В глаз мыши трансплантировали фотосинтетический аппарат шпината

«Глаза млекопитающих подвергаются воздействию видимого света, но не способны к фотосинтезу, — так начинается статья сингапурских ученых, опубликованная в Cell. — В данной работе мы показываем, что введение в клетки роговицы наноразмерной, структурно и функционально сохранной тилакоидной системы LEAF позволяет осуществлять фотосинтетическую НАДФ·H и АТФ под действием света, аналогично тому, как это происходит в листьях растений, что снижает окислительный стресс и воспаление».

«Мы целиком заимствуем технологию, которая развивалась у растений на протяжении миллионов лет, и можем перенести ее в организм животных», — говорит соруководитель исследования Дэвид Тай Леонг из Национального университета Сингапура.

Два года назад PCR.NEWS писал о внедрении хлоропластов в клетки млекопитающих, но эта новость была первоапрельской шуткой. Исследователи из Национального университета Сингапура провели абсолютно серьезные эксперименты в этом направлении. Их (как и нас) вдохновил брюхоногий моллюск Elysia chlorotica, который использует для фотосинтеза клептопластиды — «украденные» хлоропласты водорослей. В их экспериментах клетки млекопитающих поглощали фотосинтезирующие структуры, которые после поглощения оставались активными. Тем не менее это еще не истинный эндосимбиоз — система фотосинтеза функционирует в клетках животного автономно и временно.

Листовые овощи для опытов первый автор статьи Куоран Син купил в супермаркете FairPrice. Зеленую массу гомогенизировали, отфильтровали и центрифугировали, чтобы выделить хлоропласты, а затем разрушали их с помощью легкого осмотического шока. При этом высвобождались неповрежденные тилакоидные граны — стопки плоских органелл, в которых происходят светозависимые реакции фотосинтеза.

На мембране тилакоида присутствуют четыре основных белковых комплекса: поглощающие свет фотосистемы I и II, цитохром-b6f-комплекс и АТФ-синтаза. Цитохром-b6f-комплекс использует энергию света для работы электронтранспортных цепей и закачивания протонов в просвет тилакоида; на мембране создается электрохимический потенциал, за счет которого синтезируется АТФ. При переносе электронов также происходит восстановление НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфата) до НАДФ·H, которая вместе с АТФ затем потребляется в темновой фазе фотосинтеза, во время продукции углеводов. Кроме того, НАДФ·H — важная молекула-восстановитель как в растительных, так и в животных клетках, обеспечивает защиту от окислителей и метаболический баланс.

Исследователи сравнили тилакоиды шпината (Spinacia oleraceae), амаранта трехцветного (Amaranthus tricolor), водяного шпината, или ипомеи (Ipomoea aquatica) и салата-латука (Lactuca sativa). Самое высокое содержание хлорофилла и белка в экстракте показал шпинат. Его тилакоидные граны упаковывали в наночастицы, которые назвали LEAF (light-reaction enriched thylakoid NADPH-foundry).

Клетки млекопитающих в культуре более охотно поглощали LEAF, чем неупакованные тилакоиды, и внутри клеток они в течение нескольких часов производили молекулы АТФ и НАДФ·H. Авторы подтвердили, что продукция контролировалась светом и не была связана с метаболическими путями млекопитающих.

Следующую фазу фотосинтеза, продукцию углеводов с расходованием энергетических молекул, частицы LEAF не поддерживают. Но с точки зрения практического использования LEAF авторов интересовал именно НАДФ·H из-за его способности нейтрализовать активные формы кислорода (АФК). В клетках млекопитающих НАДФ·H в основном производится через пентозофосфатный путь, однако при воспалении и окислительном стрессе его недостаточно, более того, повышенная активность пентозофосфатного пути сама усиливает продукцию АФК.

Эндоцитированные LEAF переключали метаболизм макрофагов в культуре из воспалительного состояния в гомеостатическое. Наночастицы с тилакоидными гранами снижали уровень АФК в образцах слезной жидкости, полученных от пациентов с синдромом сухого глаза — состояния, связанного с накоплением АФК и приводящее к дискомфорту, боли и нарушению зрительной функции

Наконец, авторы проверили, как будут действовать LEAF in vivo, на мышиной модели синдрома сухого глаза. «Нам не пришлось подвергать животное дополнительному воздействию света, — добавляет Леонг. — Мы просто позволили мыши заниматься своими делами».

Капли, содержащие LEAF, снизили воспаление глаз, у мышей улучшилась секреция и стабильность слезной пленки. LEAF появились в эпителиальном слое роговицы уже в первые 30 минут после закапывания. Уровни НАДФ·H в течение часа выросли в полтора раза (с 9,8 до 14,2 нмоль НАДФ·H/мг ткани). Толщина роговицы увеличилась почти до нормы, уменьшилось количество маркеров воспалительного стресса. Секвенирование РНК единичных клеток роговицы подтвердило противовоспалительное действие LEAF.

Частицы LEAF действовали как внутри, так и вокруг клеток роговицы, отмечают авторы. В клетках они обеспечивали поступление НАДФ·H и АТФ посредством фотосинтеза, а вне клеток НАДФ·H усиливал активность эндогенных антиоксидантных ферментов.

В комментарии для Nature отмечается, что глаза животных от внедрения LEAF, имеющих легкий зеленоватый оттенок, не позеленели: дозы, достаточные для продукции НАДФ·H, слишком малы для видимого эффекта.

Авторы статьи планируют клинические исследования своих LEAF для лечения синдрома сухого глаза. По расчетам Сина, пучок шпината стоимостью около 20 центов США может стать сырьем для лекарства, которого хватит на месяц 50 пациентам. LEAF остаются стабильными до года при −80°C, до трех недель недель при 4°C и для двух недель при комнатной температуре, что повышает их перспективность как потенциального лекарственного препарата. Команда также изучает возможность трансплантации органелл растительного происхождения в другие ткани, помимо роговицы. «Это очень захватывающе, даже если сейчас это кажется немного безумным», — говорит Дэвид Тай Леонг.

Дальнейшие перспективы зависят от того, какие клетки могут поглощать LEAF и как долго сохраняется эффект. Неожиданно уже то, что наночастицы с тилакоидными гранами не отправляются немедленно в лизосомы на деградацию, учитывая огромное эволюционное расстояние между растениями и млекопитающими, отмечают авторы. Это наводит на размышления о том, как клетки животных-хозяев реагируют на чужеродные органеллы, способные обеспечить им преимущество, например, при окислительно-восстановительном стрессе. Пока что LEAF функционирует автономно от хозяина, используя только свет. Однако в будущем возможно «обучить» их реагировать на биохимические сигналы млекопитающих, что будет шагом к каноническому эндосимбиозу и размыванию метаболических границ между царствами растений и животных.

Рыбка с «украденной» люциферазой так и не научилась ее синтезировать