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大脑缺氧，植入绿藻？

晰数塔互联网快讯
2021-11-16 09:19

动物不像植物那样能通过光合作用产生氧气——然而要给我们的大脑提供大量能量，必然需要氧气。在一篇新发表于iScience期刊的论文中，研究者找到了一种利用光合作用给动物大脑神经元供氧的方法：他们将蓝藻（cyanobacteria）或绿藻（green algae）注射到非洲爪蟾（Xenopus laevis）的蝌蚪体内，并剥夺氧气，迫使大脑活动停止。再将动物暴露在光照下时，体内的微生物能够产生氧气，继续维持神经活动。

来自新泽西罗文大学的神经科学家戴安娜·马丁内斯（Diana Martinez）评论说：“能否利用进行光合作用的生物，来提升大脑中的氧气含量？这篇文章的作者们采用了一种优雅、很容易重复的实验手段来探究该问题。”该研究第一次在原理上证明了：利用自然资源能解决病理性损伤导致的大脑缺氧，例如心脏病发作和中风。

慕尼黑大学的神经科学家汉斯·斯特拉卡（Hans Straka）和他的团队对大脑中的耗氧很感兴趣，他们采用成熟的技术移除了蝌蚪的头部，让蝌蚪在有氧气和营养供应的液体环境中存活了几天，并使其保有生理机能。斯特拉卡和慕尼黑大学的植物生物学家约格·尼克尔森（Jörg Nickelsen）在吃午饭时萌发了合作项目的想法，并讨论出解决方案：探究能否利用进行光合作用的微生物来给大脑供氧。

一只注射绿藻于心脏中的非洲爪蟾

SUZAN ÖZUGUR AND HANS STRAKA

来自瑞士伯尔尼大学的迈拉·查韦斯·罗萨斯（Myra Chávez Rosas）当时是尼克尔森实验室的一名博士后，在当时的实验中，他负责培育能通过光合作用产生氧气的绿藻（Chlamydomonas reinhardtii，莱茵哈特衣藻）和蓝藻（Synechocystis sp. PCC6803）。毕业于斯特拉卡实验室的研究生苏珊·奥祖格（Suzan Özugur）负责将含有绿藻或蓝藻的悬浮液注射到刚发育出前肢的蝌蚪心脏内，心脏在泵血过程中通过血管将微生物输送到大脑的脉管系统。

研究团队发现，在光照环境下，注射了光合作用微生物的实验组，脑室内氧浓度上升，而在对照组动物上（未注射或被注射了无法产生氧气的绿藻/蓝藻突变型）没有观察到该现象。研究者首先去除了水环境中的氧气，通过电生理记录发现，动物大脑主要的神经活动停止了。但通过光照，实验组动物大脑内的神经活动重新开始；停止给光，神经活动再次停止。

虽然这项实验取得了成功，但马丁内斯提醒道：“我们还不清楚这一发现能否用于治疗大脑缺氧的疾病。首要问题是，非洲爪蟾的蝌蚪是透明的，光照很容易穿过皮肤激活光合生物来产生氧气。将这种方法运用到结构更复杂的动物上存在困难，光照无法轻易穿透皮肤到达脑室进而激活光合生物。”另外，除了低氧会导致问题，过氧同样会引发大脑损伤。“因此，如果不能准确地控制这些光合生物产生氧气的速率，这样做带来的危害和缺氧一样可怕。”她补充道，首先在类脑器官和脑切片上测试这项技术，会帮助我们深入了解它的生理学影响。

斯特拉卡承认这项研究还处于初步阶段，想要将这种策略向临床转化还“非常遥远”。短期来看，斯特拉卡的团队将集中攻克几个问题，包括引入光合作用微生物造成的免疫反应，以及微生物产生的糖能否被蝌蚪的大脑利用。

来自宾夕法尼亚州葛底斯堡学院的生物学家瑞安·克尼（Ryan Kerney）并未参与这项新的研究（克尼的研究方向是藻类和蝾螈之间共生关系），他说：“在过去的10年内，有不少研究课题试图建立和藻类的人工共生关系，想要从生物学上拓展或操控脊椎动物的功能。这些研究真的非常激进。”克尼补充道，比起像CRISPR*这样广泛使用的基因改造技术，将微生物人为地插入细胞或其它组织中来调节功能，这些方法大都不规范并且缺乏详细审查。他表示，大量未知因素、以及藻类致病的例子都让这种策略显得有些冒险。“但潜在的应用同样也引人入胜：我们的大脑活动可以摆脱呼吸吗？”

*译者注

CRISPR，clustered regularly interspaced short palindromic repeats，规则成簇的间隔短回文重复序列，从原核生物中提取，其中含有曾经侵入过的噬菌体的基因片段，这些基因片段能帮助研究者准确有效地进行基因编辑。