在工业革命后，人类的能源主要来源于化石能源，这种获取能源的方式既污染环境又不具有可持续性。因此，通过模仿自然生物产生能量的方式生产能源是目前一个重要的研究方向。这类方式的本质是通过技术手段模仿光合作用，呼吸作用等生命过程的基本原理。借助介绍相关技术，有利于普及基础的生物学知识同时提高环境保护认识，提高科学素养。也会提出相关技术有可能的发展前景以及目前面临的发展问题和可能的改进方案。
本文主要介绍植物细胞器跨物种递送到动物细胞技术，该技术的主要原理分为三个部分，分别是在光合作用中，类囊体发挥的作用，细胞膜伪装改性以及ATP和NADPH对细胞合成代谢的作用。
图片来源：百度经验(光合作用的色素,颜色和吸收的光谱分别是什么)
首先介绍类囊体，类囊体是植物细胞叶绿体中的膜性结构，其基本形态为扁平的囊状膜结构，单层膜包裹着类囊体腔。多个类囊体堆叠形成基粒，基粒间通过基质类囊体相互连接，构成连续的膜网络，并以此增加光合反应的表面积。类囊体膜富含光合色素、蛋白复合及电子载体，是光能转化的核心功能区。类囊体在光合作用中发挥着关键作用，其膜上的分布的光合色素可以吸收光能并将光能转化成电能以启动电子传递链，电子在类囊体膜上的蛋白复合体间传递，同时将类囊体腔外的质子(H⁺)泵入腔内，形成跨膜质子浓度梯度，为ATP合成提供动力。上述质子梯度的势能可以使ATP合成酶催化ADP和Pi生成ATP,电子传递最终还原生成NADPH。该研究就是利用类囊体在光合作用光反应中生成ATP和NADPH的能力来帮助动物解决病理性的ATP和NADPH缺失的问题。
细胞伪装改性是利用同源靶向等生物特性，使植物细胞中的类囊体能够顺利进入动物细胞中发挥作用。之所以需要这一步骤，是因为动物细胞的免疫系统会攻击类囊体产生排异反应，一方面是T细胞介导的细胞免疫，活化的效应T细胞会直接杀伤l类囊体，还会释放炎症因子造成其他免疫细胞加剧损伤;另一方面是抗体介导的体液免疫，B细胞产生的特异性抗体结合类囊体抗原后，会激活补体系统，引发炎症反应并破坏类囊体。因此需要对类囊体进行细胞伪装改性。本研究中利用了特定的成熟细胞膜来完成这一过程。
ATP和NADPH在细胞合成代谢中发挥重要作用，ATP是细胞中的通用能量载体，其分子中远离腺苷的高能磷酸键储存化学能，在水解时大量释放能量，为合成代谢提供动力，同时，其能量也可以通过驱动其他代谢过程，为合成代谢提供需要的原料。NADPH则具有很强的还原性，将小分子还原为大分子。二者共同配合，在细胞合成代谢中发挥作用，因此，当动物因病理而缺失这2种物质时，需要引入类囊体。
总之，该研究的原理简单讲就是通过细胞伪装改性将植物中的类囊体移植到动物中满足动物细胞需要。
由于光合作用实质上是细胞利用光能，将无机环境中的二氧化碳和水转化为储存化学能的有机物，同时释放氧气的过程，如果可以使动物进行这一过程，就能够极大提高包括人类在内的动物适应极端条件的能力。研究已经证明了其在治疗骨关节炎中的巨大潜力，而如果能够更完整的实现光合作用在动物体内的过程，则有可能使人类通过光照补充细胞中的ATP和NADPH以起到抵抗衰老的作用。
当前植物细胞跨物种传递仍具有安全性不足，应用场景较少和效率不高的问题，针对这些问题，可以尝试将更多光合作用相关过程引入动物，以提升该技术的应用场景，同时，需要结合不同动物的生理特点，选择性提高ATP和NADPH合成效率。助力宜居地球建设。
大自然的规律是复杂的，科研人员通过对不同自然规律的研究与模仿，发明利用不同的技术用于人类生活的改善和环境能源问题的解决。这启示我们尊重自然，注重对生物学基础知识的理解与应用。
本文作者：厦门大学环境与生态学院白宇江。
本文由海洋负排放(ONCE)国际大科学计划、厦门大学碳中和创新研究中心支持。
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