12 月 11 日，國際頂級期刊《科學》（Science）刊發了一篇題為《應對“鏡像生物”風險》的重要文章，深入探討了研究和創造“鏡像生命”微生物可能對地球生命構成的“前所未有的風險”。
這篇文章由來自全球 9 個國家的 38 位頂尖科學家聯合撰寫，團隊中包括兩位諾貝爾獎獲得者以及合成生物學、免疫學、植物病理學、生態學、進化生物學和行星科學領域的國際領軍人物。文章還附帶一份長達 300 頁的詳細技術報告，為分析提供了深入的技術支持。
面對“鏡像生物”的風險（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，它旨在提醒業界研究“鏡像生命”時要充分考慮其風險，而“鏡像生命”目前離廣大普通人的生活還遠得很，不必因此擔心。
那么，到底什么是“鏡像生命”，它們又可能帶來怎樣的風險呢？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，但又永遠不可能重合在一起。一些跟生命密切相關的分子，也有這樣的特性，根據其特性有左旋、右旋之分，這可能帶給這些分子截然不同的功能。
例如，在藥物領域，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，來自一種曾被廣泛使用的減輕妊娠反應的藥物，名叫“沙利度胺”（商品名叫“反應停”）。它的兩種對映體中，一種可以幫助孕婦減輕妊娠反應，而另一種則會導致出現“海豹胎”畸形，當年由于對藥物作用的認識不足，也缺乏檢測和分離的手段，導致藥物中同時含兩種對映體，結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境中也會產生有趣的變化，麻黃堿在水溶液中表現為左旋，而在乙醇溶液中則變成右旋。雖然左旋和右旋分子的化學結構幾乎相同，但在生物體內的表現可能截然不同，這也讓手性成為藥物開發中的重要研究方向。
在食物與營養領域，葡萄糖是我們日常飲食中最常見的糖類之一，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，雖然化學結構相同，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物，尤其在肌肉中產生，幫助提供能量。而右旋乳酸（D-乳酸）則在發酵食品中大量存在，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味。
再往遠了說一點，對部分農藥來說，手性差異更是性命攸關……
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的生命形式，其分子結構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，這一特性將對現有生物的免疫系統構成極大的挑戰。
免疫系統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成的抗原能夠被免疫系統高效處理。然而，鏡像蛋白和核酸由于其分子結構的手性完全顛倒，無法被現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酶的降解，無法產生短肽片段供主要組織相容性復合體（MHC）呈遞，這直接導致了抗原識別的障礙。此外，適應性免疫系統中的T細胞和B細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胞免疫反應。
圖片由AI生成
如果鏡像微生物侵入人體或其他生物，由于免疫系統幾乎完全無法識別其結構，它們可能繞過免疫防線并迅速在宿主體內擴散。健康個體的免疫系統能夠清除侵入的天然手性細菌，但鏡像微生物卻能夠逃避包括先天性免疫（如補體系統）和適應性免疫的多種防御機制。例如，鏡像細菌不會激活補體系統中的經典途徑或旁路途徑，進而避免溶解或被標記吞噬。此外，許多抗菌肽因對手性高度敏感，無法與鏡像微生物發生有效作用，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重損害。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的營養物質快速增殖。由于沒有有效的免疫反應來控制感染，它們在體內的擴散可能引發致命性疾病。
《科學》的文章內容還表示，鏡像微生物不僅對宿主個體的健康構成直接威脅，還可能在種群層面引發更廣泛的感染擴散。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域中難以控制的重大風險。這種現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系統的入侵和破壞。
當然，考慮到我們體內部分營養物質分子也是手性的，正如左手無法舒適地適應右手手套，鏡像微生物可能無法正常利用這些營養物質，從這個角度來看，或許鏡像微生物的繁殖速度會打折扣，但前面說的這些風險仍然不容忽視。
鏡像生命，科學界現在做到哪了？
鏡像生命由左旋核苷酸組成DNA，由右旋氨基酸組成蛋白質，這種生命形式在地球自然界中尚未發現，但可能通過合成生物學技術在實驗室中實現。
首先是鏡像生物分子的化學合成，在 2022 年，研究人員成功化學合成了一種約 100 千道爾頓（kDa）的鏡像 T7 RNA 聚合酶。這種酶能夠高效、準確地轉錄全長長達 2900 個堿基的鏡像 5S、16S 和 23S 核糖體 RNA，這些 RNA 構成了鏡像核糖體的結構，而催化核心鏡像蛋白質的合成也取得了突破。
有了鏡像 RNA 和核糖體，就該合成蛋白質了。免疫原性是蛋白質治療領域的主要挑戰之一，尤其是長期使用蛋白質治療藥物會導致抗藥抗體（ADAs）的生成，從而降低藥物療效并引發不良反應。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，這類蛋白對免疫細胞中的蛋白酶降解具有抗性。最近有研究表明，抗體重鏈可變區的對映體形式（d-VHH）的化學合成，這種新型 d-VHH 篩選平臺在開發具有低免疫原性和更高療效的蛋白質治療劑中的潛在應用價值。
既然可以合成鏡像的 RNA、蛋白質等生命分子，合成鏡像細胞還會遠嗎？當前的合成生物學項目正在嘗試從非生命物質中構建完全人工的細胞，科學家們正在嘗試使用鏡像分子（如鏡像 DNA、蛋白質和脂質）組裝完整的合成細胞。此外，有研究正試圖改造天然細菌，使其能夠在體內生成鏡像分子，作為逐步轉變為鏡像生命的過渡階段。鏡像生命的核心障礙在于合成復雜分子系統和解決高成本問題。
總結
鏡像生命的研究無疑揭開了科學前沿的一角，但它也帶來了巨大的倫理、安全與生態挑戰。這項研究從分子基礎到系統構建的進展，展現了人類對未知生命形式的探索熱情，同時也提醒科學家們謹慎行事。
這種探索既可能為醫學、生物技術等領域帶來革命性突破，也可能因技術濫用或疏忽而引發不可預見的風險。正如《科學》文章中所呼吁的，我們應在開放研究的同時，建立健全的監管框架，確保科學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鍵，仍在于科學家和全社會的共同智慧與理性思考。好消息是，鏡像生命在短期內并不會成為威脅，因為目前的技術仍然不足以構建完整的鏡像生命，既然科學界已經早早意識到了可能的風險，在真正實現鏡像生命技術之前（可能需要 10~30 年），我們來得及做好充分準備。
參考文獻
[1]Adamala, Katarzyna P., et al. "Confronting risks of mirror life." Science (2024): eads9158.
[2]Xu, Yuan, and Ting F. Zhu. "Mirror-image T7 transcription of chirally inverted ribosomal and functional RNAs." Science 378.6618 (2022): 405-412.
[3]Aoki, Keisuke, et al. "Engineering a low-immunogenic mirror-image VHH against vascular endothelial growth factor." ACS Chemical Biology 19.5 (2024): 1194-1205.
[4]K. P. Adamala et al., “Technical report on mirror bacteria: Feasibility and risks” Stanford Digital Repository,( 2024).
[5]Harrison, Katriona, et al. "Synthesis and applications of mirror-image proteins." Nature Reviews Chemistry 7.6 (2023): 383-404.
[6]Gaut, Nathaniel J., and Katarzyna P. Adamala. "Reconstituting natural cell elements in synthetic cells." Advanced Biology 5.3 (2021): 2000188.
[7]Rohden, Fabian, J?rg D. Hoheisel, and Hans-Joachim Wieden. "Through the looking glass: milestones on the road towards mirroring life." Trends in Biochemical Sciences 46.11 (2021): 931-943.
[8]Dintzis, Howard M., et al. "A comparison of the immunogenicity of a pair of enantiomeric proteins." Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 16.3 (1993): 306-308.
[9] 章偉光,張仕林,郭棟,等.關注手性藥物:從"反應停事件"說起[J].大學化學, 2019, 34(9):12.DOI:CNKI:SUN:DXHX.0.2019-09-001.
策劃制作
作者丨Denovo 科普作者
審核丨胡啟文 陸軍軍醫大學基礎醫學院微生物學教研室副教授
策劃丨丁崝
責編丨丁崝
審校丨徐來、林林
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