Nat Aging：神奇！经过基因改造的线粒体可利用光能充电并延长线虫寿命

一项新的研究从可再生能源领域汲取了经验，并表明经过基因改造的线粒体可以将光能转化为细胞可以使用的化学能，最终延长了秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的寿命。虽然在人体中使用阳光给细胞充电的前景更像是科幻小说，而不是科学，但这些发现揭示了衰老过程中的重要机制。相关研究结果于2022年12月30日在线发表在Nature Aging期刊上，论文标题为“Optogenetic rejuvenation of mitochondrial membrane potential extends C. elegans lifespan”。

论文共同通讯作者、美国罗切斯特大学医学中心麻醉学与围术期医学副教授Andrew Wojtovich博士说，“我们知道，线粒体功能障碍是衰老的一个结果。 这项新研究发现，简单地利用光能驱动的线粒体（light-powered mitochondria）促进代谢，就能使实验室线虫获得更长、更健康的生命。 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地衰老的新方法。”

线粒体是在人体大多数细胞中发现的细胞器。通常被称为细胞能量工厂，线粒体利用葡萄糖产生三磷酸腺苷（ATP），这种化合物为细胞中的关键功能提供能量，如肌肉收缩和帮助神经细胞相互交流的电脉冲。

ATP的产生是一些反应的结果，这些反应是通过质子在分隔线粒体不同区室的膜上的交换而实现的，发生这种反应的效能被称为膜电位（membrane potential）。众所周知，膜电位会随着年龄的增长而下降，是科学界非常感兴趣的一个话题，因为它在一些与年龄有关的疾病（如神经退行性疾病）中具有潜在作用。

这项新的研究涉及到秀丽隐杆线虫，它是一种微小的线虫，与果蝇一样，长期以来一直是科学家们用来理解基本生物原理的研究工具，在许多情况下，这些原理适用于整个动物王国。

为了进行这些实验，来自美国罗切斯特大学、德国农场动物生物学研究所和慕尼黑工业大学的研究人员转向了光遗传学（optogenetics），即一种利用光来控制细胞内生物过程的研究工具。神经科学家利用光遗传学靶向和激活特定的神经元来研究大脑的活动模式。这种工具使得他们能够靶向并操纵秀丽隐杆线虫线粒体的活动---由于这种线虫是透明的，这项任务变得更加容易。

mtON在体内增加线粒体的膜电位。图片来自Nature Aging, 2022, doi:10.1038/s43587-022-00340-7。

这些作者对秀丽隐杆线虫线粒体进行了基因改造，使得它们包含一个从真菌中获得的光激活质子泵，他们于2020年在EMBO Reports期刊的一篇论文中首次描述了这项成就（EMBO Reports, 2020, doi:10.15252/embr.201949113）。在这项新的研究中，当暴露在光线下时，这种质子泵将带电离子移动跨过线粒体膜，利用光线的能量为线粒体充电。 这个被他们称为mitochondria-ON（mtON）的过程增加了膜电位和ATP的产生，并使线虫的寿命增加了30％～40％。

论文第一作者、在罗切斯特大学获得生理学博士学位的Brandon Berry博士说，“线粒体类似于工业发电厂，它们燃烧一种碳源，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是把太阳能电池板连接到现有的发电厂基础设施上。 在这项的研究中，太阳能电池板是光遗传学工具mtON。随后，除了正常的燃烧途径外，正常的线粒体机制还能够利用光能提供ATP。”

这项新的研究很重要，因为它为人们提供了更多关于线粒体在人体中发挥的复杂生物作用的新见解，科学界如今才开始了解这个话题。该研究还开发出一种新的方法来操纵和研究活细胞环境中的线粒体。这可以作为一种研究线粒体以及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正表现。首先在线虫中，就像这项新的研究，但随后在人类细胞培养物和啮齿动物中。这样一来，未来的研究将提供一些信息，以便靶向人类疾病和衰老中最可能的参与者。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

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.rochester.edu/news/story/solar-panels-for-cells-light-activated-proton-pumps-generate-cellular-energy-extend-life