Günümüz bilim dünyası, yenilikçi enerji üretim yöntemleri geliştirme konusunda büyük bir atılım yapıyor. Araştırmacılar, enerji üretiminin sınırlarını zorlayan yeni yaklaşımlar üzerinde çalışırken, biyoenerji alanında önemli bir dönüm noktasına ulaştıklarını duyurdu. Daha önce mümkün olmadığı düşünülen bir enerji üretim tekniğini başarıyla uygulamayı başardılar. Bu gelişme, biyolojik sistemlerin enerji üretimindeki potansiyelini ortaya koyarak gelecekteki enerji teknolojilerine ilham verme kapasitesine sahip.
Fotosentez, yalnızca Dünya’nın çevresel koşullarını değil, aynı zamanda canlıların evrimini şekillendiren temel bir metabolik süreçtir. Fotosentetik organel olan kloroplast, siyanobakterilere benzeyen bakterilerin yaklaşık 1,2-1,6 milyar yıl önce ev sahibi hücreler ile simbiyotik ilişkiler kurması sonucu ortaya çıkmıştır.
80 yıl önce bitkilerden izole edilen kloroplastların in-vitro ortamda fotosentetik aktivite yaptığı gözlemlenmiştir. Fakat izole kloroplastın bu aktivitesini nasıl koruyacağı halen bir sır konusudur. Konak hücrelerin, kloroplastları veya algleri alıp bunları yaşatabilmesinin mekanizmaları tam olarak bilinmese de fotosentez yapma yeteneğinin bu konak hücrelerin sistemlerine aktarılabildiğine dair bulgular vardır.
Fotosentezin yoğun olduğu bu canlılarda kloroplast miktarı da bir o kadar yoğun miktarda bulunmaktadır. Kloroplast, günümüzde sentetik biyoloji ile fotosentez uygulamalarında iki farklı şekilde kullanılabilmektedir:
- Aşağıdan yukarı yaklaşım: Moleküler düzeyde yapay kloroplast oluşturmayı hedefler.
- Yukarıdan aşağı yaklaşım: Doğal kloroplastların işlevleri optimize edilerek farklı hücrelerde kullanılmasını sağlar.
Yapılan bu çalışmada, ekstrem koşullara uyumlu genetik yapısı ve düşük sıcaklıklarda dahi aktif kalabilme özellikleri nedeni ile ilkel bir kırmızı alg olan cyanidioschyzon merolae (schyzon) kloroplastları izole edilmiştir. Alg kloroplastları genel olarak 100 gen içerirken scyhzon mikroalginin kloroplast genomu 243 gen içerir. Bu durum schyzon kloroplastının hayvan hücresinde uzun süre tutunabileceği düşüncesini ortaya atmıştır. Schyzon hücreleri, 37°C’nin altındaki sıcaklıklarda genellikle inaktif hale gelen diğer birçok alg hücresinin aksine, bu sıcaklıkta aktif kalmaya devam eder. Bu özellikleri sayesinde sentetik biyoloji araştırmaları için değerli bir model haline gelir. Ayrıca kara bitkilerinde bulunan grana yığınları da bulunmaktadır.
Schyzon mikroalgden kloroplastlar izole edilmek için hipotonik çözelti ile muamele edildi. Ardından mısır nişastası çözeltisi içinde süspanse edildikten sonra gradyanlı santrifüj yöntemiyle homojenleştirildi. İzole edilen kloroplastlar yaklaşık 2 μm çapında küresel yapılar göstermiştir. Fotosistem II (PSII) nin fotokimyasal verimliliği (Fv/Fm) ölçülmüş ve izole edilmeden önceki değeri ile karşılaştırılmıştır. Sonuca göre fotokimyasal verimlilik izole kloroplastta 0,32 iken tam hücrede 0,39’dur. İzole kloroplastlar +4°C’de uzun süre bozulmadan saklanmıştır. Konakçı olarak ise Çin hamsteri yumurtalık (CHO-K1) hücre hattı seçilmiştir. Bu hücre hattı seçilme sebebi hassas yapılara sahip olmasından dolayı kloroplastların stabilitesinin test edilebilmesi için uygun olmasıdır.1
İzole kloroplastların bir memeli hücresinde fotosentetik olarak aktif olup olmadığını araştırmak ve CHO-K1 hücrelerinin izole kloroplastları içerebilmesi için iki gün boyunca aynı ortamda yetiştirildi. Büyüme oranlarını karşılaştırabilmek için CHO-K1’den kontrol grubu da oluşturulmuştur. İki gün sonunda ise kloroplastlara sahip suşun, kontrol suşuna oranla büyümesinin fazla olduğu gözlemlenmiştir. Konfokal mikroskopi görüntüleri sonucu CHO-K1 hücrelerinin %20’si 1-3 kloroplast içeriyordu. Sıfırıncı gün ekimi yapılan CHO-K1 hücrelerinde 7-45 kloroplast bulunurken ikinci günden sonra bu sayı oldukça düşmüştür. Bu durum kloroplastın hücre içerisinde sindirilmesi ya da hücre bölünmeleri sırasında kloroplastların rastgele dağılımından kaynaklıdır. Kloroplastlar hücre içerisindeyken etrafını mitokondrilerin sardığını, fakat kloroplastların çekirdek ile etkileşim sağlamak yerine kloroplast DNA’larının diğer kloroplastların merkezinde olduğu tespit edilmiştir. Kloroplastların daha net görüntüsünün alınabilmesi için özel boyalar ile süper çözünürlüklü mikroskopi analizi yapılmıştır.2
Bu çalışmada, alglerden izole edilen bozulmamış kloroplastlar memeli hücrelerine dahil edildi ve elektron taşıma sisteminin (ETS) en az iki gün boyunca aktif kaldığını ortaya çıkarıldı. Kloroplastın in-vitro (hücre dışı) ortamda işlev gösterdiği çalışmalar daha önce yapılmıştır. Bu çalışma, fotosentetik terapi üzerine yapılan ilk araştırma olup dokular ve organlarda fotosentez indüksiyonu yoluyla hastalıkların tedavi edilebileceğini göstermektedir. Bu yaklaşım, osteoartrit gibi dejeneratif hastalıkların tedavisinde ve doku mühendisliği alanında yeni bir sayfa açmıştır. Araştırmacılar, kloroplast içeren hayvan hücreleri üzerinde yaptıkları çalışmalar sonucunda, bu hücrelerin büyüme hızının arttığını gözlemledi. Bu bulgu, kloroplastların konakçı hücrelere karbon kaynağı olarak enerji sağladığını düşündürüyor. Gelecekteki araştırmaların, konakçı hücre ile kloroplastlar arasındaki madde alışverişini, bu süreçte rol oynayan mekanizmaları ve üretilen ek maddelerin neler olduğunu daha ayrıntılı bir şekilde incelemesi gerektiği önerilmektedir.2
Kaynaklar
- Aoki, R., Inui, Y., Okabe, Y., Sato, M., Takeda-Kamiya, N., Toyooka, K., … & Matsunaga, S. (2024). Incorporation of photosynthetically active algal chloroplasts in cultured mammalian cells towards photosynthesis in animals. Proceedings of the Japan Academy, Series B, 100(9), 524-536.
- https://phys.org/news/2024-10-solar-powered-animal-cells-combining.html