太阳能电池：光激活质子泵产生细胞能量延长寿命

Nature Aging杂志上的一项新研究借鉴了可再生能源领域的经验，表明基因工程线粒体可以将光能转化为细胞可以使用的化学能，最终延长线虫线虫的寿命。虽然人类的阳光充电细胞的前景与其说是科学，不如说是科幻小说，但这些发现揭示了衰老过程中的重要机制。

“我们知道线粒体功能障碍是衰老的结果，”罗彻斯特大学医学中心麻醉学和围手术期医学以及药理学和生理学副教授、该研究的资深作者 Andrew Wojtovich 博士说。

“这项研究发现，简单地使用光能线粒体促进新陈代谢可以让实验室蠕虫更长寿、更健康。这些发现和新的研究工具将使我们能够进一步研究线粒体，并确定治疗与年龄相关的疾病和更健康的新方法。”

线粒体是在体内大多数细胞中发现的细胞器。线粒体通常被称为细胞发电厂，它利用葡萄糖产生三磷酸腺苷(ATP)，这种化合物为细胞的关键功能提供能量，例如肌肉收缩和帮助神经细胞相互通信的电脉冲。

ATP 的产生是许多反应的结果，这些反应通过跨膜交换质子而成为可能，膜将线粒体中的不同隔室分开，最终形成称为膜电位的过程。已经表明，膜电位随着年龄的增长而下降，可能在许多与年龄相关的疾病中发挥作用，例如神经退行性疾病。

这项新研究涉及秀丽隐杆线虫，这是一种微型蛔虫，与果蝇果蝇一样，长期以来一直是科学家用来了解基本生物学原理的研究工具，在许多情况下，这些原理适用于整个动物界。

为了进行这些实验，来自美国和德国的一组研究人员采用了一种现有的研究工具，使他们能够操纵线粒体中的活动。这种称为光遗传学的技术传统上一直用于靶向和激活特定的神经元，从而使研究人员能够更精确地研究大脑活动的模式。

研究人员对秀丽隐杆线虫线粒体进行基因工程改造，使其包含从真菌中获得的光激活质子泵，该团队在 2020 年EMBO Reports杂志的一篇论文中首次描述了这一成就。

在这项新研究中，当暴露在光下时，质子泵会移动带电离子穿过膜，利用光能为线粒体充电。这一过程被研究人员称为线粒体开启 (mtON)，增加了膜电位和 ATP 的产生，并导致蛔虫的寿命延长了 30-40%。

Brandon Berry 博士是这两项研究的第一作者，他在罗彻斯特大学获得生理学博士学位，现为华盛顿大学博士后学者。“线粒体类似于工业发电厂，因为它们燃烧碳源，主要是葡萄糖，为细胞产生有用的能量，”贝瑞说。

“我们所做的基本上是将太阳能电池板连接到现有的发电厂基础设施。在这种情况下，太阳能电池板是光遗传学工具 mtON。然后正常的线粒体机器能够利用光能提供 ATP到正常的燃烧路径。”

这项研究很重要，因为它让研究人员更深入地了解线粒体在人体中发挥的复杂生物学作用，而科学界现在才开始了解这一主题。该研究还创造了一种在活细胞环境中操纵和研究线粒体的新方法。这可以作为研究线粒体和确定干预和支持功能的方法的重要平台。

“我们需要更多地了解线粒体在动物体内的真实行为，”贝瑞说。“首先是在蠕虫中，就像目前的研究一样，然后是在培养的人类细胞和啮齿动物中。这样，未来的研究将充分了解情况，以瞄准人类疾病和衰老中最有可能的参与者。”

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