用光能延长人类寿命?!Nature子刊新研究发现光激活质子泵能产生细胞能量
发表在《自然衰老》杂志上的一项新研究从可再生能源领域借鉴了一页,表明基因工程线粒体可以将光能转化为细胞可以利用的化学能,最终延长了秀丽线虫的寿命。
虽然在人体中使用阳光充电细胞更像是科幻小说,而不是科学,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,这项研究发现,简单地利用光能线粒体促进新陈代谢,就能让实验室线虫活得更久、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,并确定治疗与年龄有关的疾病和更健康衰老的新方法。”
线粒体是存在于人体大多数细胞中的细胞器。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,比如肌肉收缩和帮助神经细胞相互交流的电脉冲。
三磷酸腺苷的产生是一系列反应的结果,这些反应是通过质子在分离线粒体中不同区域的膜上交换而实现的,最终形成一个称为膜电位的过程。研究表明,膜电位随着年龄的增长而下降,可能在一些与年龄相关的疾病中发挥作用,如神经退行性疾病。
这项新的研究涉及秀丽隐杆线虫,这是一种显微镜下的生物,和果蝇一样,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的活动。这项技术被称为光遗传学,传统上被用于瞄准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。
研究人员通过基因工程改造了秀丽线虫的线粒体,使其包含一个从真菌中获得的光激活质子泵,该团队在2020年发表在《EMBO Reports》杂志上的一篇论文中首次描述了这一成就。在这项新研究中,当暴露在光线下时,质子泵会让带电离子穿过细胞膜,利用光线的能量给线粒体充电。这一过程被研究人员称为mtON,增加了膜电位和ATP的产生,并导致线虫的寿命增加了30- 40%。
Brandon Berry博士是这两项研究的第一作者,他说,“线粒体类似于工业发电厂,它们燃烧碳源,主要是葡萄糖,为细胞产生有用的能量,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上。在这种情况下,太阳能电池板就是光遗传工具。正常的线粒体机制能够利用光能提供ATP,除了正常的燃烧途径。”
这项研究很重要,因为它为研究人员提供了更多关于线粒体在人体中发挥的复杂生物学作用的见解,这是科学界现在才开始理解的话题。这项研究还创造了一种在活细胞环境中操作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。
Berry说:“我们需要更多地了解线粒体在动物体内的真实表现。首先在线虫中,就像目前的研究一样,然后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人类疾病和衰老最可能的参与者。”
文章标题
Optogenetic rejuvenation of mitochondrial membrane potential extends C. elegans lifespan
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