“装上”菠菜“电池”人也能光合作用？

从植物到动物

如何解锁跨物种能量传递？

细胞更新代谢需要能量和物质补给，ATP和 NADPH是细胞再生修复不可或缺的能量“货币”和物质“货币”。

数十亿年来，植物已经进化出一个近乎完美的能量供应细胞器——类囊体，是一个可控、稳定生成ATP和NADPH的能量工厂。

用细胞膜“伪装”纳米类囊体，让细胞以为类囊体是“自己人”，从而避免免疫系统排斥，实现细胞跨界移植纳米植物类囊体。

将软骨细胞膜包封的纳米类囊体植入患有关节炎的小鼠关节上，再进行无创化光照治疗，成功在几周后将小鼠的退行性关节软骨细胞恢复年轻。

从菠菜中提取具有光合作用的“生物电池”类囊体，将动物细胞膜包裹于纳米化类囊体外层做“伪装”，再跨界传递到哺乳动物衰老病变的细胞内，让动物细胞通过光合作用获取能量，从衰老退变的状态重新变年轻——这不是科幻片，而是中国科研团队的最新科研成果。

12月8日，由浙江大学医学院附属邵逸夫医院和浙江大学科研团队进行的原创性科研成果论文《基于植物来源的天然光合作用系统增强细胞合成代谢》在国际顶级期刊《自然》杂志刊登。

据介绍，这项研究最令人兴奋之处在于，团队开发了细胞膜纳米涂层技术，成功解锁跨物种间能量传递的“密码”，实现特异性供应能量，并在退行性骨关节炎的治疗应用中得以验证。

灵感

巧用植物类囊体

给动物细胞“充电”

越来越多的研究发现，动物细胞能量不足是组织衰老和退行性疾病发生发展的关键原因。正如人类需要补充营养一样，细胞更新代谢也需要能量和物质补给，而ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和 NADPH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）就是细胞再生修复不可或缺的能量“货币”和物质“货币”。

浙江大学医学院附属邵逸夫医院特聘研究员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？”

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。是否能将这种宏观的互补关系延伸至细胞层面，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”？

数十亿年来，植物已经进化出一个近乎完美的能量供应细胞器——类囊体正是一个可控、稳定生成ATP和NADPH的能量工厂。那么为什么选择菠菜呢？“动画片《大力水手》的主人公一吃菠菜就变得力气很大，而且菠菜是菜市场中最绿的菜。”浙江大学医学院附属邵逸夫医院教授范顺武说，研究团队的第一步，就是成功提取并纯化了菠菜绿叶中的类囊体组分。

突破

给植物电池裹上“伪装”

避免动物免疫系统排异

如何将类囊体安全、精准地递送到动物的衰老退变细胞内，是该研究的一道难题。林贤丰解释，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，再通过溶酶体降解消化异物。

如何克服物种间的屏障？团队成员陈鹏飞起初尝试了脂质体包载等多种递送方法，但效果都不理想。“用细胞自己的细胞膜来包载怎么样？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’，从而避免体内免疫排斥，实现细胞跨界移植纳米植物类囊体。”

经过摸索，团队成功用细胞膜“伪装”了纳米类囊体“瞒天过海”，实现纳米类囊体的胞内递送。

“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。”浙江大学邵逸夫医院生物医学研究中心特聘研究员刘欣表示。

验证

植入纳米类囊体后

小鼠软骨细胞恢复年轻

经过一年多的实验和分析，研究团队发现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，并保证足量的ATP和NADPH产生，从而系统性地逆转病变细胞代谢状态。

那么，这种令人振奋的纳米类囊体在人体内到底能够发挥多大的作用？

为了检验这类“生物电池”是否能逆转病变细胞代谢状态，团队首先选择了骨关节炎的疾病模型对这类“生物电池”进行“概念性验证”。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耗竭导致关节软骨破坏。目前骨关节炎的生物治疗还无法系统性地纠正损伤退变软骨细胞的代谢失衡，因此临床预后不佳。

范顺武介绍，在实验过程中，团队将软骨细胞膜包封的纳米类囊体植入患有关节炎的小鼠关节上，再进行无创化光照治疗，重塑软骨细胞的合成代谢，最终成功在几周后将小鼠的退行性关节软骨细胞恢复年轻。

【前景】

未来有望

临床应用

浙江大学医学院附属邵逸夫医院特聘研究员林贤丰表示，这项研究实现了向哺乳动物细胞跨物种植入天然光合系统，并让植入的光合系统独立提供关键能量代谢，从而可控性地增强细胞合成代谢，在退行性疾病治疗中显示出良好临床应用前景。研究还增强了人们对生物有机体和复合生物材料的制备和应用的理解，提出了一种新的医疗模式。

林贤丰说，这项研究具有很强的转化应用价值，可以在医学中探索骨关节炎以及其他疾病的治疗，也可以与跨学科团队合作探索在生物燃料和代谢工程领域应用。

“团队已经同步递交了发明专利并着手进行产品转化。相信在不久的将来，这一技术有望在多领域实现应用。”浙江大学医学院附属邵逸夫医院教授范顺武说。

本组文/综合新华网、央视新闻报道

来源： 厦门日报