將菠菜細胞中參與光合作用的類囊體裝配到衰老的哺乳動物細胞里，竟能重建動物細胞內(nèi)的能量代謝平  衡，讓衰老的細胞恢復活力。

    這項充滿想象力的研究由浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院林賢豐、范順武與浙江大學化學系唐睿康團隊領(lǐng)導，并發(fā)表于***新一期《自然》雜志。在這篇論文中，這項跨界的策略成功治了小鼠的骨關(guān)節(jié)炎，令它們老化的關(guān)節(jié)軟骨細胞恢復了青春。未來，這項技術(shù)還有望治更多衰老退行性疾病。

    在細胞內(nèi)，合成代謝（anabolism）是維持細胞正常功能的關(guān)鍵過程。合成代謝指的是利用細胞內(nèi)的能量和電子供體，將小分子物質(zhì)合成為生命所需的氨基酸、核苷酸、脂肪酸等組分。這些能量和電子供體包括細胞“能量貨幣”三磷酸腺苷（ATP），以及關(guān)鍵電子供體：還原形式的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）。

    一旦合成代謝的供能出現(xiàn)障礙，細胞就難以正常運轉(zhuǎn)并開始衰老。越來越多的研究表明，細胞內(nèi)合成代謝不足是導致身體幾乎所有病理過程的關(guān)鍵因素。如果能恢復受損細胞的內(nèi)部供能，就將有望逆轉(zhuǎn)這些細胞的老化。這也成為了***新研究的起點。

    “如果我們能從其他地方找到合適的ATP和NADPH ‘生產(chǎn)線’，把它們移植到受損的細胞里，去重塑退變細胞的合成代謝，這在臨床上意味著新的希望?！?浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院主治醫(yī)師/特聘研究員林賢豐表示。

如何去尋找ATP和NADPH的“生產(chǎn)線”？自然界數(shù)十億年的生命演化指出了一個難以置信的方向：植物的光合作用。在光合作用中的光反應(yīng)階段，光能轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP、NADPH形式的化學能并生成氧氣，而這個轉(zhuǎn)變發(fā)生的場所，就是葉綠體的內(nèi)膜系統(tǒng)——類囊體。

▲葉綠體中的類囊體膜是光合作用中光反應(yīng)階段的場所（圖片來源：浙江大學）

    將植物的類囊體跨界遷移到哺乳動物細胞內(nèi)，借助“光合作用”增強動物細胞的合成代謝——沿著這個天馬行空的想法，浙大聯(lián)合團隊選擇葉綠體含量豐富的菠菜開展了研究。而實現(xiàn)這一設(shè)想的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，在于如何避免跨界移植帶來的免疫排斥。

    我們知道，我們的免疫系統(tǒng)可以識別并清理外源成分。如果直接將來自植物的類囊體移植到人體，不難想象其結(jié)局：我們的巨噬細胞會將它們視作異物清理，即使一些類囊體僥幸進入細胞，細胞內(nèi)的溶酶體也能通過吞噬作用將它們降解。

    要讓動物機體為類囊體開啟綠燈，研究團隊的思路是設(shè)計具有生物相容性的“人工細胞器”：使用動物自身的細胞膜來包裹類囊體，借助這層偽裝，類囊體就能成功“騙”過細胞，順利抵達細胞內(nèi)部。

     在這項研究中，作者以骨關(guān)節(jié)炎小鼠模型為例進行了探索。骨關(guān)節(jié)炎的本質(zhì)是軟骨細胞的退變、老化。ATP、NADPH的耗竭導致細胞內(nèi)合成代謝受損，膠原蛋白、蛋白聚糖等胞外基質(zhì)蛋白的合成減少。目前，針對這種衰老退行性疾病的療法無法扭轉(zhuǎn)這一失衡狀態(tài)，因此預后不佳。

     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(shù)：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。這些“人工細胞器”迅速穿透細胞膜，注射24小時后在軟骨組織中均勻分布。作為對照，使用脂質(zhì)納米顆粒包裹的類囊體止步于細胞表面。

     此時的類囊體仍處于“沉睡”狀態(tài)，而“喚醒”類囊體的方式自然就是光照刺激。外部一束光透過小鼠的皮膚到達軟骨細胞內(nèi)部，這時類囊體開始運轉(zhuǎn)、生產(chǎn)出ATP和NADPH。

▲在光照刺激下，軟骨細胞膜包裹的類囊體改善了小鼠的關(guān)節(jié)健康

     研究團隊觀察到，光照刺激使得軟骨細胞內(nèi)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(guān)節(jié)健康狀況得到明顯改善。根據(jù)關(guān)節(jié)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(tài)。（評分越高，關(guān)節(jié)炎程度越嚴重）軟骨細胞的狀態(tài)也相當于從人類的60歲回到20歲。就這樣，研究團隊的“大力水手”計劃成功了。

▲基于植物來源的天然光合作用系統(tǒng)增強細胞合成代謝機制

     唐睿康教授說：“這項研究展示了將天然植物來源的類囊體跨物種移植到哺乳動物細胞的生物醫(yī)學應(yīng)用，并且還賦予天然光合作用新的改造模式，充分體現(xiàn)借助材料學手段可以實現(xiàn)對生命過程的有效調(diào)控，這一創(chuàng)新性技術(shù)有望未來在醫(yī)學、能源、材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用?！?/p>

     論文審稿專家之一，國際植物光合作用研究領(lǐng)域的專家Francisco Cejudo教授點評道：“發(fā)揮植物光合作用系統(tǒng)以利用光能的方式在哺乳動物細胞中特異性供應(yīng)ATP和NADPH，這項技術(shù)是一項令人興奮的成就，它開辟了代謝工程的可能性?！?/p>

      DNA提取是分析農(nóng)作物分子生物學性狀的重要步驟，現(xiàn)階段，常用的DNA提取技術(shù)有磁珠法和離心柱法，使用磁珠進行農(nóng)作物的DNA提取，可以實現(xiàn)高通量、自動化的操作。由于磁珠對核酸的吸附靈敏度高，只需要少量的葉片或其他組織即可得到高得率、高純度的DNA。吉恩特生物采用自主研發(fā)生產(chǎn)的納米生物磁珠和磁珠法DNA提取試劑盒，可以從各種類型的農(nóng)作物中提取高質(zhì)量的核酸，配合核酸提取儀，可以達到快速自動化提取的目的。