在工業革命后，人類的能源主要來源于化石能源，這種獲取能源的方式既污染環境又不具有可持續性。因此，通過模仿自然生物產生能量的方式生產能源是目前一個重要的研究方向。這類方式的本質是通過技術手段模仿光合作用，呼吸作用等生命過程的基本原理。借助介紹相關技術，有利于普及基礎的生物學知識同時提高環境保護認識，提高科學素養。也會提出相關技術有可能的發展前景以及目前面臨的發展問題和可能的改進方案。

　　本文主要介紹植物細胞器跨物種遞送到動物細胞技術，該技術的主要原理分為三個部分，分別是在光合作用中，類囊體發揮的作用，細胞膜偽裝改性以及ATP和NADPH對細胞合成代謝的作用。

圖片來源：百度經驗(光合作用的色素,顏色和吸收的光譜分別是什么)

　　首先介紹類囊體，類囊體是植物細胞葉綠體中的膜性結構，其基本形態為扁平的囊狀膜結構，單層膜包裹著類囊體腔。多個類囊體堆疊形成基粒，基粒間通過基質類囊體相互連接，構成連續的膜網絡，并以此增加光合反應的表面積。類囊體膜富含光合色素、蛋白復合及電子載體，是光能轉化的核心功能區。類囊體在光合作用中發揮著關鍵作用，其膜上的分布的光合色素可以吸收光能并將光能轉化成電能以啟動電子傳遞鏈，電子在類囊體膜上的蛋白復合體間傳遞，同時將類囊體腔外的質子(H⁺)泵入腔內，形成跨膜質子濃度梯度，為ATP合成提供動力。上述質子梯度的勢能可以使ATP合成酶催化ADP和Pi生成ATP,電子傳遞最終還原生成NADPH。該研究就是利用類囊體在光合作用光反應中生成ATP和NADPH的能力來幫助動物解決病理性的ATP和NADPH缺失的問題。

　　細胞偽裝改性是利用同源靶向等生物特性，使植物細胞中的類囊體能夠順利進入動物細胞中發揮作用。之所以需要這一步驟，是因為動物細胞的免疫系統會攻擊類囊體產生排異反應，一方面是T細胞介導的細胞免疫，活化的效應T細胞會直接殺傷l類囊體，還會釋放炎癥因子造成其他免疫細胞加劇損傷;另一方面是抗體介導的體液免疫，B細胞產生的特異性抗體結合類囊體抗原后，會激活補體系統，引發炎癥反應并破壞類囊體。因此需要對類囊體進行細胞偽裝改性。本研究中利用了特定的成熟細胞膜來完成這一過程。

　　ATP和NADPH在細胞合成代謝中發揮重要作用，ATP是細胞中的通用能量載體，其分子中遠離腺苷的高能磷酸鍵儲存化學能，在水解時大量釋放能量，為合成代謝提供動力，同時，其能量也可以通過驅動其他代謝過程，為合成代謝提供需要的原料。NADPH則具有很強的還原性，將小分子還原為大分子。二者共同配合，在細胞合成代謝中發揮作用，因此，當動物因病理而缺失這2種物質時，需要引入類囊體。

　　總之，該研究的原理簡單講就是通過細胞偽裝改性將植物中的類囊體移植到動物中滿足動物細胞需要。

　　由于光合作用實質上是細胞利用光能，將無機環境中的二氧化碳和水轉化為儲存化學能的有機物，同時釋放氧氣的過程，如果可以使動物進行這一過程，就能夠極大提高包括人類在內的動物適應極端條件的能力。研究已經證明了其在治療骨關節炎中的巨大潛力，而如果能夠更完整的實現光合作用在動物體內的過程，則有可能使人類通過光照補充細胞中的ATP和NADPH以起到抵抗衰老的作用。

　　當前植物細胞跨物種傳遞仍具有安全性不足，應用場景較少和效率不高的問題，針對這些問題，可以嘗試將更多光合作用相關過程引入動物，以提升該技術的應用場景，同時，需要結合不同動物的生理特點，選擇性提高ATP和NADPH合成效率。助力宜居地球建設。

　　大自然的規律是復雜的，科研人員通過對不同自然規律的研究與模仿，發明利用不同的技術用于人類生活的改善和環境能源問題的解決。這啟示我們尊重自然，注重對生物學基礎知識的理解與應用。

　　本文作者：廈門大學環境與生態學院白宇江。

　　本文由海洋負排放(ONCE)國際大科學計劃、廈門大學碳中和創新研究中心支持。

責編：微科普