах тварин

Фотосинтез, традиційно виключно для рослин, водоростей і деяких бактерій, є процесом, який використовує сонячне світло, воду та вуглекислий газ для виробництва кисню та цукру, по суті, «годуючи» організм.

«Усі живі організми на Землі, включаючи людину, здатні жити завдяки фотосинтезу», — сказав Мацунага. «Клітини тварин споживають кисень, їдять і розщеплюють цукор, виділяють вуглекислий газ. Ця реакція абсолютно протилежна фотосинтезу». 

Впроваджуючи фотосинтетичні властивості в клітини тварин, команда сподівається створити клітини, які споживають менше кисню та виділяють менше вуглекислого газу – фактично перетворюючи їх на міні-виробники кисню.

Подолання 50-річного виклику

Спроби створити фотосинтезуючі тваринні клітини відносяться до 1970-х років. «Якщо ми зможемо змусити хоча б частину фотосинтезу відбуватися в клітинах тварин, ми зможемо зменшити кількість споживаного кисню, зменшити кількість споживаного цукру та скоротити викиди вуглекислого газу», — сказав Мацунага.

Однак завдання полягає в тому, щоб переконати тваринні клітини прийняти хлоропласти, клітинні структури, де відбувається фотосинтез у рослин. Раніше клітини тварин руйнували хлоропласти, визнаючи їх чужорідними загарбниками, як бактерії чи віруси. 

Тваринні клітини поглинають хлоропласти

Команда Мацунаги зробила два важливі кроки для досягнення цього наукового прориву. По-перше, вони шукали хлоропласти, які могли б вижити в теплішому середовищі тваринних клітин, які зазвичай культивуються при температурі близько 37 градусів за Цельсієм, що значно вище, ніж температура, яку можуть витримати більшість рослинних хлоропластів.  Після знаходження відповідних хлоропластів команда повинна була запобігти відторгненню тваринними клітинами їх як чужорідного матеріалу.

«Хлоропласти, з’їдені як їжа, можуть зберігатися в клітині тварини щонайменше два дні, протягом яких може бути виявлена ​​початкова реакція фотосинтезу», — сказав Мацунага. 

Дозволивши клітинам тварин ковтати хлоропласти як «їжу», а не примусово імплантувати їх, команді вдалося обійти імунну відповідь, яка зазвичай руйнує хлоропласти.

Нове джерело енергії та зростання

Початкові результати здивували Мацунага та його колег. Клітини тварин не тільки переносили хлоропласти, але й демонстрували підвищену швидкість росту, що свідчить про те, що хлоропласти стали додатковим джерелом енергії. 

«Я був здивований, тому що ми змогли зробити те, що нікому не вдавалося протягом 50 років і від чого всі біологічні дослідники відмовилися», — сказав Мацунага. Це досягнення може мати широке значення, зокрема для застосування в медицині та штучного виробництва м’яса.

Застосування фотосинтезу тварин

У той час як фотосинтез людини залишається далекою метою, Мацунага вважає, що безпосереднє застосування лежить у медичних дослідженнях і виробництві м’яса, вирощеного в лабораторії.  Однією з головних перешкод у вирощуванні тканини для медичного використання або штучного м’яса є забезпечення доставки кисню до щільно упакованих клітин. 

Як пояснив Мацунага, «коли клітини стають багатошаровими, внутрішня частина клітинної маси [не отримує достатньо кисню]; поділ клітин припиняється, і збільшення розміру неможливо».  Завдяки вбудовуванню хлоропластів ці клітинні кластери можуть генерувати власний кисень під дією світла, потенційно відновлюючи поділ і ріст клітин.

Дивлячись у майбутнє, Мацунага передбачає медичні застосування, які б доставляли кисень до певних органів, наприклад серця. Наприклад, імплантація маленького світлодіода біля серця може забезпечити світлом фотосинтезуючі клітини, покращуючи доставку кисню пацієнтам із серцевими захворюваннями. 

Проте подовження тривалості життя хлоропластів у клітинах тварин залишається проблемою. «У майбутньому ми вдосконалимо нашу техніку, щоб хлоропласти могли якомога довше здійснювати фотосинтез у клітинах тварин», — сказав Мацунага.Нова ера в біологічній інженерії

Дослідження Мацунаги знаменує собою зміну парадигми, демонструючи, як створення клітин тварин для фотосинтезу може призвести до численних інновацій, від виробництва м’яса, вирощеного в лабораторії, до вдосконалених медичних процедур. 

Незважаючи на те, що ще потрібно зробити роботу, щоб розширити функцію хлоропластів у цих клітинах, команда Мацунаги відкрила двері в нове царство можливостей, кидаючи виклик давнім переконанням у біології та розсуваючи межі того, чого клітини можуть досягти. 

Цей прорив підкреслює трансформаційний потенціал фотосинтезу за межами рослинного життя, пропонуючи унікальний і універсальний інструмент для вирішення людських проблем у виробництві їжі, медицині та, можливо, навіть зміні клімату. Дослідження опубліковано в журналі  Proceedings of the Japan Academy.