老化！是生物界大家都逃不過的命運。從古至今，人類一直在追尋延長生命的方式。粒線體功能障礙在衰老中起著核心作用，但確切的生物學原因科學界仍不完全清楚。近期，抗老領域又有了新的斬獲。< Nature Aging > 上的一項新研究借鑒了可再生能源領域的經驗，表明基因工程粒線體 ( mitochondria ) 可以將光能轉化為細胞可以使用的化學能，最終延長線蟲 ( roundworm ) 壽命。
雖然目前對人類而言，利用陽光為細胞充電的前景仍然像科幻小說般不著邊際，但這些發現的確揭示了衰老過程中的重要機制。
該研究的資深作者，羅切斯特大學醫學中心 ( Rochester Medical Center ) 的副教授 Andrew Wojtovich 博士說：「我們知道粒線體功能障礙是衰老的結果。透過研究發現，使用光能讓粒線體簡單地促進新陳代謝，可以使實驗室蠕蟲更長壽、更健康。」
粒線體為細胞提供能量
粒線體是在大多數細胞中可發現的胞器 ( organelles ) ，通常被稱為細胞的發電機，因為它利用葡萄糖產生三磷酸腺苷 ( adenosine triphosphate, ATP )這種化合物，為細胞的關鍵功能提供能量，例如肌肉收縮和幫助神經細胞相互通。
ATP 的產生是許多反應的結果，質子交換 ( protons ) 穿過分隔粒線體不同隔室的膜，這種情況將形成膜電位 ( membrane potential ) ，也就是細胞內及細胞外之間的電壓差。膜電位會隨著年齡的增長而下降，這是科學界非常感興趣的話題，因為它在許多與年齡相關的疾病（例如神經退化性疾病）中具有潛在作用。
這項新研究涉及秀麗隱桿線蟲 ( Caenorhabditis elegans ) ，這是一種微小的蛔蟲，與果蠅 一樣，長期以來一直是科學家用來了解基本生物學原理的研究工具，在許多情況下，這些原理適用於整個動物界。
為了進行這些實驗，來自美國和德國的一組研究人員求助於光遺傳學 ( optogenetics ) ，這是一種利用光來控制細胞內生物活動狀態的研究工具。神經科學家利用光遺傳學來瞄準並活化特定的神經元以研究大腦活動的模式。該工具使研究人員能夠準確控制秀麗隱桿線蟲中粒線體 ( mitochondria )的活動—由於秀麗隱桿線蟲是透明的，使這項任務變得更加容易。
研究人員對秀麗隱桿線蟲粒線體進行基因工程改造，使其包含從真菌中獲得的光活化質子泵 ( proton pump )，該團隊在 2020 年 EMBO Reports 雜誌的一篇論文中首次描述了這項成就。本次研究當曝露在光下時，質子泵會移動帶電離子穿過膜，利用光能為粒線體充電。這一過程被研究人員稱為粒線體開啟 (mitochondria-ON, mtON)，增加了膜電位和 ATP 的產生，不僅改善與年齡相關的表型，並延長線蟲的壽命達 30-40%，表明挽救與年齡相關的粒線體膜電位下降足以減緩衰老速度並延長健康壽命和壽命。
Brandon Berry 博士是這兩項研究的第一作者，他說：「粒線體類似於工業發電廠，它們燃燒的碳源主要是葡萄糖，為細胞產生有用的能量。我們研究所做的，基本上是將光遺傳學工具 mtON當作太陽能電池板，連接到現有的發電廠基礎設施上。除了正常的燃燒途徑外，正常的粒線體機制還能夠利用光能提供 ATP。」
這項研究讓研究人員更深入地了解粒線體在人體中發揮的複雜生物學作用，而這正是科學界現在才要開始的主題。該研究還創造了一種在活細胞環境中操控和研究粒線體的新方法，可以作為研究粒線體和確定干預和支持功能方法的重要平台。這些發現和新的研究工具將使我們能夠進一步研究粒線體，並找出治療與年齡相關的疾病，以建立更健康的高齡生活。
參考資料：
1. https://www.nature.com/articles/s43587-022-00340-7
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