一項(xiàng)新的研究從可再生能源領(lǐng)域汲取了經(jīng)驗(yàn)，并表明經(jīng)過(guò)基因改造的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)了秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的壽命。雖然在人體中使用陽(yáng)光給細(xì)胞充電的前景更像是科幻小說(shuō)，而不是科學(xué)，但這些發(fā)現(xiàn)揭示了衰老過(guò)程中的重要機(jī)制。相關(guān)研究結(jié)果于2022年12月30日在線發(fā)表在Nature Aging期刊上，論文標(biāo)題為“Optogenetic rejuvenation of mitochondrial membrane potential extends C. elegans lifespan”。

論文共同通訊作者、美國(guó)羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心麻醉學(xué)與圍術(shù)期醫(yī)學(xué)副教授Andrew Wojtovich博士說(shuō)，“我們知道，線粒體功能障礙是衰老的一個(gè)結(jié)果。 這項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單地利用光能驅(qū)動(dòng)的線粒體（light-powered mitochondria）促進(jìn)代謝，就能使實(shí)驗(yàn)室線蟲獲得更長(zhǎng)、更健康的生命。 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，并確定治療與年齡有關(guān)的疾病和更健康地衰老的新方法。”

線粒體是在人體大多數(shù)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞器。通常被稱為細(xì)胞能量工廠，線粒體利用葡萄糖產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP），這種化合物為細(xì)胞中的關(guān)鍵功能提供能量，如肌肉收縮和幫助神經(jīng)細(xì)胞相互交流的電脈沖。

ATP的產(chǎn)生是一些反應(yīng)的結(jié)果，這些反應(yīng)是通過(guò)質(zhì)子在分隔線粒體不同區(qū)室的膜上的交換而實(shí)現(xiàn)的，發(fā)生這種反應(yīng)的效能被稱為膜電位（membrane potential）。眾所周知，膜電位會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而下降，是科學(xué)界非常感興趣的一個(gè)話題，因?yàn)樗谝恍┡c年齡有關(guān)的疾?。ㄈ缟窠?jīng)退行性疾?。┲芯哂袧撛谧饔?。

這項(xiàng)新的研究涉及到秀麗隱桿線蟲，它是一種微小的線蟲，與果蠅一樣，長(zhǎng)期以來(lái)一直是科學(xué)家們用來(lái)理解基本生物原理的研究工具，在許多情況下，這些原理適用于整個(gè)動(dòng)物王國(guó)。

為了進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，來(lái)自美國(guó)羅切斯特大學(xué)、德國(guó)農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物生物學(xué)研究所和慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員轉(zhuǎn)向了光遺傳學(xué)（optogenetics），即一種利用光來(lái)控制細(xì)胞內(nèi)生物過(guò)程的研究工具。神經(jīng)科學(xué)家利用光遺傳學(xué)靶向和激活特定的神經(jīng)元來(lái)研究大腦的活動(dòng)模式。這種工具使得他們能夠靶向并操縱秀麗隱桿線蟲線粒體的活動(dòng)---由于這種線蟲是透明的，這項(xiàng)任務(wù)變得更加容易。

mtON在體內(nèi)增加線粒體的膜電位。圖片來(lái)自Nature Aging, 2022, doi:10.1038/s43587-022-00340-7。

這些作者對(duì)秀麗隱桿線蟲線粒體進(jìn)行了基因改造，使得它們包含一個(gè)從真菌中獲得的光激活質(zhì)子泵，他們于2020年在EMBO Reports期刊的一篇論文中首次描述了這項(xiàng)成就（EMBO Reports, 2020, doi:10.15252/embr.201949113）。在這項(xiàng)新的研究中，當(dāng)暴露在光線下時(shí)，這種質(zhì)子泵將帶電離子移動(dòng)跨過(guò)線粒體膜，利用光線的能量為線粒體充電。 這個(gè)被他們稱為mitochondria-ON（mtON）的過(guò)程增加了膜電位和ATP的產(chǎn)生，并使線蟲的壽命增加了30％～40％。 

論文第一作者、在羅切斯特大學(xué)獲得生理學(xué)博士學(xué)位的Brandon Berry博士說(shuō)，“線粒體類似于工業(yè)發(fā)電廠，它們?nèi)紵环N碳源，主要是葡萄糖，為細(xì)胞產(chǎn)生有用的能量。我們所做的基本上是將是把太陽(yáng)能電池板連接到現(xiàn)有的發(fā)電廠基礎(chǔ)設(shè)施上。 在這項(xiàng)的研究中，太陽(yáng)能電池板是光遺傳學(xué)工具mtON。隨后，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)新的研究很重要，因?yàn)樗鼮槿藗兲峁┝烁嚓P(guān)于線粒體在人體中發(fā)揮的復(fù)雜生物作用的新見(jiàn)解，科學(xué)界如今才開始了解這個(gè)話題。該研究還開發(fā)出一種新的方法來(lái)操縱和研究活細(xì)胞環(huán)境中的線粒體。這可以作為一種研究線粒體以及確定干預(yù)和支持功能的方法的重要平臺(tái)。

Berry說(shuō)，“我們需要更多地了解線粒體在動(dòng)物體內(nèi)的真正表現(xiàn)。首先在線蟲中，就像這項(xiàng)新的研究，但隨后在人類細(xì)胞培養(yǎng)物和嚙齒動(dòng)物中。這樣一來(lái)，未來(lái)的研究將提供一些信息，以便靶向人類疾病和衰老中最可能的參與者。”（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

1. Brandon J. Berry et al. Optogenetic rejuvenation of mitochondrial membrane potential extends C. elegans lifespan. Nature Aging, 2022, doi:10.1038/s43587-022-00340-7.

2. Solar Panels for Cells: Light-Activated Proton Pumps Generate Cellular Energy, Extend Life
https://www.urmc./news/story/solar-panels-for-cells-light-activated-proton-pumps-generate-cellular-energy-extend-life