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“线粒体”&“叶绿体”跨界联动携手共创组织修复，德国MB助力科研

点击次数：6574 发布时间：2023/3/28 15:30:05

生物学研究需要干净的实验环境。缔一生物公司代理的德国MB环境污染控制试剂：用于DNA污染清除与预防的PCR-Clean、用于支原体清除与预防的Mycoplasma-off，高效便捷地清除污染。

植物可以进行光合作用，用于生长和繁殖。

人类细胞通过各种合成代谢对损伤的组织进行修复。

这两者看似毫无关系，偏偏就有科学家玩起了“跨界联动”，近日，我国科研人员，将将菠菜细胞中参与光合作用的类囊体装配到衰老的哺乳动物细胞里，竟能重建动物细胞内的能量代谢平衡，让衰老的细胞恢复活力。

细胞依赖合成代谢（利用细胞内的能量和电子供体，将小分子物质合成为生命所需的氨基酸、核苷酸、脂肪酸等组分），来维持细胞正常功能。合成代谢过程中对的能量和电子供体包括细胞“能量货币”三磷酸腺苷（ATP），以及关键电子供体：还原形式的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）。

如果合成代谢的供能出现障碍，细胞则难以正常运转并出现衰老。越来越多的研究表明，细胞内合成代谢不足是导致身体几乎所有病理过程的关键因素。如果能恢复受损细胞的内部供能，就将有望逆转这些细胞的老化。这也成为了*新研究的起点。

在病理状态下，细胞缺乏内能量和还原物。三羧酸(TCA)循环是大多数哺乳动物细胞生成ATP的主要能量代谢过程。因此，针对TCA周期的干预有望纠正病理条件下ATP供应失调。然而，TCA循环涉及各种代谢网络，特定因子的传递改变了其内在通路，甚至可能导致细胞死亡。

此外，直接提供外源性ATP对细胞代谢影响不大。NADPH的还原形式可以为合成反应和氧化还原平衡提供还原动力。细胞NADPH水平是通过几种代谢途径(即磷酸戊糖途径、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代谢)的产生和利用来调节的，直接干预这些途径可能导致细胞代谢失衡。此外，不受控制的NADPH供应会导致细胞毒性超氧化物的产生，这反过来又会导致氧化应激。这些特性限制了NADPH8的临床应用。因此，构建一个可控的、独立的ATP和NADPH自供系统对增强细胞合成代谢具有重要意义。研究人员提出了一个系统的顶层设计策略，可用于治疗疾病。

利用自然系统生产ATP和NADPH可以实现新的应用。用ATP合酶合成脂质体可以建立质子梯度并驱动ATP合成。先前的研究还将菠菜类囊体膜与人工生物网络结合起来，实现了微尺度上的光合合成代谢反应。然而，利用可控和独立的天然光合系统来改善细胞合成代谢还没有实现。体内生物活性组织的跨物种移植也需要克服身体的排除和排斥。在人体内，在细胞水平上，各种类型的免疫相关细胞(主要是巨噬细胞)负责清除异物。在亚细胞水平(细胞器)，溶酶体通过吞噬作用和溶解作用消化和清除异物。因此，避免排斥和消除哺乳动物体内的自然光合作用系统，以实现功能性的跨物种应用策略仍然是一个挑战。

细胞膜作为体内各细胞之间相互识别和调节的关键细胞结构，在保留其内部内容物方面起着至关重要的作用。来自细胞膜的囊泡可用于包封特定材料，以增强其生物相容性和治疗效果。因此，研究人员认为使用特定的成熟细胞膜作为伪装可能是一种有效的策略，以避免跨种淘汰。反过来，一个独立的天然光合系统的体内移植可用于增强退行性疾病的细胞合成代谢。

骨关节炎是一种常见的退行性疾病，病理性软骨细胞表现出ATP和NADPH的消耗和活性氧(ROS)和基质金属蛋白酶(MMPs)的增加。能量不足的软骨细胞表现为细胞外基质(ECM)蛋白合成减少，包括胶原蛋白和蛋白聚糖。软骨细胞内能量储备的损失加上代谢途径向糖酵解的转变导致病理性软骨细胞中ECM合成和合成代谢受损。目前的治疗不能系统地纠正退化软骨细胞中发生的代谢失衡，并与不良的临床结果相关。本研究利用常用的骨关节炎小鼠模型进行概念验证研究。我们用软骨细胞来源的膜对ntu进行纳米囊化，以生产cm - ntu。研究人员的目标是避免在体内消除，并改善退化软骨的细胞合成代谢来治疗骨关节炎。

近日，研究人员开发了一个基于纳米类囊体单位(NTUs)的独立和可控的纳米植物源光合系统。相关研究发表在《Nature》上，文章标题为：“A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism”。

为了实现跨物种应用，研究人员使用特定的成熟细胞膜(软骨细胞膜(CM))进行伪装封装。作为概念的证明，证明了这些cm - ntu通过膜融合进入软骨细胞，避免溶酶体降解并实现快速渗透。此外，cm - ntu在光照下增加细胞内ATP和NADPH的原位水平，并改善退化软骨细胞的合成代谢。它们还可以系统地纠正能量失衡，恢复细胞代谢，改善软骨内稳态，防止骨关节炎的病理进展。我们治疗退行性疾病的策略是基于天然的光合系统，通过独立提供关键能量和代谢载体，可以控制地增强细胞合成代谢。

本研究也加深了对生物有机体和复合生物材料在疾病治疗中的制备和应用的认识。

原创作者：北京缔一生物科技有限公司