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植物可以進行光合作用，用于生長和繁殖。

人類細(xì)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(xì)胞中參與光合作用的類囊體裝配到衰老的哺乳動物細(xì)胞里，竟能重建動物細(xì)胞內(nèi)的能量代謝平衡，讓衰老的細(xì)胞恢復(fù)活力。

細(xì)胞依賴合成代謝（利用細(xì)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(xì)胞正常功能。合成代謝過程中對的能量和電子供體包括細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞的內(nèi)部供能，就將有望逆轉(zhuǎn)這些細(xì)胞的老化。這也成為了最新研究的起點。

在病理狀態(tài)下，細(xì)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(xì)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(xì)胞死亡。

此外，直接提供外源性ATP對細(xì)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(xì)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(xì)胞代謝失衡。此外，不受控制的NADPH供應(yīng)會導(dǎo)致細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞水平上，各種類型的免疫相關(guān)細(xì)胞(主要是巨噬細(xì)胞)負(fù)責(zé)清除異物。在亞細(xì)胞水平(細(xì)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(xì)胞膜作為體內(nèi)各細(xì)胞之間相互識別和調(diào)節(jié)的關(guān)鍵細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞表現(xiàn)為細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞膜(軟骨細(xì)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(xì)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(xì)胞內(nèi)ATP和NADPH的原位水平，并改善退化軟骨細(xì)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(xì)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(xì)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。