“鏡像生命”是什么？為什么讓38名諾獎得主害怕到聯(lián)名禁止其人工合成！

2024年12月11日，《Science》雜志發(fā)表了一篇長達299頁的報告《直面“鏡像生命”的風險》（Confronting risks of mirror life）。報告由來自9個國家的38位諾貝爾獎得主和行業(yè)專家聯(lián)合撰寫，呼吁全球禁止對鏡像生命的研究[1]。

圖源：www.science.org

這仿佛一個科幻小說的開頭，但卻是真實的科學討論。

什么是“鏡像生命”？它為什么讓科學家們?nèi)绱丝只牛课覀兊孟葟摹扮R像”這種生命中奇特的現(xiàn)象開始說起。

01、生命的偏好：蛋白質(zhì)向左、DNA向右

當我們站在鏡子前，鏡中反射出來的影像還是我們自己，卻翻轉(zhuǎn)了全部的特征。

在分子層面的微觀世界，也能看到這樣的現(xiàn)象。有些分子就像人的左右手一樣，能以自身鏡像的形式存在，即相互對稱但不可重疊，這種結(jié)構(gòu)互為鏡像關(guān)系的分子，被稱為“手性分子”、“對映異構(gòu)體”或“光學異構(gòu)體”。

互為鏡像的氨基酸化合物，它們具有相同的化學組成和連接方式，但空間排列不同｜圖源：cn.chem-station.com

構(gòu)成生命體的有機分子，絕大多數(shù)都是手性分子。手性分子分左旋（左手性）和右旋（右手性）兩種形式，通常用 L- 表示左旋，D- 表示右旋。當科學家在實驗室合成有機化合物時，獲得的左、右旋分子通常各占一半。

但奇怪的是，在自然界，生命體經(jīng)常偏愛其中一種。除了甘氨酸不具有手性外，其余組成蛋白質(zhì)的氨基酸幾乎都是左旋（L型），而核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）中的核糖都是右旋（D型）[2]。

大自然為何偏愛特定手性仍是謎，但這種選擇深刻影響了生命分子的相互作用。例如，香芹酮分子的左右手性決定了它聞起來像綠薄荷還是藏茴香。實驗室合成的左旋和右旋葡萄糖，味道相同，但只有右旋葡萄糖能被人體代謝供能，因為我們身體里的酶只能處理右旋糖[3]。

想靠左旋葡萄糖減肥？別想了——它不僅昂貴，還會導致腹瀉，倒是可以當瀉藥用[4]。

02、手性藥物的雙面性

藥物分子中普遍存在手性特征。根據(jù)2010年版《中國藥典》的不完全統(tǒng)計，在收錄的1018種不同結(jié)構(gòu)的藥物中，含有手性中心的藥物占比達43.22%。其中31.34%的藥物對其手性構(gòu)型有嚴格要求。

例如左旋氧氟沙星比氧氟沙星更有效，右旋布洛芬作用更強，左旋艾司西普肽蘭使用時所需的劑量更小，副作用更少……

但手性藥物也曾引起過災難。上世紀50年代，著名的對抗妊娠反應(yīng)的藥物沙利度胺（俗稱反應(yīng)停），其右旋化合物的確具有抑制妊娠反應(yīng)和鎮(zhèn)靜作用，可其左旋化合物卻會導致胎兒畸形[5]。

英國一位“海豹畸形兒”和她的父親｜圖源：dailymail.co.uk

可當時的科學界尚不知道鏡像化合物在人體內(nèi)的作用差異竟如此之大，且缺乏檢測手段，制備時無法區(qū)分其手性[6]。

如今，把手性藥物的不同構(gòu)型視為不同的化合物來慎重對待，已經(jīng)成為業(yè)界的共識。監(jiān)管機構(gòu)為此改變了藥理測試和安全性評價的要求。

隨著醫(yī)學的發(fā)展，藥物和治療手段也在不斷進化。我們會更多用到來源于生物的分子（如用一小段蛋白質(zhì)）來制作癌癥靶向藥。它們很有效，但也很容易被人體內(nèi)的酶分解，限制了藥效。

因此，研究人員嘗試使用鏡像倒置的氨基酸分子來合成目標蛋白質(zhì)，說不定它們沒那么容易被人體內(nèi)的酶分解。為了想象這一點，你可以假設(shè)：酶是一只左手棒球手套，當我們投入體內(nèi)的蛋白質(zhì)是右手形態(tài)，棒球手套就沒辦法“套上去”捕捉它。

03、鏡像生命的風險

如今科學家已經(jīng)成功合成了一些鏡像生物分子，如左旋的DNA、具備完整功能的“鏡像酶”等。于是隨著合成生物學的發(fā)展，科學家們展望的問題來了：能不能制造鏡像生命，如鏡像細菌？

鏡像的DNA分子｜圖源作者：theconversation.com；Mark Lorch Mark Lorch

事實上，已經(jīng)有一些研究小組在做這件事。他們合成生物分子，并試圖將其組裝成具備功能、能夠繁殖的細胞。然而很多人提前意識到了其中的風險。

最普遍的擔憂是：一旦這些鏡像細菌被創(chuàng)造出來而又從實驗室中泄露，逃逸到自然環(huán)境中，它們獨特的結(jié)構(gòu)可能讓它們在生態(tài)環(huán)境中所向披靡，形成難以控制的疫情。無論入侵對象是其他細菌、植物、動物還是人類。

記得前方的棒球手套比喻嗎？生物的免疫系統(tǒng)中也有很多由手性分子介導的機制。面對鏡像細菌，免疫系統(tǒng)很可能會束手無策，同理它們也很可能逃避天然手性噬菌體的捕食；常規(guī)藥物同樣會面臨類似的問題。

鏡像細菌可能逃脫免疫系統(tǒng)的識別，無法激活相應(yīng)的免疫細胞去清除它，最終進入血液里，不受控地大量繁殖｜圖源：參考文獻[1]

以目前的技術(shù)進展，科學家們預測至少還需10年才可能制造出真正的鏡像細菌。但這一過程遠不只是將左旋DNA裝入右旋蛋白質(zhì)的外殼那么簡單。一旦失控，其影響可能難以預測，甚至引發(fā)生態(tài)災難[7]。因此，許多科學家認為應(yīng)采取謹慎態(tài)度。

也有科學家持反對意見，像德克薩斯州大學奧斯汀分校的合成生物學家安德魯?艾靈頓就認為“這像是擔心30后年會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)犯罪，就禁止現(xiàn)在使用晶體管”。

然而，從聯(lián)合報告的態(tài)度中可見，科學家們還是認為這樣的風險不值得去冒，他們建議全面禁止制造鏡像細菌的研究，并呼吁各機構(gòu)停止資助此類項目。因為，即使鏡像細菌不如它的自然同胞們有活力，一旦它能逃避自然免疫機制，就可能帶來不可控的生物安全威脅，這將對整個世界造成毀滅性的打擊。

參考文獻

[1] Adamala et al. Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. December 2024.https://doi.org/10.25740/cv716pj4036

[2] 王文清. 生命起源中的對稱性破缺[J]. 北京大學學報 (自然科學版), 1997, 33 (2): 265-272.

[3]岳奎元. 手性，生命中的奇特現(xiàn)象[OL]. 中國科學院成都分院 http://www.cdb.cas.cn/kyzc/kysb/201406/t20140625_4143907.html

[4]邁克爾·卡斯韋爾、愛德華·德萊尼、穆罕默德·拉赫曼. L-糖結(jié)腸清潔劑及其應(yīng)用[P].2012，CN 102448976 A

[5]章偉光, 張仕林, 郭棟, 趙檑, 于臘佳, 章慧, 何裕建. 關(guān)注手性藥物：從“反應(yīng)停事件”說起. 大學化學[J], 2019, 34(9): 1-12 doi:10.3866/PKU.DXHX201904021

[6]Hoffmann, R. The Same and Not the Same; Columbia University Press: New York, 1995.

[7]Bob Service，Leading scientists warn against developing ‘mirror-image’ bacteria，doi: 10.1126/science.zmatxfw

作者：萬三

策劃&編輯：小小蒲公英

鳴謝：中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心博士胡志國為本文提供科學指導

封面圖源：National Institute for Allergy and Infectious Diseases