Vor mehr als einer Milliarde Jahren verschlang eine hungrige Zelle eine winzige blaugrüne Alge. Doch anstatt dass die Zelle die Alge einfach verdaut, hat das Duo eine bemerkenswerte evolutionäre Vereinbarung getroffen. Jetzt versuchen Wissenschaftler, dieses Wunder im Labor nachzubauen.

In einem kürzlich in den Proceedings of the Japan Academy, Series B veröffentlichten Experiment verpflanzten Forschende die fotosynthetisch aktiven Nachkommen der Alge, Pflanzenorganellen namens Chloroplasten, in Hamsterzellen, wo sie Licht in Energie umwandelten und mindestens zwei Tage lang aktiv blieben.

Im Jahr 2021 berichtete der Biologe Sachihiro Matsunaga von der Universität Tokio, dass ein Art der Sacoglossus-Meeresschnecken, Elysia chlorotica, Chloroplasten aus Algen, die sie fressen, »stehlen« können, um den Energiebedarf der Schnecken wochenlang zu decken. Sein Team wollte diesen Mechanismus in anderen tierischen Zellen nachahmen.

Wissenschaftler hatten zuvor versucht, Chloroplasten von Pflanzen in Pilzzellen zu übertragen, aber die Aufräumtruppe der Zellen zerstörte die fremden Organellen innerhalb weniger Stunden. Für ihren Versuch erntete Matsunagas Gruppe besonders widerstandsfähige Chloroplasten von einer Rotalge, die in sauren vulkanischen heißen Quellen gedeiht, und brachte sie in im Labor gezüchteten Hamster-Eierstockzellen unter.

Das Team isolierte die Chloroplasten mit Hilfe einer Zentrifuge und sanftem Rühren aus den Algenzellen. Anstatt dann die Membranen der Wirtszellen zu durchstechen, wie es in früheren Arbeiten der Fall war, passten die Forscher die Zusammensetzung des Nährmediums so an, dass die tierischen Zellen die Chloroplasten wie Amöben verschlangen, so Matsunaga, »und sie für Nährstoffe hielten«.

Die transplantierten Chloroplasten behielten ihre Struktur bei und zeigten zwei Tage lang einen erfolgreichen Elektronentransport, ein entscheidender Schritt bei der Verarbeitung von Licht, bevor sie sich verschlechterten. Frühere Versuche, einen Chloroplasten in eine fremde Zelle zu transplantieren, hatten nur wenige Stunden lang funktioniert. »Ich war beeindruckt, dass sie in der Lage waren, so lange durchzuhalten«, sagt der Zellbiologe Jef D. Boeke von der NYU Grossman School of Medicine.

Es bleiben Herausforderungen: Chloroplasten brauchen eine ständige Versorgung mit Proteinen aus der Zelle. »Tierische Zellen verfügen jedoch nicht über die notwendigen Gene, um diese Proteine herzustellen und zu transportieren, so dass die Chloroplasten ohne sie schnell zusammenbrechen würden«, sagt Werner Kühlbrandt, Strukturbiologe am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt. Wie Boeke war auch er nicht an der neuen Studie beteiligt. Als Nächstes will Matsunagas Team versuchen, Gene, die die Photosynthese aufrechterhalten, in tierische Zellen einzuschleusen, um sie mit den transplantierten Chloroplasten verträglicher zu machen.

Diese Art von Transplantaten könnte Wissenschaftlern eines Tages dabei helfen, lebende Materialien zu entwickeln, sagt Boeke, z. B. fotosynthetisch aktive Pilze oder Bakterien, die auf Dächern eingesetzt werden könnten, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufzusaugen, oder Labororganoide, die dank des zusätzlichen Sauerstoffs der Chloroplasten schneller wachsen können. Solarbetriebene Menschen bleiben natürlich reine Fantasie, sagt Matsunaga: »Sie bräuchten eine Fläche von der Größe eines Tennisplatzes, die mit Chloroplasten bedeckt ist.«