Ученые используют фотосинтез для питания мозга животных

В отличие от растений, животные не могут осуществлять фотосинтез для получения собственного кислорода, однако наш мозг полагается на кислород для получения огромного количества энергии, необходимой для функционирования.
В исследовании, опубликованном в iScience, ученые нашли способ использовать фотосинтез для снабжения нейронов кислородом: они ввели цианобактерии(сине-зеленые водоросли) головастикам Xenopus laevis и лишили животных кислорода, в результате чего активность мозга прекратилась. Подвергая животных воздействию света, который позволял микробам производить кислород из CO₂, они восстанавливали нейронную активность.

"Авторы используют элегантный и легко воспроизводимый экспериментальный подход для изучения эффектов активации фотосинтезирующих организмов как способа прямого повышения уровня кислорода в мозге", - пишет в электронном письме The Scientist Диана Мартинес, невролог из Университета Роуэна(Нью-Джерси), которая не принимала участия в исследовании.
Она добавляет, что эта работа является доказательством принципа и "важным первым шагом в использовании природных ресурсов для борьбы с патологическими нарушениями", при которых кислород в мозге истощается, такими как сердечный приступ и инсульт.

Невролог Ханс Страка из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана(LMU) и его группа интересуются потреблением кислорода в мозге и используют хорошо зарекомендовавшую себя методику, при которой головастику удаляют голову и сохраняют его живым и функциональным в течение нескольких дней в жидкой среде, которая поставляет кислород и питательные вещества.
За обедом Страка и ботаник из LMU Йорг Никельсен заговорили о том, как они могли бы работать вместе над проектом. Их решение: изучить, возможно ли, чтобы фотосинтезирующие микроорганизмы снабжали мозг кислородом.

Тогдашний аспирант Никельсена Майра Чавес Росас, которая сейчас работает в Бернском университете(Швейцария), выращивала зеленые водоросли(Chlamydomonas reinhardtii) и цианобактерии(Synechocystis sp. PCC6803), которые при освещении выделяют кислород. А аспирантка Сюзан Озугур, которая уже окончила лабораторию Страки, ввела суспензию цианобактерий в сердца головастиков сразу после того, как у них появились передние конечности. Их сердца перекачивали микробы по сосудам животных, в том числе в сосудистую сеть мозга.

Команда обнаружила, что при освещении концентрация кислорода в желудочках мозга животных, которым делали инъекции, повышалась. У животных, не получавших лечения, или у тех, кто получал штаммы водорослей или цианобактерий, мутировавших так, что они не вырабатывали кислород, концентрация кислорода не увеличивалась.
Когда исследователи удалили кислород из воды, в которой плавали животные, активность нейронов, измеренная с помощью электрических записей основных нервов, прекратилась. Но они смогли возобновить активность в мозге, посветив светом на животных, получивших инъекции микроорганизмов. Когда они выключили свет, активность нейронов снова прекратилась.

Хотя эксперимент был успешным, Мартинес отмечает, что неясно, можно ли использовать полученные результаты для лечения заболеваний, при которых мозг испытывает кислородное голодание. "Первая проблема заключается в том, что головастики Xenopus laevis прозрачны, и свет легко проходит через кожу, чтобы активировать фотосинтетические механизмы для производства кислорода. Использование на более сложных животных будет затруднено, поскольку свет не так легко проходит через кожу и может не достичь сосудистой системы для активации фотосинтетических организмов", - пишет она.
Кроме того, хотя недостаток кислорода может быть проблемой, избыток кислорода также может усугубить травмы мозга. "Таким образом, неспособность правильно контролировать уровень кислорода с помощью этих фотосинтетических организмов будет столь же вредна, как и сама гипоксия". Она добавляет, что если сначала опробовать этот метод на органоидах и срезах мозга, то можно получить более полное представление о его физиологических эффектах.

Страка признает, что исследование все еще находится на ранней стадии и что до внедрения стратегии в клинику "еще очень далеко". В ближайшей перспективе его команда сосредоточится на нескольких вопросах, включая иммунологические последствия введения фотосинтезирующих микроорганизмов, а также на том, могут ли сахара, производимые микробами, использоваться мозгом головастиков.

"За последнее десятилетие появилось довольно много проектов, в которых люди пытались создать искусственные симбиотические ассоциации с водорослями, чтобы каким-то образом дополнить или манипулировать физиологией позвоночных, что действительно радикально", - говорит Райан Керни, биолог, изучающий симбиозы между водорослями и саламандрами в Геттисбургском колледже (Пенсильвания), который не принимал участия в новой работе.

"Подходы, при которых микробы искусственно внедряются в клетки или ткани для изменения их функций, в значительной степени не регулируются и недостаточно изучены по сравнению с широко используемыми методами генетической модификации, такими как CRISPR, которые направлены на один ген", добавляет Керни. Неизвестность, а также примеры патогенных водорослей делают эту стратегию немного рискованной, отмечает он. "Но потенциальные последствия также просто захватывают воображение: Можем ли мы отказаться от дыхания как способа поддержания работы мозга?".