浙大重磅研究登Nature：人類也能「光合作用」，讓老化細胞回老還童

你有沒有想過，人的細胞也能像植物一樣光合作用？

 從菠菜中提取「生物電池」類囊體，讓動物細胞也透過光合作用獲取能量，進而返老還童，逆轉細胞的衰老退化。

這不是天方夜譚，而是浙大團隊的最新研究成果。

近日，浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院骨科林賢豐醫師、範順武教授團隊與浙江大學化學系唐睿康教授團隊成功從菠菜中提取了「具有光合作用的生物電池——類囊體」。

透過將動物細胞膜包裹於奈米化類囊體外層做偽裝，他們首次實現了植物的類囊體跨物種遞送到動物體衰老病變的細胞內，讓動物細胞也能擁有植物光合作用的能量。

林賢豐（左）和陳鵬飛（右）在實驗交流中（圖源：浙江大學）

##北京時間12月8日，這項原創性科研成果被國際頂尖期刊《自然》（Nature）雜誌以長文（Article）形式刊登。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y

值得一提的是，本次研究團隊中年紀最大的只有34歲，最小的26歲，可謂相當年輕有為。

《自然》雜誌資深編輯與審稿人對浙大科研團隊的最新研究成果也給予了高度評價，稱其為：

遵循自然法則、創新突破向細胞輸送能量的世界難題、開闢了代謝工程的可能性。

接下來看看這項研究是如何化腐朽為神奇的。

如何為動物細胞充電

細胞內合成代謝不足是導致體內許多病理過程的關鍵因素，而細胞內物質的合成代謝需要消耗足夠的細胞內能並產生還原當量。

ATP充當細胞生物過程的「能量貨幣」，還原形式的NADPH是關鍵的電子供體，可為合成代謝提供還原能力。

但在病理條件下，很難糾正受損細胞的合成代謝並將不足的ATP和NADPH水平提高到最佳濃度。

因此，要給動物細胞「充電」，第一步是找到電池。

於是，林賢豐提出了一個設想「我們能否設計一個「充電」裝置，在細胞內可控地產生ATP和NADPH？ 」

###############圖為本研究作用機制（圖源：浙江大學）############ ###而這時唐睿康團隊的化學生物學研究思路及人工細胞器概念為研究打開了新方向，他們也將目光轉向了自然界。 ############自然界中，植物和動物形成了完美的互補關係，植物透過吸收二氧化碳產生氧氣和糖，而動物則恰恰相反。 ############於是他們思考：#######

是否能將這種宏觀的互補關係延伸至細胞層面，透過植入光合細胞器讓植物的能量供應系統成為動物細胞補給能量的「生物電池」？

最終，研究團隊選擇將葉綠體中的能量供應細胞器類囊體作為「生物電池」的原料，透過菠菜萃取物的純化來獲取類囊體。

葉綠體中的類囊體膜是光合作用中光反應階段的場所（圖源：浙江大學）

根據澎湃新聞報道，範順武調侃說：

大家都看過卡通《大力水手》，一吃菠菜就變得力氣很大，而且菠菜也是菜市場中最綠的菜，我們就選了菠菜。

現在補給能量的電池有了，細胞充電的介面在哪裡？還有如何將類囊體安全、精準地遞送到動物的衰老退化細胞內，是研究的第二道難題。

林賢豐解釋說，人體擁有一套複雜的免疫系統，以巨噬細胞為主的各類免疫細胞會對異物進行主動識別和吞噬清除，進而再通過溶酵素體降解消化異物，

「要想把植物材料遞送到動物細胞內，需要瞞天過海」。

團隊成員陳鵬飛起初嘗試了脂質體包載等多種遞送方法，但效果不理想。

直到有一天，他想到是否可以用受體細胞本身的細胞膜做載體？

利用同源靶向作用原理，讓細胞以為我們所遞送的類囊體是「自己人」，從而避免體內的免疫排斥，實現細胞跨界移植奈米植物類囊體。

經過不斷摸索探究，團隊成功地用細胞膜偽裝了奈米類囊體瞞天過海，實現了奈米類囊體的胞內遞送。

研究團隊成員、浙大邵逸夫醫院生物醫學研究中心特聘研究員劉欣表示：

外源生物材料從溶小體逃離是實現成功遞送的重要環節，我們透過多種胞吞抑制試驗反覆驗證了動物細胞不再將奈米類囊體作為'異物'進行清除，而是成為它的一部分。

為了恢復軟骨細胞的功能，研究團隊採用了新興的細胞膜奈米塗層技術：

即利用小鼠的軟骨細胞膜封裝奈米化的類囊體，並注射到軟骨受損的部位。

此時的類囊體仍處於「沉睡狀態」，而「喚醒類囊體」的方式自然就是光照刺激。

#光照刺激軟骨細胞示意圖（圖源：浙江大學）

外部一束光透過小鼠的皮膚到達軟骨細胞內部，這時類囊體開始運作、產生ATP和NADPH。

光照刺激使得軟骨細胞內的ATP和NADPH水準顯著提升，老化細胞的合成代謝也得到恢復。

更重要的是，老鼠的關節健康狀況明顯改善。

根據關節健康程度通用的評估方法，評分為5的小鼠透過治療，可以回到1.5分的狀態（分數越高，關節炎程度越嚴重），軟骨細胞的狀態也相當於從人類的60歲回到20歲。

研究结果表明，CM-NTU治疗结合光照射显着减轻了术后8周和12周的软骨破坏（通过番红-O染色评估）（图5b），国际骨关节炎研究协会 (OARSI) 的评分进一步证实了这一结果。

与ACLT对照组相比，接受ACLT并用CM-NTU和光处理的小鼠的评分显著降低（术后8周和12周分别为1.45和1.81）。

已提交发明专利，有望多领域应用

据澎湃新闻报道，经过一年多实验和分析，研究团队已经验证纳米类囊体进入动物细胞后仍可以保留类囊体上光合作用所需的蛋白和其他功能单体。

即在体内保持足够的作用时间和降解稳定性，并保证足量的ATP和NADPH的产生，从而系统性地逆转病变细胞代谢状态。

林贤丰表示：

我们先在骨关节炎治疗上寻找突破，骨关节炎是目前临床上致畸致残的最主要原因之一，正是由于软骨细胞的能量代谢失衡，ATP、NADPH耗竭而导致关节软骨破坏。

范顺武接受采访表示，团队已经同步递交了发明专利并着手进行产品转化。

因为关键原材料源于天然植物，安全性很高，细胞膜纳米涂层技术具备规模化生产潜力，我相信在不久的将来，这一技术有望在多领域实现应用。

论文评审专家Francisco Cejudo教授认为：

这项工作的杰出之处在于研究团队成功地将植物微型细胞器种间移植到了哺乳动物细胞。

利用植物光合作用系统以依赖光能的方式在哺乳动物细胞中特异性供应 ATP 和 NADPH 的这一技术，是一项令人兴奋的成就，它开辟了代谢工程的可能性。

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