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，讓動物細胞也通過光合作用獲取能量，從而返老還童，逆轉細胞的衰老退變。

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、范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」。

通過將動物細胞膜包裹于納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級期刊《自然》（Nature）雜志以長文（Article）形式刊登。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y

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

《自然》雜志資深編輯和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：

遵循自然規律、創新性突破向細胞輸送能量的世界難題、開辟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量并產生還原當量。

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并將不足的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。

于是，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系，植物通過吸收二氧化碳產生氧氣和糖，而動物恰恰相反。

于是他們思考：

是否能將這種宏觀的互補關系延伸至細胞層面，通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」的原材料，通過對菠菜提取物的純化獲取類囊體。

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，范順武調侃說：

大家都看過動畫片《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，細胞充電的接口在哪？還有如何將類囊體安全、精準地遞送到動物的衰老退變細胞內，是該研究的第二道難題。

林賢豐解釋說，人體擁有一套復雜的免疫系統，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，進而再通過溶酶體降解消化異物，

「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自身的細胞膜做載體？

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，實現細胞跨界移植納米植物類囊體。

經過不斷摸索探究，團隊成功用細胞膜偽裝了納米類囊體瞞天過海，實現了納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：

外源生物材料從溶酶體逃離是實現成功遞送的重要環節，我們通過多種胞吞抑制試驗反復驗證了動物細胞不再將納米類囊體作為‘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，研究團隊采用了新興的細胞膜納米涂層技術：

即利用小鼠的軟骨細胞膜封裝納米化的類囊體，并注射到軟骨受損的部位。

此時的類囊體仍處于「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，這時類囊體開始運轉、生產出ATP和NADPH。

光照刺激使得軟骨細胞內的ATP和NADPH水平顯著提升，衰老細胞的合成代謝也得到恢復。

更重要的是，小鼠的關節健康狀況得到明顯改善。

根據關節健康水平通用的評估方法，評分為5的小鼠通過治療，可以回到1.5分的狀態（評分越高，關節炎程度越嚴重），軟骨細胞的狀態也相當于從人類的60歲回到20歲。

研究結果表明，CM-NTU治療結合光照射顯著減輕了術后8周和12周的軟骨破壞（通過番紅-O染色評估）（圖5b），國際骨關節炎研究協會 (OARSI) 的評分進一步證實了這一結果。

與ACLT對照組相比，接受ACLT并用CM-NTU和光處理的小鼠的評分顯著降低（術后8周和12周分別為1.45和1.81）。

已提交發明專利，有望多領域應用

據澎湃新聞報道，經過一年多實驗和分析，研究團隊已經驗證納米類囊體進入動物細胞后仍可以保留類囊體上光合作用所需的蛋白和其他功能單體。

即在體內保持足夠的作用時間和降解穩定性，并保證足量的ATP和NADPH的產生，從而系統性地逆轉病變細胞代謝狀態。

林賢豐表示：

我們先在骨關節炎治療上尋找突破，骨關節炎是目前臨床上致畸致殘的最主要原因之一，正是由于軟骨細胞的能量代謝失衡，ATP、NADPH耗竭而導致關節軟骨破壞。

范順武接受采訪表示，團隊已經同步遞交了發明專利并著手進行產品轉化。

因為關鍵原材料源于天然植物，安全性很高，細胞膜納米涂層技術具備規模化生產潛力，我相信在不久的將來，這一技術有望在多領域實現應用。

論文評審專家Francisco Cejudo教授認為：

這項工作的杰出之處在于研究團隊成功地將植物微型細胞器種間移植到了哺乳動物細胞。

利用植物光合作用系統以依賴光能的方式在哺乳動物細胞中特異性供應 ATP 和 NADPH 的這一技術，是一項令人興奮的成就，它開辟了代謝工程的可能性。