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利用太阳能来延长寿命，仿佛只是出现在科幻中的设想。现在，一项发表于《自然·衰老》期刊的最新研究借鉴可再生能量的思路，在模式生物线虫身上将这个天马行空般的科幻场景变为了现实。作者利用经过基因编辑的线粒体，将光能转化为细胞可以使用的化学能，并在实验中将线虫寿命延长了30%以上。
作者指出，尽管“用太阳能给人类细胞充电”更多还是存在于科幻中的想象，但这项研究揭示了衰老过程的重要机制，并且为研究线粒体提供了全新的工具。
“我们知道，线粒体功能失调是衰老的结果，”领导这项研究的罗切斯特大学Andrew Wojtovich教授指出，“这项研究发现，简单地使用光驱动的线粒体促进代谢作用，可以让实验室中的线虫更加长寿、健康。这些发现和新的研究手段使得我们能够更深入地研究线粒体的功能，并找到治疗年龄相关疾病以及实现健康衰老的新方法。”
作为一种至关重要的细胞器，线粒体被称作细胞的能量工厂，其利用葡萄糖生成三磷酸腺苷（ATP）。被称为“能量货币”的ATP可以为细胞内的多个关键功能提供能量，例如肌肉收缩、神经元交流使用的脉冲信号等。
线粒体在合成ATP时会将电化学势能储存在线粒体内膜上，当内膜两侧的质子浓度不对称，就会形成线粒体膜电位。已有研究表明，膜电位随着年龄的增长而下降，而这个过程可能在神经退行性疾病等多种疾病中发挥作用。
这项研究使用的是常见的模式生物秀丽隐杆线虫（C. elegans）。为了开展这项实验，研究团队使用光遗传学工具操控线粒体的活动。作者可以借此靶向、激活特定的神经元，从而精确研究大脑的活动模式。
▲通过基因改造设计光遗传学工具mtON的示意图（图片来源：参考资料[1]）
研究团队对秀丽隐杆线虫进行了基因改造，使其表达来自真菌的光激活质子泵。当线虫处于光照下时，质子泵可以让离子跨过膜，利用光能为线粒体“充电”。研究团队将这个过程称为“mitochondria-ON”（简称mtON，即线粒体开启）。这项改造提升了膜电位并促进ATP的合成，经过改造的线虫寿命增加了30%~40%。
现为华盛顿大学博士后的Brandon Berry是这项研究的第一作者，他说道：“线粒体类似于工业发电厂，这里消耗碳源（主要是葡萄糖），为细胞生产有用的能量。而我们所做的，相当于将‘太阳能电池板’连接到已有的‘发电厂’设施上。当然，这里的‘太阳能电池板’是光遗传学工具mtON。随后，线粒体机制能够利用光能来合成ATP。”
▲mtON延长了线虫的寿命并提升了健康状态（图片来源：参考资料[1]）
在研究团队看来，虽然这项研究还不能直接用太阳能帮助我们的细胞逆转衰老，但其仍有着重要意义：其为理解线粒体在体内的复杂过程，提供了更多见解。此外，这项研究还为在活体细胞环境中操纵、研究线粒体提供了新方法与研究平台。
对于接下来的研究，Berry博士表示，他们需要更深入地研究线粒体在动物中的真实行为：“首先是在线虫中，就像这项研究所做的一样；接下来在培养皿中的人体细胞，以及啮齿动物中。这样，未来的研究将为人类疾病与衰老过程中的重要参与者提供大量有效信息。”
参考资料：
[1] Berry, B.J., Vodičková, A., Müller-Eigner, A. et al. Optogenetic rejuvenation of mitochondrial membrane potential extends C. elegans lifespan. Nat Aging (2022). https://doi.org/10.1038/s43587-022-00340-7
[2] Solar powered cells: Light-activated proton pumps generate cellular energy, extend life. Retrieved December 30th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/975458
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