Nature：植物细胞制造代谢物的机器转移到哺乳动物细胞中

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题目：A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2022年12月7日

通讯作者单位：浙江大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05499-y

主要内容：

在许多人类疾病中缺乏关键分子ATP和NADPH的供应，但恢复它们需要严格控制。使用来自植物的光能系统结构将这些分子小心翼翼地输送到关节炎小鼠的关节处，减缓了退化。

新陈代谢是复杂分子的合成，它依赖于能量和还原剂的充分供应。在许多疾病中，细胞缺乏它们所需的能量和还原剂，因此新陈代谢不足。三磷酸腺分子是细胞内传递能量的货币，它们是许多生物过程的主要能量来源。NADPH分子是所有生物体内和许多合成代谢反应中的关键还原剂。目前在某些疾病中恢复新陈代谢的医疗干预措施旨在恢复这些分子的供应。然而，一个核心的挑战是如何以正确的浓度和可控的方式向患病的细胞提供这些物质。

在植物中，ATP和NADPH是在光合作用中产生的：在一系列的反应中，太阳光被用来产生复杂的、含碳的化合物。产生这些分子的反应发生在被称为叶绿体的植物细胞器内被称为葡萄球的囊中。作者开发了纳米级的葡萄膜结构，称为纳米葡萄膜单元（NTU），目的是将其送入动物细胞，以光控的方式加强ATP和NADPH的供应。物质在物种间转移的一个大障碍是接受者对移植物质的免疫介导的消除。细胞的外膜能使细胞相互识别，从而防止免疫系统消除细胞的内容。作者将NTU封装在来自各种类型的破损细胞的细胞膜中，包括来自成熟软骨细胞（制造关节中的软骨材料）的细胞膜中，以掩饰这些单元不被免疫系统发现。

作者使用各种细胞培养模型来证明NTU进入细胞的能力，当暴露在光线下时，促进宿主细胞中ATP和NADPH的产生（图1）。涂在软骨细胞膜上的NTU（CM-NTU）可以通过其膜与目标细胞的融合进入软骨细胞。它们能够避免被称为溶酶体的细胞器降解，并能通过跨细胞运输迅速渗透到组织中。这一策略也在其他各种细胞类型的培养中得到了验证，包括肌肉卫星细胞、髓核细胞和人脐静脉内皮细胞。NTU还通过重新规划宿主细胞的代谢来改善细胞的新陈代谢。作者还将CM-NTU送入骨关节炎（一种退行性关节病）模型中的小鼠膝关节，并用光照射该关节。这种方法增加了接受治疗的关节中ATP和NADPH的可用性，并减缓了软骨的退化。

作者的研究结果表明，源自植物的光控NTU可用于为动物细胞提供ATP和NADPH，具有潜在的治疗效果。作者希望在未来进行早期临床试验，以测试NTU对退行性疾病的影响。

在作者的研究中，软骨细胞中NTU的两种关键光合作用蛋白（D1和D2）在光照下大约8-16小时后完全降解了。在进一步的研究中，作者希望研究如何延长细胞中这种光合作用装置的半衰期。这种方法的后续发展将集中在实现最佳的光合作用，同时避免在过量光照下形成的高活性分子--活性氧--造成的细胞损伤。

除了医疗应用外，这种光合作用系统还可以应用于影响生产生物燃料和其他有用化学物质的细胞的新陈代谢。利用基于光合作用系统的纳米技术来增强细胞的新陈代谢，可能会增加生物燃料的生产，同时降低成本。这可以减少对化石燃料的需求，从而减少二氧化碳排放和其他导致气候变化的温室气体。此外，这项技术也可用于建立化学合成平台；例如，它可用于从可再生和碳中性资源中生产化学试剂。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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