12 月 11 日，國際頂級期刊《科學(xué)》（Science）刊發(fā)了一篇題為《應(yīng)對“鏡像生物”風(fēng)險》的重要文章，深入探討了研究和創(chuàng)造“鏡像生命”微生物可能對地球生命構(gòu)成的“前所未有的風(fēng)險”。
這篇文章由來自全球 9 個國家的 38 位頂尖科學(xué)家聯(lián)合撰寫，團隊中包括兩位諾貝爾獎獲得者以及合成生物學(xué)、免疫學(xué)、植物病理學(xué)、生態(tài)學(xué)、進化生物學(xué)和行星科學(xué)領(lǐng)域的國際領(lǐng)軍人物。文章還附帶一份長達 300 頁的詳細(xì)技術(shù)報告，為分析提供了深入的技術(shù)支持。
面對“鏡像生物”的風(fēng)險（來源：文獻1）
陣勢這么大，這個“鏡像生命”是不是會造成極大的危害呢？這里先給大家寬寬心，這篇文章極具前瞻性，它旨在提醒業(yè)界研究“鏡像生命”時要充分考慮其風(fēng)險，而“鏡像生命”目前離廣大普通人的生活還遠(yuǎn)得很，不必因此擔(dān)心。
那么，到底什么是“鏡像生命”，它們又可能帶來怎樣的風(fēng)險呢？這得先從“鏡像分子”說起。
生命中的“鏡像分子”
人的左右手，會在鏡子中映出彼此的摸樣，但又永遠(yuǎn)不可能重合在一起。一些跟生命密切相關(guān)的分子，也有這樣的特性，根據(jù)其特性有左旋、右旋之分，這可能帶給這些分子截然不同的功能。
鏡像就是相互對稱但不可重疊(來源:作者 AI 生成)
例如，在藥物領(lǐng)域，左旋和右旋分子的手性差異可以決定一款藥物的療效甚至用途。
左旋多巴是一種治療帕金森病的核心藥物，因為它能被人體高效代謝為多巴胺，而右旋多巴則幾乎無效；右美沙芬是一種止咳藥，而它的左旋對映體卻有鎮(zhèn)痛作用，顯示出完全不同的生理效果。還有就是氨氯地平，其左旋體不僅降壓效果更強，副作用更少，而右旋體卻能改善血管內(nèi)皮功能，從而對心血管健康有保護作用。
這方面也有過慘痛的教訓(xùn)，來自一種曾被廣泛使用的減輕妊娠反應(yīng)的藥物，名叫“沙利度胺”（商品名叫“反應(yīng)停”）。
它的兩種對映體中，一種可以幫助孕婦減輕妊娠反應(yīng)，而另一種則會導(dǎo)致出現(xiàn)“海豹胎”畸形，當(dāng)年由于對藥物作用的認(rèn)識不足，也缺乏檢測和分離的手段，導(dǎo)致藥物中同時含兩種對映體，結(jié)果讓很多服用沙利度胺的孕婦，生下了畸形寶寶。
圖片截自文獻9
藥物的手性在不同環(huán)境中也會產(chǎn)生有趣的變化，麻黃堿在水溶液中表現(xiàn)為左旋，而在乙醇溶液中則變成右旋。雖然左旋和右旋分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)幾乎相同，但在生物體內(nèi)的表現(xiàn)可能截然不同，這也讓手性成為藥物開發(fā)中的重要研究方向。
在食物與營養(yǎng)領(lǐng)域，葡萄糖是我們?nèi)粘ｏ嬍持谐Ｒ姷奶穷愔?，它是右旋的，這種形式可以被人體吸收并作為能量來源。而它的鏡像分子，左旋葡萄糖，雖然化學(xué)結(jié)構(gòu)相同，但無法被人體代謝，因此僅能作為甜味劑添加到食品中。
鏡像的葡萄糖分子和丙氨酸分子（來源：文獻2）
乳酸也具有手性的多樣性。左旋乳酸（L-乳酸）在人體中是重要的代謝產(chǎn)物，尤其在肌肉中產(chǎn)生，幫助提供能量。而右旋乳酸（D-乳酸）則在發(fā)酵食品中大量存在，如酸奶和泡菜，能夠與人體共存，并且賦予這些食品獨特的風(fēng)味。
再往遠(yuǎn)了說一點，對部分農(nóng)藥來說，手性差異更是性命攸關(guān)……
了解了“鏡像分子”，就可以聊聊什么是“鏡像生命”了。
鏡像生命是什么，危險在哪兒？
鏡像生命是一種假設(shè)的生命形式，其分子結(jié)構(gòu)是地球生命分子的鏡像版本。鏡像生命的分子手性與目前的地球生命完全相反，這一特性將對現(xiàn)有生物的免疫系統(tǒng)構(gòu)成極大的挑戰(zhàn)。
免疫系統(tǒng)依賴于手性分子之間的精確識別和相互作用，例如天然氨基酸和糖構(gòu)成的抗原能夠被免疫系統(tǒng)高效處理。然而，鏡像蛋白和核酸由于其分子結(jié)構(gòu)的手性完全顛倒，無法被現(xiàn)有的免疫機制有效分解。
例如，實驗表明，鏡像蛋白能夠抵抗常規(guī)酶的降解，無法產(chǎn)生短肽片段供主要組織相容性復(fù)合體（MHC）呈遞，這直接導(dǎo)致了抗原識別的障礙。此外，適應(yīng)性免疫系統(tǒng)中的T細(xì)胞和B細(xì)胞需要依賴抗原信號啟動，但面對鏡像分子時，它們無法識別這些信號，進而阻礙了抗體生成和細(xì)胞免疫反應(yīng)。
圖片由AI生成
如果鏡像微生物侵入人體或其他生物，由于免疫系統(tǒng)幾乎完全無法識別其結(jié)構(gòu)，它們可能繞過免疫防線并迅速在宿主體內(nèi)擴散。
健康個體的免疫系統(tǒng)能夠清除侵入的天然手性細(xì)菌，但鏡像微生物卻能夠逃避包括先天性免疫（如補體系統(tǒng)）和適應(yīng)性免疫的多種防御機制。
例如，鏡像細(xì)菌不會激活補體系統(tǒng)中的經(jīng)典途徑或旁路途徑，進而避免溶解或被標(biāo)記吞噬。此外，許多抗菌肽因?qū)κ中愿叨让舾?，無法與鏡像微生物發(fā)生有效作用，進一步削弱了先天免疫的保護功能。
在這種情況下，鏡像微生物的生存和繁殖可能對宿主造成嚴(yán)重?fù)p害。特別是在屏障組織如皮膚、腸道和呼吸道受損時，鏡像微生物可能輕松跨越這些天然屏障并進入體內(nèi)深層組織。一旦到達這些部位，鏡像微生物將可能利用宿主體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)快速增殖。由于沒有有效的免疫反應(yīng)來控制感染，它們在體內(nèi)的擴散可能引發(fā)致命性疾病。
《科學(xué)》的文章內(nèi)容還表示，鏡像微生物不僅對宿主個體的健康構(gòu)成直接威脅，還可能在種群層面引發(fā)更廣泛的感染擴散。由于其獨特的免疫逃逸能力，一旦傳播開來，鏡像微生物可能成為生物防御領(lǐng)域中難以控制的重大風(fēng)險。這種現(xiàn)象也突顯了鏡像生命研究在倫理、安全和治理方面的重要性生態(tài)系統(tǒng)的入侵和破壞。
當(dāng)然，考慮到我們體內(nèi)部分營養(yǎng)物質(zhì)分子也是手性的，正如左手無法舒適地適應(yīng)右手手套，鏡像微生物可能無法正常利用這些營養(yǎng)物質(zhì)，從這個角度來看，或許鏡像微生物的繁殖速度會打折扣，但前面說的這些風(fēng)險仍然不容忽視。
鏡像生命，科學(xué)界現(xiàn)在做到哪了？
鏡像生命由左旋核苷酸組成DNA，由右旋氨基酸組成蛋白質(zhì)，這種生命形式在地球自然界中尚未發(fā)現(xiàn)，但可能通過合成生物學(xué)技術(shù)在實驗室中實現(xiàn)。
首先是鏡像生物分子的化學(xué)合成，在 2022 年，研究人員成功化學(xué)合成了一種約 100 千道爾頓（kDa）的鏡像 T7 RNA 聚合酶。這種酶能夠高效、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)錄全長長達 2900 個堿基的鏡像 5S、16S 和 23S 核糖體 RNA，這些 RNA 構(gòu)成了鏡像核糖體的結(jié)構(gòu)，而催化核心鏡像蛋白質(zhì)的合成也取得了突破。
有了鏡像 RNA 和核糖體，就該合成蛋白質(zhì)了。
免疫原性是蛋白質(zhì)治療領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)之一，尤其是長期使用蛋白質(zhì)治療藥物會導(dǎo)致抗藥抗體（ADAs）的生成，從而降低藥物療效并引發(fā)不良反應(yīng)。
解決這一問題的一種有前景的方法是使用由 D-型氨基酸組成的鏡像蛋白，這類蛋白對免疫細(xì)胞中的蛋白酶降解具有抗性。近有研究表明，抗體重鏈可變區(qū)的對映體形式（d-VHH）的化學(xué)合成，這種新型 d-VHH 篩選平臺在開發(fā)具有低免疫原性和更高療效的蛋白質(zhì)治療劑中的潛在應(yīng)用價值。
既然可以合成鏡像的 RNA、蛋白質(zhì)等生命分子，合成鏡像細(xì)胞還會遠(yuǎn)嗎？當(dāng)前的合成生物學(xué)項目正在嘗試從非生命物質(zhì)中構(gòu)建完全人工的細(xì)胞，科學(xué)家們正在嘗試使用鏡像分子（如鏡像 DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)）組裝完整的合成細(xì)胞。
此外，有研究正試圖改造天然細(xì)菌，使其能夠在體內(nèi)生成鏡像分子，作為逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殓R像生命的過渡階段。鏡像生命的核心障礙在于合成復(fù)雜分子系統(tǒng)和解決高成本問題。
總結(jié)
鏡像生命的研究無疑揭開了科學(xué)前沿的一角，但它也帶來了巨大的倫理、安全與生態(tài)挑戰(zhàn)。這項研究從分子基礎(chǔ)到系統(tǒng)構(gòu)建的進展，展現(xiàn)了人類對未知生命形式的探索熱情，同時也提醒科學(xué)家們謹(jǐn)慎行事。
這種探索既可能為醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)等領(lǐng)域帶來革命性突破，也可能因技術(shù)濫用或疏忽而引發(fā)不可預(yù)見的風(fēng)險。正如《科學(xué)》文章中所呼吁的，我們應(yīng)在開放研究的同時，建立健全的監(jiān)管框架，確?？茖W(xué)進步與社會安全的平衡。
鏡像生命，或許是一個潘多拉魔盒，但掌控開盒之匙的關(guān)鍵，仍在于科學(xué)家和全社會的共同智慧與理性思考。
好消息是，鏡像生命在短期內(nèi)并不會成為威脅，因為目前的技術(shù)仍然不足以構(gòu)建完整的鏡像生命，既然科學(xué)界已經(jīng)早早意識到了可能的風(fēng)險，在真正實現(xiàn)鏡像生命技術(shù)之前（可能需要 10~30 年），我們來得及做好充分準(zhǔn)備。
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策劃制作
作者丨Denovo 科普作者
審核丨胡啟文 陸軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)教研室副教授
策劃丨丁崝
責(zé)編丨丁崝
審校丨徐來、林林
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