研究人員開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能蠕蟲(chóng)

Nature Aging雜志上的一項(xiàng)新研究 借鑒 了可再生能源領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，表明基因工程線粒體可以將光能轉(zhuǎn)化為細(xì)胞可以使用的化學(xué)能，最終延長(zhǎng)線蟲(chóng)線蟲(chóng)的壽命。雖然人類的陽(yáng)光充電細(xì)胞的前景與其說(shuō)是科學(xué)，不如說(shuō)是科幻小說(shuō)，但這些發(fā)現(xiàn)揭示了衰老過(guò)程中的重要機(jī)制。

“我們知道線粒體功能障礙是衰老的結(jié)果，” Andrew Wojtovich 博士說(shuō)。，羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心麻醉學(xué)和圍手術(shù)期醫(yī)學(xué)以及藥理學(xué)和生理學(xué)副教授，也是該研究的資深作者。“這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，使用光能線粒體簡(jiǎn)單地促進(jìn)新陳代謝可以使實(shí)驗(yàn)室蠕蟲(chóng)更長(zhǎng)壽、更健康。這些發(fā)現(xiàn)和新的研究工具將使我們能夠進(jìn)一步研究線粒體并確定治療與年齡相關(guān)的疾病和更健康的年齡的新方法。”

線粒體是在體內(nèi)大多數(shù)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞器。線粒體通常被稱為細(xì)胞發(fā)電廠，它利用葡萄糖產(chǎn)生三磷酸腺苷 (ATP)，這種化合物為細(xì)胞的關(guān)鍵功能提供能量，例如肌肉收縮和幫助神經(jīng)細(xì)胞相互通信的電脈沖。

ATP 的產(chǎn)生是許多反應(yīng)的結(jié)果，這些反應(yīng)通過(guò)跨膜交換質(zhì)子而成為可能，膜將線粒體中的不同隔室分開(kāi)，最終形成稱為膜電位的過(guò)程。已經(jīng)表明，膜電位隨著年齡的增長(zhǎng)而下降，可能在許多與年齡相關(guān)的疾病中發(fā)揮作用，例如神經(jīng)退行性疾病。

這項(xiàng)新研究涉及秀麗隱桿線蟲(chóng)，這是一種微小的蛔蟲(chóng)，與果蠅果蠅一樣，長(zhǎng)期以來(lái)一直是科學(xué)家用來(lái)了解基本生物學(xué)原理的研究工具，在許多情況下，這些原理適用于整個(gè)動(dòng)物界。

為了進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，來(lái)自和德國(guó)的一組研究人員采用了一種現(xiàn)有的研究工具，使他們能夠操縱線粒體中的活動(dòng)。這種稱為光遺傳學(xué)的技術(shù)傳統(tǒng)上一直用于靶向和激活特定的神經(jīng)元，從而使研究人員能夠更精確地研究大腦活動(dòng)的模式。

研究人員對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)線粒體進(jìn)行基因工程改造，使其包含從真菌中獲得的光激活質(zhì)子泵，該團(tuán)隊(duì)在 2020 年 EMBO Reports雜志的一篇論文中首次描述了這一成就。在這項(xiàng)新研究中，當(dāng)暴露在光下時(shí)，質(zhì)子泵會(huì)移動(dòng)帶電離子穿過(guò)膜，利用光能為線粒體充電。這一過(guò)程被研究人員稱為線粒體開(kāi)啟 (mtON)，增加了膜電位和 ATP 的產(chǎn)生，并導(dǎo)致蛔蟲(chóng)的壽命延長(zhǎng)了 30-40%。

Brandon Berry 博士是這兩項(xiàng)研究的第一作者，他在羅徹斯特大學(xué)獲得生理學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為華盛頓大學(xué)博士后學(xué)者。“線粒體類似于工業(yè)發(fā)電廠，因?yàn)樗鼈內(nèi)紵荚矗饕瞧咸烟?，為?xì)胞產(chǎn)生有用的能量，”Berry 說(shuō)。“我們所做的基本上是將太陽(yáng)能電池板連接到現(xiàn)有的發(fā)電廠基礎(chǔ)設(shè)施上。在這種情況下，太陽(yáng)能電池板是光遺傳學(xué)工具 mtON。除了正常的燃燒途徑外，正常的線粒體機(jī)制還能夠利用光能提供 ATP。”

這項(xiàng)研究很重要，因?yàn)樗屟芯咳藛T更深入地了解線粒體在人體中發(fā)揮的復(fù)雜生物學(xué)作用，而科學(xué)界現(xiàn)在才開(kāi)始了解這一主題。該研究還創(chuàng)造了一種在活細(xì)胞環(huán)境中操縱和研究線粒體的新方法。這可以作為研究線粒體和確定干預(yù)和支持功能的方法的重要平臺(tái)。

“我們需要更多地了解線粒體在動(dòng)物體內(nèi)的真實(shí)行為，”Berry 說(shuō)。“首先是在蠕蟲(chóng)中，就像目前的研究一樣，然后是在培養(yǎng)的人類細(xì)胞和嚙齒動(dòng)物中。這樣，未來(lái)的研究將充分了解情況，以針對(duì)最有可能參與人類疾病和衰老的參與者。”

該研究的其他合著者包括羅徹斯特大學(xué)的 Ane?ka Vodi?ková、華盛頓大學(xué)的 Matt Kaeberlein、德國(guó)農(nóng)場(chǎng)生物學(xué)研究所的 Annika Müller-Eigner 和 Shahaf Peleg，以及技術(shù)研究所的 Chen Meng 和 Christina Ludwig。德國(guó)慕尼黑大學(xué)。這項(xiàng)研究得到了國(guó)立衛(wèi)生研究院和長(zhǎng)壽動(dòng)力基金的支持。

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