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植物可以進行光合作用，用于生長和繁殖。

人類細胞通過各種合成代謝對損傷的組織進行修復(fù)。

這兩者看似毫無關(guān)系，偏偏就有科學(xué)家玩起了“跨界聯(lián)動"，近日，我國科研人員，將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(fù)活力。

細胞依賴合成代謝（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），來維持細胞正常功能。合成代謝過程中對的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）。

如果合成代謝的供能出現(xiàn)障礙，細胞則難以正常運轉(zhuǎn)并出現(xiàn)衰老。越來越多的研究表明，細胞內(nèi)合成代謝不足是導(dǎo)致身體很多病理過程的關(guān)鍵因素。如果能恢復(fù)受損細胞的內(nèi)部供能，就將有望逆轉(zhuǎn)這些細胞的老化。這也成為了最新研究的起點。

在病理狀態(tài)下，細胞缺乏內(nèi)能量和還原物。三羧酸(TCA)循環(huán)是大多數(shù)哺乳動物細胞生成ATP的主要能量代謝過程。因此，針對TCA周期的干預(yù)有望糾正病理條件下ATP供應(yīng)失調(diào)。然而，TCA循環(huán)涉及各種代謝網(wǎng)絡(luò)，特定因子的傳遞改變了其內(nèi)在通路，甚至可能導(dǎo)致細胞死亡。

此外，直接提供外源性ATP對細胞代謝影響不大。NADPH的還原形式可以為合成反應(yīng)和氧化還原平衡提供還原動力。細胞NADPH水平是通過幾種代謝途徑(即磷酸戊糖途徑、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代謝)的產(chǎn)生和利用來調(diào)節(jié)的，直接干預(yù)這些途徑可能導(dǎo)致細胞代謝失衡。此外，不受控制的NADPH供應(yīng)會導(dǎo)致細胞毒性超氧化物的產(chǎn)生，這反過來又會導(dǎo)致氧化應(yīng)激。這些特性限制了NADPH8的臨床應(yīng)用。因此，構(gòu)建一個可控的、獨立的ATP和NADPH自供系統(tǒng)對增強細胞合成代謝具有重要意義。研究人員提出了一個系統(tǒng)的頂層設(shè)計策略，可用于治療疾病。

利用自然系統(tǒng)生產(chǎn)ATP和NADPH可以實現(xiàn)新的應(yīng)用。用ATP合酶合成脂質(zhì)體可以建立質(zhì)子梯度并驅(qū)動ATP合成。先前的研究還將菠菜類囊體膜與人工生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，實現(xiàn)了微尺度上的光合合成代謝反應(yīng)。然而，利用可控和獨立的天然光合系統(tǒng)來改善細胞合成代謝還沒有實現(xiàn)。體內(nèi)生物活性組織的跨物種移植也需要克服身體的排除和排斥。在人體內(nèi)，在細胞水平上，各種類型的免疫相關(guān)細胞(主要是巨噬細胞)負(fù)責(zé)清除異物。在亞細胞水平(細胞器)，溶酶體通過吞噬作用和溶解作用消化和清除異物。因此，避免排斥和消除哺乳動物體內(nèi)的自然光合作用系統(tǒng)，以實現(xiàn)功能性的跨物種應(yīng)用策略仍然是一個挑戰(zhàn)。

細胞膜作為體內(nèi)各細胞之間相互識別和調(diào)節(jié)的關(guān)鍵細胞結(jié)構(gòu)，在保留其內(nèi)部內(nèi)容物方面起著至關(guān)重要的作用。來自細胞膜的囊泡可用于包封特定材料，以增強其生物相容性和治療效果。因此，研究人員認(rèn)為使用特定的成熟細胞膜作為可能的一種有效的策略，以避免跨種淘汰。反過來，一個獨立的天然光合系統(tǒng)的體內(nèi)移植可用于增強退行性疾病的細胞合成代謝。

骨關(guān)節(jié)炎是一種常見的退行性疾病，病理性軟骨細胞表現(xiàn)出ATP和NADPH的消耗和活性氧(ROS)和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)的增加。能量不足的軟骨細胞表現(xiàn)為細胞外基質(zhì)(ECM)蛋白合成減少，包括膠原蛋白和蛋白聚糖。軟骨細胞內(nèi)能量儲備的損失加上代謝途徑向糖酵解的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致病理性軟骨細胞中ECM合成和合成代謝受損。目前的治療不能系統(tǒng)地糾正退化軟骨細胞中發(fā)生的代謝失衡，并與不良的臨床結(jié)果相關(guān)。本研究利用常用的骨關(guān)節(jié)炎小鼠模型進行概念驗證研究。我們用軟骨細胞來源的膜對ntu進行納米囊化，以生產(chǎn)cm - ntu。研究人員的目標(biāo)是避免在體內(nèi)消除，并改善退化軟骨的細胞合成代謝來治療骨關(guān)節(jié)炎。

近日，研究人員開發(fā)了一個基于納米類囊體單位(NTUs)的獨立和可控的納米植物源光合系統(tǒng)。相關(guān)研究發(fā)表在《Nature》上，文章標(biāo)題為：“A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism"。

為了實現(xiàn)跨物種應(yīng)用，研究人員使用特定的成熟細胞膜(軟骨細胞膜(CM))進行封裝。作為概念的證明，證明了這些cm - ntu通過膜融合進入軟骨細胞，避免溶酶體降解并實現(xiàn)快速滲透。此外，cm - ntu在光照下增加細胞內(nèi)ATP和NADPH的原位水平，并改善退化軟骨細胞的合成代謝。它們還可以系統(tǒng)地糾正能量失衡，恢復(fù)細胞代謝，改善軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)，防止骨關(guān)節(jié)炎的病理進展。我們治療退行性疾病的策略是基于天然的光合系統(tǒng)，通過獨立提供關(guān)鍵能量和代謝載體，可以控制地增強細胞合成代謝。

本研究也加深了對生物有機體和復(fù)合生物材料在疾病治療中的制備和應(yīng)用的認(rèn)識。