会不会有这样的一个世界,在这个世界中,从最小的分子到蛋白质、DNA,乃至细胞、器官、个体都是与现实世界镜像对称的?这种“爱丽丝的镜中世界”可能真的存在——清华大学的研究组就已经合成出了可以实现遗传信息复制与转录的镜像生物分子系统。
动物和人体表面看起来左右对称,但作为人体最基本组分的生物分子并不对称。比如两个氨基酸分子,由于有机分子大多围绕着碳原子形成立体的正四面体结构,这两个氨基酸分子看似相同,但互为镜像对称关系,永远都无法重叠在一起,就像左手和右手一样,这种性质被称为“手性”。
那么人体中的氨基酸究竟是选用了其中的一种,还是两种兼有呢?答案是惊人的:地球上所有生物的氨基酸几乎都是左手性的。不仅如此,正如左手无法套上右手的手套一样,一种手性的分子只能跟它对应手性的化合物发生反应,因此,生物体所吸收利用的葡萄糖绝大部分都是两种镜像对映体中的一种,大多数化学药物也只有一种手性结构有效。
既然地球上所有生物都共享着同一套手性的分子,那我们完全有理由想象另一个镜像世界的存在:镜像DNA转录出镜像RNA,用镜像氨基酸生产出镜像蛋白质……而清华大学生命科学学院朱听研究员与化学系刘磊教授的研究课题,就是人工合成出这样的镜像生物分子系统。他们已经合成出了一种重要蛋白的镜像版本,这种蛋白可以参与复制DNA,并将其转录成RNA,论文于5月16日在线发表在《自然·化学》上。
为了合成更简便,朱听和刘磊的课题组选择的ASFV pol X是最简单的聚合酶,功能有限,效率相对较低。一旦能合成出效率更高的DNA聚合酶,或许就能在医药产业中找到用武之地:短链的镜像DNA或RNA可以和人体内的靶点相结合,以阻断它们的活性,而镜像体又不会轻易被体内的酶降解,因而具有天然优势。
那么,到底为什么生命只偏爱一种手性结构呢?关于这个问题科学界众说纷纭,至今没有得出确定的答案。有研究者认为,虽然理论上最初产生两种手性分子的概率应该相同,但地球上生命演化过程中一些外在条件产生的累积效应,使左手性的氨基酸得以胜出,但也有科学家认为这种手性的不对称性或许来自于更深层物理规律的不对称性。