Введенные зеленые водоросли (зеленые) сидят внутри кровеносных сосудов (пурпурные), как нить жемчуга. Предоставлено: Özugur et al./iScience.
Фотосинтезирующие водоросли, введенные в кровеносные сосуды головастиков, снабжают их мозг кислородом.
Ведя двойную жизнь в воде и на суше, лягушки в течение своей жизни используют множество способов дыхания - через жабры, легкие и кожу. Теперь немецкие ученые разработали еще один метод, который позволяет головастикам «дышать», вводя водоросли в их кровоток для снабжения кислородом. Методика разработана, представлена 13 октября в журнале iScience, обеспечивала достаточно кислорода, чтобы эффективно спасать нейроны мозга головастиков, лишенных кислорода.
«Водоросли на самом деле производили столько кислорода, что они могли бы оживить нервные клетки, если хотите, - говорит старший автор Ханс Страка из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. «Для многих это звучит как научная фантастика, но, в конце концов, это просто правильное сочетание биологических схем и биологических принципов».
Страка изучал потребление кислорода мозгом головастиков африканских когтистых лягушек (Xenopus laevis), когда во время обеденного разговора с ботаником возникла идея объединить физиологию растений с нейробиологией: использовать силу фотосинтеза для снабжения нервных клеток кислородом. Идея не казалась надуманной. В природе водоросли гармонично живут в губках, кораллах и анемонах, обеспечивая их кислородом и даже питательными веществами. Почему не у позвоночных, таких как лягушки?
Когда немецкие исследователи вводят зеленые водоросли в бьющееся сердце головастика, полупрозрачные вены животного постепенно становятся зелеными. При освещении водоросли могут выделять кислород. Предоставлено: Özugur et al./iScience.
Чтобы изучить возможность, команда ввела зеленые водоросли (Хламидомонада renhardtii) или цианобактерии (Синехоцистис) в сердца головастиков. С каждым ударом сердца водоросли медленно продвигались по кровеносным сосудам и в конце концов достигли мозга, сделав полупрозрачного головастика ярко-зеленым. Яркий свет на этих головастиков побудил оба вида водорослей перекачивать кислород в соседние клетки.
После распределения водорослей по мозгу исследователи изолировали голову головастика и поместили ее в кислородную пузырьковую ванну с необходимыми питательными веществами, которые сохраняли бы функционирование клеток, что позволило команде контролировать нервную активность и уровень кислорода. Когда исследователи истощили кислород из ванны, нервы перестали работать и замолчали. Однако освещение головы головастика перезапустило нейронную активность в течение 15-20 минут, что примерно в два раза быстрее, чем наполнение ванны кислородом без водорослей. Восстановленные нервы также работали так же или даже лучше, чем до кислородного истощения, показывая, что метод исследователей был быстрым и эффективным.
«Нам удалось продемонстрировать принципиальный эксперимент с этим методом. Это было потрясающе надежным и прочным, и, на мой взгляд, прекрасным подходом », - говорит Страка. «Принцип работы на самом деле не означает, что вы можете применить его в конце, но это первый шаг к началу других исследований».
Хотя исследователи думают, что их открытия могут когда-нибудь привести к новым методам лечения состояний, вызванных инсультом или недостатком кислорода, например, под водой и на большой высоте, водоросли еще далеко не готовы к проникновению в нашу кровообращение. Следующий шаг команды - посмотреть, смогут ли введенные водоросли выжить внутри живых головастиков и продолжить производство кислорода, не вызывая иммунного ответа, который наносит ущерб животным.
Страка также предвидит, что его исследования принесут пользу другим лабораториям, работающим с изолированными тканями или органоидами. Внедрение производящих кислород водорослей может помочь этим тканям развиваться и повысить их выживаемость, потенциально уменьшая потребность в живых животных для экспериментов.
«У вас должны быть новые идеи и новые концепции, которые нужно исследовать; это один из способов, которыми движется наука », - говорит Страка. «Если вы непредубеждены и обдумаете это внезапно, вы сможете увидеть все возможности одной идеи».
Источник: «Зеленые кислородные электростанции в деятельности нейронов, спасающих мозг» Сюзан Озугур, Майра Н. Чавес, Розарио Санчес-Гонсалес, Ларс Кунц, Йорг Никельсен и Ханс Страка, 13 октября 2021 г., iScience.
DOI: 10.1016 / j.isci.2021.103158
Эта работа была поддержана Немецким научным фондом, Федеральным министерством образования и исследований Германии и Мюнхенским центром нейробиологии.
