一束可见光,就能在毫秒尺度上精准开关大脑里的特定神经细胞,你敢信吗?10月5日,瑞典卡罗琳医学院宣布将诺贝尔生理学或医学奖授予3位科学家,以表彰他们发现光门控离子通道并开创光遗传学。
很少有人知道,这把"光手术刀"的背后,站着两种肉眼看不见的单细胞微藻:雨生红球藻和莱茵衣藻。今天,我们就顺着微藻这条线索,追溯诺奖背后的源头脉络,并看看微藻从实验室走向应用的想象空间。微藻研究:从测量方法到光控开关
2026年获奖工作中实现光开关功能的蛋白来自莱茵衣藻,但整条技术链的第一块测量地基,是在另一种微藻——雨生红球藻上打下的。
1978年,莫斯科国立大学利特文、西涅什切科夫等学者在雨生红球藻上首次记录到与趋光性相关的光感受器电位,确立了"玻璃微吸管吸附细胞、单侧打光、记录膜电位变化"的标准测量范式;这套方法后来被沿用至莱茵衣藻研究,先后完成视紫红质功能验证、微秒级光电流测量,最终克隆得到通道视紫红质ChR1、ChR2。2005年,博伊登、张锋等人将ChR2导入哺乳动物神经元实现毫秒级光控放电,光遗传学正式诞生。
这里可以补充两个背景:诺奖获奖物种是莱茵衣藻,并非雨生红球藻;1978年雨生红球藻工作的核心贡献是建立测量方法,并非发现通道视紫红质,这项早期成果也并未被遗忘——诺贝尔委员会的官方科学背景报告正文中明确引用了这一工作。
莱茵衣藻与雨生红球藻同属绿藻纲,是亲缘很近的同门,最终走向了不同的发展方向:莱茵衣藻相关研究走到了毫秒级精准调控神经细胞活动的工具阶段,雨生红球藻则作为虾青素的天然来源,从规模化原料生产向高附加值应用场景持续延伸。递送研究:虾青素应用边界拓展
雨生红球藻在强光、高盐、营养匮乏的胁迫环境下,会启动自身类胡萝卜素合成通路,将虾青素积存在细胞脂滴中,这也是目前天然藻源虾青素的主要来源。作为具备良好脂溶性、易于跨越细胞膜的类胡萝卜素,虾青素在天然状态下尚缺乏定向抵达目标位置的精准路径。
近年来科研界围绕它的物理特性,持续探索匹配不同场景的靶向递送方案:表浅部位采用局部缓释设计,深部器官开发循环靶向载体,亚细胞层级构建多级定位系统,研究方向覆盖关节、肝脏、血管斑块等多个探索方向。
表浅部位 · 类风湿性关节炎方向
2025年,宁阳县第一人民医院武英楷等人在苏州大学附属第二医院谢宗刚教授指导下,将虾青素负载入透明质酸甲基丙烯酸酯(HAMA)水凝胶缓释微针,绕过口服吸收损耗,让虾青素在关节局部持续释放。体外实验验证其可通过下调PI3K-AKT通路缓解炎症,在佐剂诱导的关节炎小鼠模型上,关节肿胀与炎症程度明显减轻。器官级靶向 · 酒精性肝损伤方向
2025年,浙江大学邵逸夫医院放射科华峥、胡红杰团队开发了具备酸稳定、肝靶向、活性氧响应三重功能的口服纳米载体,三道关卡各解一道题:耐受胃酸通过胃部、通过循环富集到肝脏、在肝损伤部位的高活性氧环境下才释放虾青素。实验显示口服12小时后,小鼠肝脏荧光强度为非靶向组的1.9倍,肝损伤指标得到缓解。亚细胞级定位 · 动脉粥样硬化方向
2026年,宁夏医科大学与湖南大学联合研究团队(Luo X等)将靶向精度做到了亚细胞层级:虾青素与栀子苷共组装成纳米粒,外层包覆巨噬细胞膜实现斑块归巢,再用三苯基膦修饰实现线粒体定位,形成三级递送接力:先富集到动脉斑块、再被斑块内巨噬细胞摄取、最后定位到线粒体起效。在ApoE⁻/⁻小鼠模型上,主动脉弓脂质沉积面积从11.69%降至2.50%,坏死核心占比从78.55%降至24.76%,斑块内胶原含量从6.26%升至17.98%。通路机制探索 · 2型糖尿病方向
另一类研究不再聚焦递送方式,而是回答"虾青素起效到底作用在哪条通路上"。厦门市健康医疗大数据中心李玲燕等人2025年的动物实验显示:虾青素可降低炎症因子TNF-α水平与果糖胺(FRA)水平,抑制JAK2/STAT3与NF-κB通路,改善高热量饮食诱导的小鼠胰岛素抵抗。另有一项海南医科大学学生团队的网络药理学筛选,得到100个虾青素潜在靶点与2型糖尿病靶点的59个交集,目前尚无实验验证。研究范式升级:精准路径设计
过去十几年行业的技术路径较为集中:开发油剂、制备微囊,靠工艺优化提升生物利用效率。近年研究推进的核心,是把目标从"怎么把虾青素包进载体",升级成"怎么根据目标位置匹配对应的递送方案"。研究的问题从"这个成分本身有什么价值",转向"怎么让它精准抵达、在合适的位置起效"——前者聚焦成分本身的属性,后者设计完整的应用路径。
另一个方向的进展可以作为对照:2026年9月9日,美国FDA受理了Nanoscope公司光遗传学基因疗法MOGENRY的生物制品许可申请,这是第一个走到监管审评环节的光遗传学疗法。它和虾青素研究没有直接关系,但值得留意的是:这款产品已经不再使用莱茵衣藻的天然ChR2,而是人工设计合成的多特征视蛋白——从天然分子到工程化分子,整个领域已经走完了从实验室发现到监管申报的完整路径。把一种藻的代谢途径搬进另一种藻
我们需要先分清一件事:市面上叫虾青素的产品,虾青素成分来源并不一样。雨生红球藻的虾青素是藻细胞自己合成出来的——在强光、高盐、营养匮乏这类胁迫条件下,它启动自身的类胡萝卜素合成通路,把虾青素积存在细胞内的脂滴里。这类天然藻源虾青素以左旋构型为主,并伴随高比例全反式结构。而化学合成虾青素走的是另一条路:它的三种立体构型比例接近1:2:1,以内消旋型为主,左旋构型占比很低;红发夫酵母发酵来源的虾青素则主要为右旋构型。这三者在分子构型、生物活性与生物利用度上并不等同。
在这三者之间,雨生红球藻的独特之处是:它天然就能把虾青素造出来,不需要外源添加。但也正因为如此,把这份能力搬到生长更快、培养效率更高的其他藻种里,成了一个自然的研究课题。
莱茵衣藻最早是研究光遗传学的模式生物,现在开始承担另一个角色:生产底盘。2026年青岛科技大学化工学院姬越、徐梅、苏忠亮团队,将雨生红球藻中参与虾青素合成的两个关键酶基因bkt与crtZ导入莱茵衣藻,获得稳定遗传的工程藻株BZ3,其虾青素含量约为野生型莱茵衣藻的3.76倍,叠加高盐胁迫后含量还会进一步提升。
换句话说,雨生红球藻负责提供一条已经跑通的合成通路,莱茵衣藻负责提供更高的培养效率——这是一次针对产能的工程改造,与化学合成得到的虾青素不是一回事。产业家底:产量背后的成长期状态
根据云南省农业农村厅2025年对省政协第783号提案的公开答复,云南雨生红球藻核心产区集中在楚雄、昆明等滇中区域,当前产业底数如下:
目前云南雨生红球藻深加工产品涵盖红球藻油、微囊粉、软胶囊、固体饮料,产量占全国八成以上。官方答复也明确指出,该产业仍处于成长期,受技术瓶颈、资金壁垒、产业短板与国际竞争四重制约——今天的规模主要是原料端的规模,向高附加值延伸的空间仍然充足。
随着"十五五"规划在未来产业前瞻布局中推动生物制造成为新的经济增长点、生物医药又被明确为新兴支柱产业,未来生物产业将迎来"产业培育+产业壮大"的双重政策利好,而已逐渐实现规模化产业化的云南雨生红球藻产业,正是其中资源禀赋突出、产业化基础扎实的典型代表。未来产业节点想象:微藻平台
实验室侧,微藻的"可设计性"已经露出轮廓:2024年,暨南大学辛洪宝团队在《PhotoniX》发表的工作中,用光激活微藻感光器,实现了微藻机器人的可控变形与导航;在体外模型中,微藻机器人可穿越细胞集群,向指定位置递送药物,并实现目标的选择性清除。
该研究展示的是递送与释放环节的操控能力,靶向释放的稳定性仍需持续优化,这也是后续技术迭代的核心课题。它提示我们:微藻的想象力不止于"被培养、被提取",还在于"被编程、被导航、被精准释放"。
从诺奖级的光控工具,到已经实现产业化应用的雨生红球藻虾青素产业,微藻正在完成一次身份转换:不再只是被动的产品来源,而有机会成为可设计的生物平台。莱茵衣藻贡献了光开关,雨生红球藻则跑通了天然产物合成与规模化;合成生物学可以把合成通路搬进更高效的底盘,靶向递送可以把活性分子送往更精确的位置。
未来,这些模块若能像积木一样拼接——一端是规模化培养和天然产物制造,一端是光控、工程改造和精准递送——微藻就可能从显微镜下的模式生物,变成可按特定需求设计的"生物微工厂"和"微型递送平台"。
参考资料
1.Litvin F F, Sineshchekov O A, Sineshchekov V A. Photoreceptor electric potential in the phototaxis of the alga Haematococcus pluvialis. Nature, 1978, 271(5644): 476-478.
2.Foster K W, Saranak J, Patel N, et al. A rhodopsin is the functional photoreceptor for phototaxis in the unicellular eukaryote Chlamydomonas. Nature, 1984, 311(5988): 756-759.
3.Harz H, Hegemann P. Rhodopsin-regulated calcium currents in Chlamydomonas. Nature, 1991, 351(6326): 489-491.
4.Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, et al. Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae. Science, 2002, 296(5577): 2395-2398.
5.Nagel G, Szellas T, Huhn W, et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. PNAS, 2003, 100(24): 13940-13945.
6.Boyden E S, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience, 2005, 8(9): 1263-1268.
7.诺贝尔委员会. 2026年诺贝尔生理学或医学奖科学背景报告:光门控离子通道与光遗传学. 2026-10-05.
8.Nanoscope Therapeutics. FDA受理MOGENRY生物制品许可申请新闻稿. 2026-09-09.
9.武英楷, 等. 虾青素负载HAMA水凝胶微针经PI3K-AKT通路缓解类风湿性关节炎. Materials & Design, 2025.
10.华峥, 胡红杰, 等. 级联肝靶向活性氧响应纳米颗粒口服递送虾青素改善酒精性肝损伤. Chemical Engineering Journal, 2025, 521: 166412.
11.Luo X, 等. 虾青素-栀子苷共组装纳米系统靶向修复巨噬细胞线粒体功能治疗动脉粥样硬化. Chemical Engineering Journal, 2026.
12.李玲燕, 李明, 杨辉, 等. 基于网络药理学研究虾青素逆转2型糖尿病小鼠胰岛素抵抗的分子机制. 食品科学, 2025, 46(12): 213-219.
13.姬越, 徐梅, 苏忠亮. 通过基因工程复合高盐胁迫提高莱茵衣藻中类胡萝卜素含量. 青岛科技大学学报(自然科学版), 2026, 47(3): 25-32.
14.Xiong J, He Z, Zhu G, 等. 光子纳米喷流调控具备可控变形与导航能力的软体微藻机器人. PhotoniX, 2024, 5(1): 43.
本文仅作知识分享,不构成任何学术参考、医疗或投资建议。个人资料梳理与认知范围有限,细节内容若有出入,欢迎大家留言补充指正。部分配图为AI生成示意图,内容涉及的虾青素研究均处于细胞实验、动物模型或网络药理学阶段,尚未进入人体临床试验,动物实验结果不等同于人体效果,请理性辨别。
点个「❤」,分享精彩
觉得有用,欢迎点赞、转发到朋友圈