拥有植物功能的动物细胞：浙大团队利用光合作用重构能量动物细胞的代谢平衡，让衰老细胞“重回青春”

“我们的研究为再生领域提供了一种新策略，用材料学的手段让动物细胞能借助光合作用来合成三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP），重塑细胞能量代谢平衡从而使再生或衰老逆转成为可能。”浙江大学化学系教授说。

简单来理解，一个细胞再加上一种功能材料，便可变成另一种具备目标功能的新细胞，即让材料手段成为“上帝之手”改变生物的功能。例如，一只小爬虫加一块石头，就有可能就让其“变身”为蜗牛。

图丨（来源：浙江大学）

我们都知道，植物可以通过光合作用提取“能量”，将二氧化碳、水转化为富能有机物，并在此过程中释放出氧气。最近，科学家通过技术手段让动物细胞首次实现了“光合作用”，这是怎么回事呢？

（来源：浙江大学）

浙江大学医学院附属邵逸夫医院骨科博士、教授团队与浙江大学化学系教授团队基于天然光合作用系统，针对退行性疾病的治疗策略进行了研究。

他们第一次把从菠菜提取的类囊体经改造后植入至哺乳动物细胞中，这样动物细胞就可以利用光合作用重构能量代谢，使逆转衰老细胞能够成为可能。值得关注的是，这种新策略在小鼠的退行性骨关节炎治疗中成功验证，颠覆了该类疾病不能治疗的传统医学认知。

审稿人对该研究评价道：“发挥植物光合作用系统，以利用光能的方式在哺乳动物细胞中特异性供应 ATP，和还原形式的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），这项技术是一项令人兴奋的成就，它开辟了细胞代谢工程的可能性。”

图丨相关论文（来源：Nature）

前不久，相关论文以《使用植物来源的自然光合系统，改善细胞的合成代谢》（）为题发表在 Nature 上[1]。

浙江大学医学院附属邵逸夫医院博士、特聘研究员和博士生为该论文的共同第一作者，浙江大学医学院附属邵逸夫医院博士、教授和浙江大教授为论文的共同通讯作者。

通过“光合作用”将植物类囊体递送到动物体衰老病变的细胞

该研究共经历四年多时间，虽然是两个课题组的跨学科研究，但整个团队的协同效率和工作的互补性很高。在看来，该研究中最大的难题是将植物的类囊体融合到动物细胞的功能生理过程中。

图丨基于植物来源的天然光合作用系统增强细胞合成代谢机制（来源：Nature）

“由于动物细胞有自己的免疫系统和溶酶体的吞噬作用，如何在植物类囊体递送到动物细胞过程中让它们能‘骗过’免疫系统是关键，并且还要兼顾材料的功能不受任何改变，并稳定地结合在动物内。”他说。

也就是说，既要让动物细胞接受外来的植物类囊体，更要变其为自身的一部分并用来开展能量合成。该团队通过发展动物细胞自身膜包封纳米类囊体技术得以实现，从而确保了材料和动物细胞二者的融合。

图丨在光照刺激下，软骨细胞膜包裹的类囊体改善了小鼠的关节健康（来源：Nature）

根据相关结果，通过这种策略，纳米类囊体能顺利“躲过”免疫系统清除，并让已退变的软骨细胞，也就是目标细胞对其有选择地摄取，利用光照重新调控了软骨细胞的合成代谢，成功在小鼠实验中验证该方案在退行性骨关节炎疾病治疗的有效性。

实际上，该团队在大量植物做了尝试后，才发现在菠菜中提取的类囊体在改造后能成果融合到动物细胞内，并通过退行性骨关节炎疾病治疗的相关验证，使基于植物的天然光合系统的跨物种移植成为可能。值得关注的是，这种策略可以克服小鼠身体对外来材料排除和排斥的限制。

“这种跨物种递送的理解，在未来还需要结构生物学领域更深入的研究。‍‍

计划未来三至五年进入临床阶段

在以往研究中，材料生物学家往往通过改变基因、用分子药物调控细胞等方法来改变生物细胞的功能。

而该研究从材料学角度出发，通过构建一个自然系统使功能材料和细胞的功能相互结合，制造出一种全新的材料与细胞复合体，为天然材料精确调节细胞能量代谢提供了新方法。

要知道，生物在自然界需要亿万年才能进化出一种功能，但如果通过功能材料与动物细胞结合，可在几小时、甚至在几分钟内就实现生物进化新功能。那么，这种技术在未来有着无限的想象空间。

该团队通过材料和生物的结合，构建出具有植物功能的动物细胞，展示了利用材料学手段直接对生物细胞功能开展修改的新思路。不仅可能应用在椎间盘突出、心血管细胞老化、肌肉萎缩、修复人体重要脏器等医学领域，其应用潜力还包括生物燃料、化工能源等方面。

图丨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）

该研究对能量代谢相关研究也有所启发，例如抗衰老。通常来说，年轻细胞的合成能量高于代谢能量、中年细胞是代谢能力平衡状态，而衰老细胞则是代谢能力的失衡状态。

通过该方法将细胞的能量代谢恢复到平衡状态，那么，衰老细胞“重回”年轻细胞便成为一种可能，这样与能量代谢相关的退行性疾病就有望被治疗，例如难愈性创面的组织再生。

在宏观世界中，当下人们热衷于实现半人、半机器的人机结合。而在微观，科学家利用材料构建“半生物、半材料”的复合体帮助生物实现“人工进化”，通过材料与细胞或者和其他微生物的系列结合，构建出系列新功能复合体，今后可能还会是在自然界中从未被认知过的新物种。

据悉，该技术已申请相关专利，并计划在未来三至五年进入临床阶段，构建出更多人们所需要功能的材料细胞功能复合体。

以“根创新”探索科研新范式

该研究的思路，让不少业内人士感叹“万万没有想到”，这与课题组探索科研新范式的风格密不可分。

他始终对课题组强调要坚持“根创新”，也就是说从源头、从根本做创新，而并非追已有的热点前沿。“如果将科研比作一棵树，我认为在树上长出一片新的叶子并不是我们所需要的创新，我们希望的创新是如何长出一棵新树，并能结出新的果实。”

于 2005 年 2 月从美国纽约州立大学布法罗分校回国到浙大任职，至今已近 18 年。他回忆道：“当时浙大校领导和我说了一句话让我印象颇深。他谈到，今天浙大已经不缺论文、也不缺经费，但缺少的是有着代表性的重大科学突破。”

图丨唐睿康教授（右一）与其课题组成员（来源：）

从那时起，课题组的科研之路便开始以“突破”为导向，以构建基础科学新认知为使命。虽然在这个过程中有不理解和甚至质疑的声音，但更有鼓励和支持。

经过多年的坚持与积累后团队开始有了期盼中的产出，课题组成员也变得越来越自信，做出了让国内外同行“羡慕”的突破性成果，走出一条有自身特色鲜明的基础研究原创道路。

该课题组以材料的仿生制备、生物与材料的仿生复合为研究主线。在学科交叉研究中突出化学基础科学的地位，用化学的新发现、新概念引领材料、生物、医学和其他学科的颠覆性发展，期望通过打破材料与生物界限构建物质科学与生命科学融合的研究新前沿。

表示，不管是“变道超车”还是“弯道超车”，这些赛道都是别人建立和提供的，所以我们真正做起来并不容易。因此，他希望中国的科研工作者在全球的科学发展中能构建全新的赛道，并且赛道的“根”就是自中国，这样才能相关的科技竞争中掌握更多的主动权。

“我相信今后在基础科学原创领域中会出现更好、更多的 ‘中国声音’，让国家发展成为世界主要科学中心和创新高地。”他说。

实际上，该研究的过程是向自然界学习，从生物矿化到跳出生物矿化形成新的交叉前沿，产生新的科学策略。表示，他想努力开创一个新的学科领域，或许可以称为“材料生物学”。

它不是传统的生物材料，而是利用材料引导生物产生新的功能，把人工功能材料或者天然材料的一部分和生物的一部分结合，突出材料调控生物，让生物体按照人们的需求变得更好、更强。

回顾过去成果，课题组皆以“既有趣又具有挑战性”的研究为主题。例如，基于生物矿化开展生物硬组织的仿生修复，实现牙釉质和骨组织的再生重构，为新一代生物材料的发展提供化学基础支撑；在疫苗外面加一个“材料外壳”，通过材料化学手段实现疫苗的热稳定性的提高、常温保存与高效递送。

该课题组是一支敢于创新、十分融洽，并且正在探索一种科研的新范式的科研队伍。他们时刻在思考着自身在科研中最独特的突破——解决学科的关键基础问题，致力于科研方向和内容的多样性。

“我们研究的一个鲜明特点是自发的兴趣驱动，因此我们深深感触到，鼓励基础研究和原始创新的关键是就是保护好科研工作者的‘好奇心’，让他们在研究中敢于探索和敢于创造新知识。”说。

参考资料：

1.Chen, P., Liu, X., Gu, C. et al. A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism. Nature 612, 546–554 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05499-y

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