老化！是生物界大家都逃不过的命运。从古至今，人类一直在追寻延长生命的方式。粒线体功能障碍在衰老中起著核心作用，但确切的生物学原因科学界仍不完全清楚。近期，抗老领域又有了新的斩获。< Nature Aging > 上的一项新研究借鉴了可再生能源领域的经验，表明基因工程粒线体 ( mitochondria ) 可以将光能转化为细胞可以使用的化学能，最终延长线虫 ( roundworm ) 寿命。
虽然目前对人类而言，利用阳光为细胞充电的前景仍然像科幻小说般不着边际，但这些发现的确揭示了衰老过程中的重要机制。
该研究的资深作者，罗切斯特大学医学中心 ( Rochester Medical Center ) 的副教授 Andrew Wojtovich 博士说：“我们知道粒线体功能障碍是衰老的结果。透过研究发现，使用光能让粒线体简单地促进新陈代谢，可以使实验室蠕虫更长寿、更健康。”
粒线体为细胞提供能量
粒线体是在大多数细胞中可发现的胞器 ( organelles ) ，通常被称为细胞的发电机，因为它利用葡萄糖产生三磷酸腺苷 ( adenosine triphosphate, ATP )这种化合物，为细胞的关键功能提供能量，例如肌肉收缩和帮助神经细胞相互通。
ATP 的产生是许多反应的结果，质子交换 ( protons ) 穿过分隔粒线体不同隔室的膜，这种情况将形成膜电位 ( membrane potential ) ，也就是细胞内及细胞外之间的电压差。膜电位会随着年龄的增长而下降，这是科学界非常感兴趣的话题，因为它在许多与年龄相关的疾病（例如神经退化性疾病）中具有潜在作用。
这项新研究涉及秀丽隐杆线虫 ( Caenorhabditis elegans ) ，这是一种微小的蛔虫，与果蝇 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。
为了进行这些实验，来自美国和德国的一组研究人员求助于光遗传学 ( optogenetics ) ，这是一种利用光来控制细胞内生物活动状态的研究工具。神经科学家利用光遗传学来瞄准并活化特定的神经元以研究大脑活动的模式。该工具使研究人员能够准确控制秀丽隐杆线虫中粒线体 ( mitochondria )的活动—由于秀丽隐杆线虫是透明的，使这项任务变得更加容易。
研究人员对秀丽隐杆线虫粒线体进行基因工程改造，使其包含从真菌中获得的光活化质子泵 ( proton pump )，该团队在 2020 年 EMBO Reports 杂志的一篇论文中首次描述了这项成就。本次研究当曝露在光下时，质子泵会移动带电离子穿过膜，利用光能为粒线体充电。这一过程被研究人员称为粒线体开启 (mitochondria-ON, mtON)，增加了膜电位和 ATP 的产生，不仅改善与年龄相关的表型，并延长线虫的寿命达 30-40%，表明挽救与年龄相关的粒线体膜电位下降足以减缓衰老速度并延长健康寿命和寿命。
Brandon Berry 博士是这两项研究的第一作者，他说：“粒线体类似于工业发电厂，它们燃烧的碳源主要是葡萄糖，为细胞产生有用的能量。我们研究所做的，基本上是将光遗传学工具 mtON当作太阳能电池板，连接到现有的发电厂基础设施上。除了正常的燃烧途径外，正常的粒线体机制还能够利用光能提供 ATP。”
这项研究让研究人员更深入地了解粒线体在人体中发挥的复杂生物学作用，而这正是科学界现在才要开始的主题。该研究还创造了一种在活细胞环境中操控和研究粒线体的新方法，可以作为研究粒线体和确定干预和支持功能方法的重要平台。这些发现和新的研究工具将使我们能够进一步研究粒线体，并找出治疗与年龄相关的疾病，以建立更健康的高龄生活。
参考资料：
1. https://www.nature.com/articles/s43587-022-00340-7
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