有没有想过，人体细胞也能像植物一样进行光合作用？从菠菜中提取“生物电池”类囊体，使动物细胞也能通过光合作用获得能量，从而使细胞焕发青春，逆转细胞衰老退化。这不是天方夜谭，而是浙江大学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先锋博士、范顺武教授团队和浙江大学化学系唐瑞康教授团队成功提取“类囊体”，一种具有光合作用的生物电池”来自菠菜。他们通过将动物细胞膜包裹在纳米级类囊体的外层作为伪装，首次实现了植物类囊体跨物种向动物衰老和患病细胞的输送，使动物细胞也能拥有植物光合作用。实验交流中的林先锋（左）和陈鹏飞（右）（来源：浙江大学）北京时间12月8日，这项原创科研成果被国际顶级期刊《自然》（自然）以长文形式发表（文章）以形式发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y值得一提的是，这个研究团队中年龄最大的成员只有34岁，最小的26岁，可以可谓年轻有为。《自然》杂志的资深编辑和审稿人也对浙江大学科研团队的最新研究成果给予了高度评价，称其遵循自然规律，创新性地突破了细胞输送能量的世界难题，开辟了代谢工程的可能性。继续阅读，了解这项研究如何化腐朽为神奇。如何给动物细胞充电细胞内合成代谢不足是导致机体发生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，为合成代谢提供还原力。但在病理条件下，很难纠正受损细胞的合成代谢，将不足的ATP和NADPH水平提高到最佳浓度。因此，为动物细胞“充电”的第一步是找到一块电池。因此，林先锋提出了一个想法“我们能否设计一种‘充电’装置，在细胞中可控地产生ATP和NADPH？”图为该研究的作用机制（来源：浙江大学）此时，唐瑞康团队的化学生物学的研究思路和人工细胞器的概念开辟了一个新的研究方向，他们也将目光转向了自然界。在自然界中，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分，而动物则相反。于是他们想到：是否可以将这种宏观互补关系扩展到细胞层面，通过植入光合细胞器，使植物的供能系统成为动物细胞补充能量的“生物电池”？最终，研究团队选择以叶绿体中提供能量的细胞器类囊体作为“生物电池”的原料，通过纯化菠菜提取物得到类囊体。叶绿体中的类囊体膜是光合作用中光反应阶段的场所（来源：浙江大学）。据澎湃新闻报道，范顺武开玩笑说：动画片《大力水手》大家都看过了，吃菠菜的时候体力很大，而且菠菜也是菜市场里最绿的蔬菜，所以我们选择了菠菜。既然有了电池供电，那给电芯充电的接口在哪里呢？如何安全准确地将类囊体输送到动物衰老退化的细胞中，是本研究的第二个挑战。林先锋解释说，人体有一套复杂的免疫系统。各种免疫细胞，主要是巨噬细胞，会主动识别并吞噬异物，然后通过溶酶体降解消化异物。递送到动物细胞内需要欺骗。”团队成员陈鹏飞最初尝试了脂质体包埋等多种递送方式，但效果并不理想。直到有一天，他想到是否可以利用受体细胞本身的细胞膜作为载体？利用同源靶向原理，让细胞认为我们输送的类囊体是“自己人”，从而避免机体免疫排斥反应，实现纳米植物类囊体的跨界移植。经过不断探索“通过探索，该团队成功地将纳米类囊体伪装成细胞膜，实现了纳米类囊体的细胞内递送。”课题组成员、浙江大学逸夫医院生物医学研究中心特聘研究员刘欣说。:外源性生物材料从溶酶体中逸出是成功递送的重要一环，我们已经反复验证在动物细胞中，纳米类囊体不再作为“异物”移除，而是成为其中的一部分。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：利用小鼠软骨细胞膜包裹纳米级类囊体，并将其注入受损的软骨中。此时类囊体还处于“沉睡状态”，“唤醒类囊体”的方式自然是光刺激。光刺激软骨细胞示意图（来源：浙江大学）。外部光束穿透小鼠的皮肤并到达软骨细胞的内部。这时，类囊体开始运作，产生ATP和NADPH。光刺激显着提高了软骨细胞中的ATP和NADPH水平，衰老细胞的合成代谢也得到恢复。更重要的是，老鼠的关节健康得到了显着改善。按照关节健康水平的一般评估方法，得分为5的小鼠在治疗后可以恢复到1.5的状态（得分越高，关节炎的程度越严重），软骨细胞的状态相当于恢复来自一个60岁的人。到20岁。研究结果表明，根据国际骨关节炎研究协会(OARSI)评分，CM-NTU治疗结合光照射可显着减轻术后8周和12周的软骨破坏（通过番红-O染色评估）（图5b）。结果得到进一步证实。与ACLT对照组相比，接受ACLT并用CM-NTU和光治疗的小鼠得分显着较低（术后8周和12周分别为1.45和1.81）。发明专利已提交，有望应用于多个领域。澎湃新闻称，经过一年多的实验和分析，研究团队证实，纳米类囊体进入动物细胞单体后，仍能在类囊体上保留光合作用所需的蛋白质等功能。即维持体内足够的作用时间和降解稳定性，保证产生足够的ATP和NADPH，从而系统性地逆转病变细胞的代谢状态。林先锋说：我们首先在骨关节炎的治疗上寻求突破。骨关节炎是导致临床畸形和残疾的最重要原因之一。破坏。范顺武在接受采访时表示，团队已经同步提交了发明专利，并开始了产品转化。由于关键原料来自天然植物，安全性非常高，细胞膜纳米涂层技术具有规模化生产的潜力。相信在不久的将来，这项技术有望在很多领域得到应用。论文审稿人FranciscoCejudo教授认为，这项工作的卓越之处在于研究团队成功地将植物微型细胞器移植到哺乳动物细胞中。使用植物光合系统以依赖光的方式在哺乳动物细胞中特异性供应ATP和NADPH是一项令人兴奋的成就，它开辟了代谢工程的可能性。
