浙大重磅研究登Nature：人类也能“光合作用”，让衰老细胞返老还童

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来源：新智元

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  新智元报道  

编辑：Joey

你有没有想过，人的细胞也能像植物一样光合作用？

从菠菜中提取「生物电池」类囊体，让动物细胞也通过光合作用获取能量，从而返老还童，逆转细胞的衰老退变。

这不是天方夜谭，而是浙大团队的最新研究成果。

近日，浙江大学医学院附属邵逸夫医院骨科林贤丰医师、范顺武教授团队与浙江大学化学系唐睿康教授团队成功从菠菜中提取了「具有光合作用的生物电池——类囊体」。

通过将动物细胞膜包裹于纳米化类囊体外层做伪装，他们首次实现了植物的类囊体跨物种递送到动物体衰老病变的细胞内，让动物细胞也能拥有植物光合作用的能量。

林贤丰（左）和陈鹏飞（右）在实验交流中（图源：浙江大学）

北京时间12月8日，这项原创性科研成果被国际顶级期刊《自然》（Nature）杂志以长文（Article）形式刊登。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y

值得一提的是，本次研究团队中年龄最大的只有34岁，最小的26岁，可谓相当年轻有为。

《自然》杂志资深编辑和审稿人对浙大科研团队的最新研究成果也给予了高度评价，称其为：

遵循自然规律、创新性突破向细胞输送能量的世界难题、开辟了代谢工程的可能性。

接下来看看这项研究是如何化腐朽为神奇的。

细胞内合成代谢不足是导致体内许多病理过程的关键因素，而细胞内物质的合成代谢需要消耗足够的细胞内能量并产生还原当量。

ATP充当细胞生物过程的「能量货币」，还原形式的NADPH是关键的电子供体，可为合成代谢提供还原能力。

但在病理条件下，很难纠正受损细胞的合成代谢并将不足的ATP和NADPH水平提高到最佳浓度。

因此，要给动物细胞「充电」，第一步是找到电池。

于是，林贤丰提出了一个设想「我们能否设计一个「充电」装置，在细胞内可控地产生ATP和NADPH？」

图为本研究作用机制（图源：浙江大学）

而这时唐睿康团队的化学生物学研究思路及人工细胞器概念为研究打开了新方向，他们也将目光转向了自然界。

自然界中，植物和动物形成了完美的互补关系，植物通过吸收二氧化碳产生氧气和糖，而动物恰恰相反。

于是他们思考：

是否能将这种宏观的互补关系延伸至细胞层面，通过植入光合细胞器让植物的能量供应系统成为动物细胞补给能量的「生物电池」？

最终，研究团队选择将叶绿体中的能量供应细胞器类囊体作为「生物电池」的原材料，通过对菠菜提取物的纯化获取类囊体。

叶绿体中的类囊体膜是光合作用中光反应阶段的场所（图源：浙江大学）

根据澎湃新闻报道，范顺武调侃说：

大家都看过动画片《大力水手》，一吃菠菜就变得力气很大，而且菠菜也是菜市场中最绿的菜，我们就选了菠菜。

现在补给能量的电池有了，细胞充电的接口在哪？还有如何将类囊体安全、精准地递送到动物的衰老退变细胞内，是该研究的第二道难题。

林贤丰解释说，人体拥有一套复杂的免疫系统，以巨噬细胞为主的各类免疫细胞会对异物进行主动识别和吞噬清除，进而再通过溶酶体降解消化异物，

「要想把植物材料递送到动物细胞内，需要瞒天过海」。

团队成员陈鹏飞起初尝试了脂质体包载等多种递送方法，但效果不理想。

直到有一天，他想到是否可以用受体细胞自身的细胞膜做载体？

利用同源靶向作用原理，让细胞以为我们所递送的类囊体是「自己人」，从而避免体内的免疫排斥，实现细胞跨界移植纳米植物类囊体。

经过不断摸索探究，团队成功用细胞膜伪装了纳米类囊体瞒天过海，实现了纳米类囊体的胞内递送。

研究团队成员、浙大邵逸夫医院生物医学研究中心特聘研究员刘欣表示：

外源生物材料从溶酶体逃离是实现成功递送的重要环节，我们通过多种胞吞抑制试验反复验证了动物细胞不再将纳米类囊体作为‘异物’进行清除，而是成为它的一部分。

为了恢复软骨细胞的功能，研究团队采用了新兴的细胞膜纳米涂层技术：

即利用小鼠的软骨细胞膜封装纳米化的类囊体，并注射到软骨受损的部位。

此时的类囊体仍处于「沉睡状态」，而「唤醒类囊体」的方式自然就是光照刺激。

光照刺激软骨细胞示意图（图源：浙江大学）

外部一束光透过小鼠的皮肤到达软骨细胞内部，这时类囊体开始运转、生产出ATP和NADPH。

光照刺激使得软骨细胞内的ATP和NADPH水平显著提升，衰老细胞的合成代谢也得到恢复。

更重要的是，小鼠的关节健康状况得到明显改善。

根据关节健康水平通用的评估方法，评分为5的小鼠通过治疗，可以回到1.5分的状态（评分越高，关节炎程度越严重），软骨细胞的状态也相当于从人类的60岁回到20岁。

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）。

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。

参考资料：

https://mp.weixin.qq.com/s/kO1p8ZGxeCah2ui7VASTpA

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1751601519708694115&wfr=spider&for=pc

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