Фотосинтез у растений и водорослей идёт в клеточных органеллах — хлоропластах, которые сами по себе довольно сложно устроены. Они представляют собой ёмкость, отгороженную от остальной клетки двойной мембраной, внутри же у них есть множество мембранных мешочков, называемых тилакоидами. На мембранах тилакоидов происходит первая стадия фотосинтеза, световая. В ходе световой фазы энергия фотонов расходуется на создание АТФ и НАДФН — восстановленной формы НАДФ+. Как известно, АТФ — энергетическая молекула, используемая в самых разных клеточных процессах. НАДФН/НАДФ+ — кофермент, необходимый во многих окислительно-восстановительных реакциях. АТФ и НАДФН, образованные в световой фазе фотосинтеза, потом используются в темновой, или, точнее, светонезависимой фазе, которая идёт уже не на тилакоидах, а в толще хлоропласта. В светонезависимой фазе из углекислого газа синтезируются глюкоза и другие сложные органические соединения.
В животные клетки пытались пересаживать и хлоропласты целиком, и отдельно тилакоиды. Эксперименты с тилакоидами обычно заканчивались более успешно, и именно тилакоиды вводили в глаза мышам с синдромом сухого глаза. Внедряя в животные клетки тилакоиды, исследователи пытаются проверить, можно ли, насыщая клетки продуктами световой фазы фотосинтеза, ослабить те или иные патологические процессы. Несколько лет назад тилакоиды вводили в коленные суставы страдающих от артрита мышей. Мышам становилось легче, разрушение суставного хряща замедлялось, хотя для этого нужно было каждый день в течение получаса освещать сустав красным светом (красный свет может проникать относительно глубоко в живые ткани, потому его и использовали для активации тилакоидных реакций).
Глаз специально освещать не надо, он и так постоянно получает свет. Сначала эксперименты ставили с культивируемыми клетками роговицы, добавляя к ним наночастицы с тилакоидами, извлечёнными из шпината.
Тилакоиды в хлоропластах уложены стопками, которые соединяются друг с другом, и сейчас исследователи пытались эти стопочные структуры по возможности сохранить целыми. С ними в клетках повышался уровень НАДФН, причём даже в тех клетках, у которых подавляли продукцию собственного НАДФН перед добавлением тилакоидов. Одновременно падала активность генов, стимулирующих воспаление, и повышалась активность генов, подавляющих воспаление, а также генов, которые помогают бороться с окислительным стрессом.
Затем исследователи перешли к опытам с мышами, у которых искусственно вызывали синдром сухого глаза. Как можно догадаться, его главные симптомы — чувство сухости в глазах, покраснение, слишком сильная реакция на яркий свет, ощущение, что в глазах песок. Синдром сухого глаза обычно не приводит к долгосрочным последствиям, но бывает, что оборачивается и серьёзными патологиями: роговица утоньшается, в ней появляются микротрещины, рубцы и пр. И вот мышам, которые неделю страдали от синдрома сухого глаза, начинали капать в глаза капли с тилакоидными наночастицами. К этому времени роговица у них стала тоньше на 30%, но вскоре после того, как им стали капать препарат, она восстановила толщину; кроме того, у мышей улучшилось слезоотделение. В статье в Cell*, где опубликованы результаты экспериментов, говорится, что клетки человеческой роговицы в лабораторной культуре реагировали на частицы с тилакоидами подобно клеткам роговицы мышей. Возможно, тилакоидные наночастицы в скором времени станут медицинским препаратом для лечения сухого кератоконъюнктивита.
Авторы работы утверждают, что тилакоиды помогают клеткам роговицы именно избытком НАДФН — он способствует устранению агрессивных молекул-окислителей, которые провоцируют воспаление. Но, возможно, и дополнительные энергетические АТФ тоже играют роль, потому что при синдроме сухого глаза клетки роговицы испытывают энергетический голод. Как бы то ни было, здесь важно не только потенциальное практическое применение, но и сам факт того, что фотосинтетические структуры растительной клетки способны функционировать в животной клетке. Можно вспомнить некоторых морских слизней, которые, питаясь водорослями, сохраняют в своих клетках водорослевые хлоропласты. Причём они их не просто хранят, но и создают все условия для работы — то есть хлоропласты продолжают функционировать, на молекулярном уровне интегрируясь в клетки морских слизней. Отчасти моллюски пользуются плодами фотосинтеза, а отчасти просто удерживают хлоропласты в качестве продовольственного запаса: когда морскому слизню начинает остро не хватать еды, хлоропласты «идут под нож». Конечно, этих моллюсков можно было бы счесть удивительной причудой эволюции. Однако, как видим, клетки мышей и людей тоже совместимы с фотосинтетическим аппаратом, по крайней мере, в виде специально подготовленных тилакоидов.
Комментарии к статье
* Xing K., Yan Y., Zhu Z. et al. Transplanting light-dependent reactions for mammalian eye photosynthesis. Cell, 2026; 0.
