動物能行光合作用嗎？
這個問題，早在十年前我就寫過一篇文章，介紹兩種可以「借光過日子」的動物：
- 一種是斑點鈍口螈（Ambystoma maculatum），牠的胚胎會與綠藻 Oophila amblystomatis 共生，看起來像一顆顆綠水晶；
- 另一種是綠葉海天牛（Elysia chlorotica），它能夠把藻類的葉綠體「吃」進細胞裡，並維持這些葉綠體存活數月，甚至可能還把關鍵基因偷了過來。
我們先來回顧一下自然界的「光合動物」們吧！
螢光水晶球──斑點鈍口螈的胚胎
螈卵能與綠藻共生，胚胎吸收氧、釋放二氧化碳。而動物細胞呼出與排出的「垃圾」們，正好成為藻類光合作用的「肥料」。但這種共生關係只限於胚胎期，成體並不與綠藻共生。
把陽光當食物──綠葉海天牛的kleptoplasty
綠葉海天牛則更進一步：在牠吃下藻類後，會把葉綠體保留下來，直接塞進自己的消化道細胞中，這些葉綠體可以在體內持續進行光合作用數週到數月。
更驚人的是：研究團隊還發現，藻類負責卡爾文循環最後一個反應的prk基因竟然出現在海天牛的染色體上！這可是「基因平行轉移」（horizontal gene transfer）的實例，意味著牠不只是偷葉綠體，連「使用手冊」也偷來了。
從那時候開始，我就常常在想：會不會有一天，我們真的能把葉綠體塞進自己的細胞裡？到那個時候，會不會只要曬曬太陽就飽了？
到了2024年（快10年啦！），我們終於迎來了一個突破：人類首次成功製作「光合哺乳動物細胞」！
由東京大學生物學家松永幸大（Sachihiro Matsunaga）領導的團隊，使用了從極端紅藻 Cyanidioschyzon merolae 中分離出完整葉綠體，將它與哺乳類細胞一同培養，成功地讓葉綠體進入了哺乳細胞！
為什麼要用這種紅藻呢？雖然這種紅藻喜歡42°C、pH 2.3的熱酸泉，算是一種極限生物；不過他們使用這種紅藻的理由並不是因為他們需要極限生物來加入團隊，而是因為它的葉綠體小、結構單純，比較容易完整分離；而且它的葉綠體比一般紅藻的葉綠體含有的基因更多（ 243個基因），這可能會讓它具備較好的自給自足能力，讓它在進入哺乳動物細胞後，能撐得久一點。
接著，就要讓葉綠體進入哺乳動物細胞了。但是要怎麼讓葉綠體進去呢？不能用電的，化學法也不可行，因為那樣葉綠體就完蛋了。這個部分是最困難的，畢竟沒有人知道綠葉海天牛到底是怎麼把葉綠體給「塞」進自己的細胞裡的！
於是，研究團隊試著用了一個非常簡單的方法：他們將C. merolae的葉綠體與倉鼠卵巢細胞（CHO-K1）以100：1的比例進行兩天的共培養。
這樣做的目的，是要讓倉鼠卵巢細胞自己把葉綠體「吞」下去，畢竟要讓完整的葉綠體進入細胞，大概也只有這個辦法了。
結果他們發現：共培養兩天後，大約有 20% 的倉鼠細胞會自發吞下 1–3 顆葉綠體；有少部分細胞甚至吞了 45 顆（收藏癖嗎？）！
吞是吞下去了，但是這些葉綠體有功能嗎？為了要確定這些葉綠體還活著而且有功能，研究團隊利用成像型PAM顯微儀測量光系統的有效量子產率（ϕII）。
他們發現，這些葉綠體至少活了兩天。在這兩天，葉綠體具有與體外分離狀態相近的光合作用活性。到第四天，光合作用急遽下降，類囊體結構發生解離，光合作用結束～RIP。
在這幾天裡，研究團隊觀察到幾個有趣的現象：
葉綠體經常聚集在細胞核周圍，類似於它們植物中的配置；
粒線體會留在葉綠體的附近，但是並不清楚它們跟葉綠體之間有沒有發生什麼物質交換。
所以，我們真的快要能靠光活著了嗎？曬曬太陽就不餓的日子快到了嗎？
別太快樂觀。這項突破非常了不起，但是，這些葉綠體並沒有真的進入細胞質自由活動，而是被包裹在囊泡內。在這樣的狀況下，能量與代謝產物的進出都極為困難。
再者，哺乳動物細胞缺乏支援葉綠體運作所需的蛋白質與基因調控網絡。事實上，即使是有自備使用手冊的綠葉海天牛，葉綠體也只能夠在牠的身體裡活到九十天。而且，在2021年的研究也發現另一種海天牛「多葉鰓海麒麟（Plakobranchus ocellatus）」的基因體內，沒有任何葉綠體相關的基因！但是牠們的確可以讓葉綠體存活在體內，且這些葉綠體也都有發揮功能。
最後，研究團隊的觀察發現，這些葉綠體透過進行光合作用能貢獻的ATP的量太少（最多只能供應哺乳動物細胞所需的0.1%），完全不足以改變細胞代謝，更別說讓整個生物「靠光活著」。
但這還是個大突破！
這項研究證明：動物細胞可以暫時維持外來葉綠體的活性與功能，這代表從「kleptoplasty」到「共生」的距離，或許可以用工程來填補。
搭配海天牛所展示的自然機制（像是prk基因轉移），也許未來我們可以設計：
- 光合組織工程細胞，用於缺氧傷口或人工皮膚；
- 光合作用的微型裝置植入腦中，為神經細胞供能；
- 甚至，在遙遠未來，靠植入葉綠體基因模組的人類，能在火星曬太陽補充能量……
但是，既然在2014年的研究，已經看到prk基因的重要性，為什麼這次不先放藻類的基因進去呢？
因為他們這次並不是要「改造哺乳動物變成植物」，而是要先測試外來葉綠體能不能在哺乳動物細胞中短暫存活。他們想看看，在不做任何基因改造的狀況下，單靠共培養與自然吞噬，葉綠體是否能在哺乳類細胞中維持活性？
因此，他們刻意不進行任何基因轉殖處理，就是要看看自然葉綠體在非共生宿主內最基本的生理極限。（不看使用手冊就先自己組裝XD）
結果他們發現，即便沒有 prk 或其他基因支援，葉綠體還是可以存活 2 天，並保有光合作用活性（ϕII），這是過去從未達成的。
如果先放了 prk基因進去哺乳細胞，然後再放葉綠體，那麼就無法知道葉綠體的存活究竟是因為 prk 發揮作用？還是因為囊泡條件剛好合適？如果葉綠體一下子就死了，也無法釐清到底是哪個步驟失敗...是因為prk基因攪局？還是倉鼠細胞不合適？
因此，他們決定先測試最低共生條件，如果成功，就可以再逐步添加輔助基因。
事實上，日本的研究團隊在論文討論中已經提到：
「未來若能將必要基因（如與葉綠體蛋白維持、能量交換相關）導入哺乳細胞核，並成功表現並送入葉綠體，則有機會延長其活性時間並整合代謝。」
參考文獻：
Aoki et al. (2024). Incorporation of photosynthetically active algal chloroplasts in cultured mammalian cells towards photosynthesis in animals. Proc. Jpn. Acad., Ser. B, 100(9): 524–536. doi: 10.2183/pjab.100.035
Schwartz et al. (2014). FISH Labeling Reveals a Horizontally Transferred Algal (Vaucheria litorea) Nuclear Gene on a Sea Slug Chromosome. The Biological Bulletin, 227(3): 300–312.
Kerney et al. (2011). Intracellular invasion of green algae in a salamander host. PNAS, 108(16): 6497–6502.
Taro Maeda, Shunichi Takahashi, Takao Yoshida, Shigeru Shimamura, Yoshihiro Takaki, Yukiko Nagai, Atsushi Toyoda, Yutaka Suzuki, Asuka Arimoto, Hisaki Ishii, Nori Satoh, Tomoaki Nishiyama, Mitsuyasu Hasebe, Tadashi Maruyama, Jun Minagawa, Junichi Obokata, Shuji Shigenobu. Chloroplast acquisition without the gene transfer in kleptoplastic sea slugs, Plakobranchus ocellatus. eLife, 2021; 10 DOI: 10.7554/eLife.60176
如果你對這些「偷光而活」的生物有興趣，也可以參考我之前寫過的：或許有一天我們真可以自己進行光合作用！（2015 原文）
老葉亂亂想：假如人類真的能靠光合作用活下去，世界會走向大同嗎？
一開始，你可能會以為「會」——因為當我們每個人都可以自己產生能量，是不是就不再需要種田、養豬、運送、冷鏈，那麼是不是就不需要超市、也沒有價格戰了？
更棒的是，我們也不再需要搶奪資源，能源戰爭（如石油）理論上也會終結？不需要畜牧業、沒有糧食危機，碳排放大量減少。
會不會就真的世界大同了？
但仔細想想，真實世界可能不是這麼簡單！因為：
首先，陽光會馬上變成不平等資源！高緯度的地方如北歐，一年只有1200個小時的日照；我們在台灣，一年大約可以有2200個小時的日照；到了靠近赤道的地區，一年可以有接近4000個小時的日照！
如此一來，會不會引發新型態的「陽光移民潮」？這樣會不會出現更多的反移民示威？會不會有更多的極右派領袖出現？更多的「長城」？
其次，既然還是要透過生物工程才能進行光合作用，會不會讓光合作用成為有錢人的「專利」？會不會從此有錢人不用再工作就能養活自己，但是窮人還是得餓著肚子種田或打工供能？
這麼一來，不平等並沒有消失，只是換了一個形式。
再者，如此一來，「光照時間」會不會變成新的控制工具？
「你只有政府核准的 4 小時日照額度。」
「反政府分子坐『黑』牢：沒有光照、只給一點點食物，讓你餓個半死！」
這些情境其實並不比現在的食物政治輕鬆，反而可能更糟，因為牽涉到生理監控、基因編輯與對個體能量來源的全面管控。
所以，會比較和平嗎？不會。
簡單說，如果社會沒有改變對資源與控制的渴望，即使陽光是免費的，我們也可能會為了誰能曬到更多太陽而打仗。除非我們願意把科技變成公共財，公平分配光合作用的權利，那才可能讓世界更和平。
簡而言之：能不能光合作用不是問題，能不能好好的一起曬太陽，才是關鍵問題。
