Man nehme die Chloroplasten aus Spinat und füge sie in die Augen ein. Dann kann man bei geöffneten Augen Photosynthese betreiben.

Vielleicht haben viele Menschen schon einmal so eine Fantasie gehabt: Wenn Menschen auch Chloroplasten wie Pflanzen hätten. Man müsste jeden Tag nichts tun, nur an einem sonnigen Ort liegen bleiben, sich gemütlich eine Weile in die Sonne legen, und schon könnte man durch die Photosynthese genug Energie für den ganzen Tag sammeln.

Nach Ansicht von Dr. David Liang, einem Assistentenprofessor an der National University of Singapore, muss diese Idee, die wie ein Scherz klingt, nicht unbedingt in der Fantasie bleiben. Kürzlich hat sein Team eine Studie in der Zeitschrift Cell[1] veröffentlicht. Sie haben die "Thylakoide", die Schlüsselstrukturen für die Photosynthese in Pflanzenchloroplasten, in die Augen von Mäusen transplantiert. Somit beginnen die Thylakoide in den Augen dieser Mäuse, jedes Mal wenn sie die Augen öffnen und Licht hineinfällt, die Lichtenergie zu erfassen und können sogar eine Krankheit behandeln, die derzeit Hunderten von Millionen von Menschen Probleme bereitet - Trockenauge.

Eine kühne Vorstellung: Kann man Chloroplasten "stehlen"?

Ob Chloroplasten oder Mitochondrien, diese Organellen, die über Milliarden von Jahren evolviert sind, haben eine raffinierte Struktur und eine hohe Effizienz. Als Wissenschaftler, der sich mit Nanomaterialien befasst, weiß David Liang sehr gut, dass es mit der gegenwärtigen menschlichen Technologie immer noch sehr schwierig ist, eine so komplexe, stabile und effiziente Struktur wie ein Organell von Grund auf herzustellen.

Daher richtete er seinen Blick auf den Ursprung dieser Organellen. Zu Beginn ihrer Entstehung waren Mitochondrien und Chloroplasten ursprünglich frei lebende Bakterien. Später wurden sie von den Vorfahren eukaryotischer Zellen in die Zelle aufgenommen und wurden allmählich Teil der eukaryotischen Zelle.

Mitochondrien und Chloroplasten wurden allmählich Teil der eukaryotischen Zelle | Nano Banana 2

David Liang begann sich vorzustellen: Wenn die lange Evolution eine fremde Lebensstruktur in ein "Organ" innerhalb der Zelle verwandeln konnte, können heutige Wissenschaftler diese Prozesse bewusst wiederholen? Anstatt eine perfekte Maschine von Grund auf zu bauen, kann man diese bereits von der Evolution validierten Strukturen direkt "stehlen" und in tierische Zellen implantieren, um Krankheiten zu behandeln?

Im Jahr 2021, als David Liang diese Vorstellung zum ersten Mal vorgeschlagen hat, war Kuo - Ran Xing, der jetzt ein Postdoc an der National University of Singapore ist, gerade in seine Arbeitsgruppe gekommen, um seinen Doktorandenstudium zu beginnen. Diese etwas abenteuerliche Idee hat ihn schnell angesprochen. Kuo - Ran Xing hatte auch schon einmal gefantasie, wie wunderbar es wäre, wenn Menschen eines Tages wie Pflanzen Energie durch Photosynthese gewinnen könnten. Daher richtete er seinen Blick auf die Chloroplasten, die in Pflanzen für die Photosynthese zuständig sind: Das Auge ist eines der Organe, die am aktivsten Licht aufnehmen. Wenn man Chloroplasten in das Auge bringen könnte, könnte es nützlich sein?

Genau zu dieser Zeit bemerkten sie eine sehr häufige, aber oft unterschätzte Krankheit: Trockenauge.

Wenn Sie schon einmal Augenstechen, Trockenheit oder Lichtscheu empfunden haben, können dies alle Symptome von Trockenauge sein. Für Patienten mit schwerem Trockenauge kann diese Krankheit das tägliche Leben stark beeinträchtigen. In China beträgt die Inzidenz von Trockenauge über 20%.

Trockenauge wird immer häufiger, was eng mit Veränderungen im Lebensstil zusammenhängt. Viele Menschen starren, sobald sie ihr Handy nehmen, lange auf den Bildschirm. Wenn die Aufmerksamkeit auf den Bildschirm gelenkt wird, verringert sich die Anzahl der Augenblinzeln, die Tränenmembran auf der Augenoberfläche verdunstet leichter, und die Augen werden immer trockener. Das blaue Licht, das von elektronischen Bildschirmen ausgeht, kann auch die Augen reizen. Reize wie blaues Licht können in den Augen eine Substanz namens "reaktive Sauerstoffspezies" (ROS) erzeugen. Die ständige Akkumulation dieser Substanz kann Entzündungen auslösen. Auch einige chemische Bestandteile in Kontaktlinsen und bestimmten Augentropfen können ähnliche Auswirkungen haben.

Hier ergibt sich jedoch ein Problem. Der Kern des Trockenauges ist die Entzündung, während Chloroplasten am besten darin sind, unter Sonnenschein fleißig Photosynthese zu betreiben und Kohlendioxid in Energiesubstanzen umzuwandeln. Einerseits ist es ein Entzündungsproblem in den Augen, andererseits ist es die "Solarfabrik" der Pflanzenzelle. Die beiden Dinge scheinen fast überhaupt nichts miteinander zu tun zu haben.

Wie kann man Chloroplasten in das Auge bringen, um Trockenauge zu behandeln?

Den "überlasteten Motor" retten

In den Chloroplasten ist es eine Struktur namens "Thylakoid", die tatsächlich die Lichtenergie einfängt. Es besteht aus übereinander gestapelten gefalteten Membranen. Unter dem Elektronenmikroskop sieht das Thylakoid aus wie eine Reihe von ordentlich gestapelten Spielchips, die durch dünne "Membrbrücken" miteinander verbunden sind.

Wenn Sonnenlicht auf das Thylakoid fällt, wird eine Mikro - Fertigungslinie gestartet. Nach mehr als einem Dutzend Schritten produziert diese Linie schließlich drei Dinge: Sauerstoff, das "Energiegeld" der Zelle, ATP, und eine wichtige reduzierende Substanz - NADPH.

Dies ließ Kuo - Ran Xing einen möglichen Durchbruch erkennen. Die Ursache des Trockenauges liegt in der ständigen Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies in den Augen, die Entzündungen auslösen. Das NADPH, das von Chloroplasten während der Photosynthese produziert wird, kann vielen Enzymen in der Zelle, die reaktive Sauerstoffspezies abbauen, Unterstützung bieten.

Unter normalen Umständen produzieren unsere Zellen ständig kleine Mengen an reaktiven Sauerstoffspezies und beseitigen sie auch ständig. Daher wird NADPH ständig verbraucht, und gleichzeitig produziert die Zelle neues NADPH, um dieses System in Betrieb zu halten. Aber bei Entzündungen wie Trockenauge akkumulieren die reaktiven Sauerstoffspezies immer mehr, das Abbauprozess muss überstunden arbeiten, und NADPH wird in großen Mengen verbraucht. Um die Lücke zu schließen, muss der Stoffwechselweg zur Synthese von NADPH in der Zelle mit voller Kraft laufen. Wenn dieser Zustand über einen langen Zeitraum anhält, kann dieser Stoffwechselweg beschädigt werden. Kuo - Ran Xing beschrieb es so: "Es ist wie ein überlasteter Motor."

Daher fragte er sich: Kann man den Mechanismus, wie Chloroplasten NADPH durch Photosynthese produzieren, in das Auge bringen? Auf diese Weise kann dieses System, sobald man die Augen öffnet und Licht einfällt, ständig NADPH für die Zellen liefern, um reaktive Sauerstoffspezies abzubauen.

Das Problem ist jedoch, dass Chloroplasten nicht nur für die Produktion von NADPH zuständig sind. Die vollständige Photosynthese besteht aus zwei Schritten: Nachdem das Thylakoid seine Arbeit erledigt hat, verbraucht der Chloroplast außerhalb des Thylakoids dieses NADPH, um Kohlendioxid in Glukose umzuwandeln. Das bedeutet, dass, wenn man den gesamten Chloroplasten in das Auge bringt, möglicherweise nicht viel NADPH übrig bleibt, um Trockenauge zu behandeln.

"Wir müssen den Chloroplasten öffnen und nur die Thylakoidstruktur behalten." sagte Kuo - Ran Xing.

Zuerst, eine Spinat kaufen...

Dies ist nicht einfach. Bereits im vergangenen Jahrhundert war die Technologie zur Chloroplastenextraktion relativ gut entwickelt. Aber es ist eine ganz andere Sache, die Thylakoide intakt aus den Chloroplasten zu extrahieren und sie so klein zu machen, dass tierische Zellen sie problemlos aufnehmen können. Einige frühere Forschungsprojekte haben üblicherweise Ultraschall oder das Durchpressen der Thylakoide durch Membranen mit bestimmten Porengrößen verwendet, um die Thylakoide zu verkleinern.

Nachdem Kuo - Ran Xing diese Methoden ausprobiert hatte, stellte er fest, dass die Effizienz der Photosynthese der behandelten Thylakoide deutlich abnahm. Schließlich sind auf der Thylakoidmembran eine ganze Reihe von Proteinen für die Lichtreaktion dicht angeordnet. Sie müssen ihre genaue Position und Struktur beibehalten, um ihre Funktion ausüben zu können. Wenn die äußere Kraft zu grob ist, kann das Thylakoid beschädigt werden.

Kuo - Ran Xing hat auch mehrere komplexe Verfahren ausprobiert, aber das Ergebnis war immer unbefriedigend. Nach vielen Fehlversuchen dachte er an das "Ockhams Rasiermesser": Wenn es nicht unbedingt nötig ist, vermeide Komplikationen. Da die komplexen Methoden nicht funktionierten, beschloss er, das Gegenteil zu tun.

Schließlich fand er eine sehr einfache Methode.

Kuo - Ran Xing isolierte Chloroplasten aus Spinatsaft. Dann brachte er die Chloroplasten in eine Lösung mit niedrigem osmotischen Druck. Aufgrund des unterschiedlichen osmotischen Drucks saugen die Chloroplasten ständig Wasser auf, quellen auf, bis die Außenmembran aufplatzt und die Thylakoide freigibt.

Aber diese Thylakoide sind miteinander verbunden, und ihre Gesamtgröße erreicht mehrere tausend Nanometer, was für Säugetierzellen immer noch zu groß ist. Um die Thylakoide kleiner zu machen, fügte Kuo - Ran Xing der Lösung ein Polymer hinzu. Es kann sanft die schwächsten Verbindungen zwischen den Stapeln von Thylakoide "abschneiden" und dabei die relative Integrität der Thylakoidstruktur aufrechterhalten.

So trennten sich die ursprünglich zusammenhängenden Thylakoide allmählich und wurden zu kleinen Thylakoidstapeln, die in Nanomaterialien eingeschlossen waren und nur wenige hundert Nanometer groß waren. Kuo - Ran Xing, der sich langjährig mit Nanomedizin befasst, wusste, dass diese mikroskopischen "Solaranlagen" aus Pflanzen endlich wirklich die Möglichkeit hatten, in Säugetierzellen einzudringen.

Nach 5 Tagen Augentropfen verbessert die Photosynthese das Trockenauge

Nach den ersten Durchbrüchen kontaktierten sie Professor Juan Ye vom Augenklinikum der Zweiten Affilierten Klinik der Medizinischen Fakultät der Zhejiang-Universität, um die Ergebnisse in Tier - und sogar klinischen Modellen zu verifizieren. Das Forschungsteam verdünnte die Thylakoidpartikel mit physiologischer Kochsalzlösung und stellte daraus eine spezielle Augentropfen her, die auf die Augen von Mäusen mit Trockenauge getropft wurden. Nur eine halbe Stunde später waren diese Partikel erfolgreich in die Hornhautzellen der Mäuse eingedrungen, und mindestens 8 Stunden nach der Anwendung der Augentropfen arbeiteten die Thylakoide in den Hornhautzellen immer noch fleißig.

Die Forscher ließen die Mäuse zweimal täglich die Augentropfen verwenden. Nach 5 - tägiger Behandlung verbesserten sich die Symptome der Mäuse mit Trockenauge deutlich, und der Zustand ihrer Augen kehrte fast auf das Niveau gesunder Mäuse zurück. Sie stellten fest, dass die therapeutische Wirkung der Thylakoid - Augentropfen nicht nur mit der von Ciclosporin (einem Medikament, das derzeit in der Klinik zur Behandlung von Trockenauge eingesetzt wird) vergleichbar war, sondern in einigen Tests sogar besser war.

Nach 5 - tägiger Behandlung verbesserten sich die Symptome der Mäuse mit Trockenauge deutlich | Nano Banana 2

Nach Ansicht von Kuo - Ran Xing liegt dies vielleicht daran, dass die beiden Methoden das Problem aus verschiedenen Perspektiven angehen. Ciclosporin ist ein Immunsuppressivum, das die Entzündungssymptome durch lokale Suppression der Immunreaktion lindert, aber möglicherweise die oxidative Stresssituation in den Hornhautzellen nicht wirklich reparieren kann. "Unsere Methode löst das Problem des Trockenauges auf eine grundlegendere Weise." sagte er.

Darüber hinaus sind die Thylakoid - Augentropfen auch viel billiger als Ciclosporin. Kuo - Ran Xing erklärte, dass in Singapur die Anwendung von Ciclosporin - Augentropfen pro Monat etwa 1.000 bis 2.000 Yuan kostet. Mit 1 Yuan können sie genug Thylakoide aus Spinat extrahieren, um 50 Patienten einen Monat lang zu behandeln. Die Gesamtproduktionskosten sind also sehr niedrig.

Hinter dieser geringen Kosten verbirgt sich auch die Effizienz der Thylakoid - Augentropfen.

Als Kuo - Ran Xing das Experiment entwarf, war er zunächst besorgt, dass die Thylakoid - Augentropfen, wenn sie grün sind, nach dem Eintropfen in die Augen die Sehkraft beeinträchtigen könnten. Aber als sie die Augentropfen auf Mäusen testeten, stellten sie fest, dass die benötigte Dosis viel geringer war, als erwartet. Sie stellen die Thylakoid - Nanopartikel in eine Augentropfenlösung mit sehr niedriger Konzentration her, und mit bloßem Auge ist fast keine Grünfärbung zu erkennen.

Nach Ansicht von Kuo - Ran Xing ist die Effizienz der Thylakoid - Augentropfen darauf zurückzuführen, dass sie eher wie ein Katalysator wirken. Solange es Licht gibt, können sie in den Hornhautzellen ständig neues NADPH produzieren. Selbst wenn nur wenige Thylakoide in die Zellen eindringen, können sie ununterbrochen eine viel größere Anzahl von funktionellen Molekülen herstellen, als ihre eigene Anzahl. Natürlich ist es auch sehr wichtig, die Thylakoidstruktur intakt zu halten. Kuo - Ran Xing sagte: "Die Aktivität der Thylakoide, die wir mit unserer Methode erhalten, ist fast dieselbe wie die von unveränderten Thylakoiden, und die Photosyntheseeffizienz ist sehr hoch."

Was Kuo - Ran Xing noch mehr überraschte, war, dass die Thylakoide auch dann, wenn sie nur in der extrazellulären Umgebung verbleiben und nicht in die Hornhautzellen eindringen, die Symptome des Trockenauges effektiv lindern können. Nach eingehender Untersuchung stellte er fest, dass die Thylakoide selbst ein antioxidatives System haben.

Im Pflanzenphotosyntheseprozess müssen Chloroplasten Licht nutzen, aber gleichzeitig vor oxidativer Schädigung durch starkes Licht schützen. Daher haben Chloroplasten sich im Laufe der langen Evolution ein Schutzmechanismus entwickelt. Wenn dieser Mechanismus auf der Oberfläche der Hornhautzellen ankommt, wird er zu einer natürlichen antioxidativen Barriere.

Die Natur hat bereits "die Nutzung von Licht" und "den Schutz vor oxidativen Stress durch Licht" in einem Paket zusammengefasst. Dies