就像你的左手和右手互为镜像一样,许多生物分子也有自己的左手和右手形式,称为手性。例如,我们的 DNA 是由右手手性分子组成的,它们结合在一起形成右手双螺旋。左手版本看起来就像它的镜像,形成一个以相反方向旋转的螺旋。
然而,大自然的本质是倾向于偏向一方。在地球上,DNA 和 RNA 只以右手性形式存在。即使科学家合成了这些分子的左手性版本,这两组分子的行为也就像在镜子的两边,无法相互作用。
但如果他们能做到呢?如果一个分子能够穿过镜子并与另一侧的反射世界相互作用呢?如果这引发连锁反应,使两边的分子以我们从未见过的方式协同工作呢?
这正是索尔克研究所的科学家现在取得的成就。在2024 年 10 月 22 日发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中,研究人员展示了 RNA 酶的首次跨手性指数扩增。
他们利用先进的生物工程技术,制造出一种化学系统,其中左手和右手版本的 RNA 酶可以有效地“穿过镜子”并相互复制。通过这种交叉手性自我复制,两种分子的数量都呈指数级无限增加——这在生物学之外很少见。
事实上,NASA 将生命定义为“能够进行达尔文式进化的自我维持化学系统”。研究人员表示,这是首次发现在手性镜两侧均运行的类似生命的化学系统的证据。
“指数级的自我复制对于每个生命系统的生长和进化都是必要的,”共同通讯作者兼索尔克研究所所长杰拉德·乔伊斯说。“细胞不只是自我复制,它们以指数级的速度自我复制,而这种快速增长正是推动竞争、自然选择和进化的动力。”
“我们现在已经证明,我们可以设计出指数级的遗传自我复制形式,这种形式虽然还不是生命,但正在走向生命,而且是建立在左手性分子和右手性分子相互作用的基础上。”
虽然交叉手性自我复制不太可能在自然界中自发发生,但发现它可以在实验室环境中进行设计,这表明科学家有朝一日可以合成一种同时使用左手和右手分子的人工生命系统。这将为研究一种全新的生化进化形式创造机会,也可能导致交叉手性疗法和生物技术的发展。
“我们已经预料到,我们这个星球和其他星球上的生命将是独自生存的,但我们的工作表明,对于生物工程师来说,情况并不一定如此,”乔伊斯实验室的高级研究员、本文共同通讯作者戴维·霍宁 (David Horning) 说。
“我们本质上是在探索生物学的边界,基于这项研究,我们对生命的定义似乎不必在实验室中像在自然界中那样狭窄。”
为了实现交叉手性指数扩增,共同第一作者 Wesley Cochrane 和 Grant Bare 扩展了实验室用于驱动 RNA 定向进化的开创性方法。在这种情况下,该系统用于生产一种 RNA 酶,这种酶非常擅长制造自身的反手性版本。
重要的是,现在可进一步改造同一种酶,使其也能生成具有其他有价值功能的额外 RNA 产品。由此产生的交叉手性自催化系统可在医学和生物制造领域有多种应用。
例如,作者表示,他们有朝一日可以合成新的左手 RNA,以非常特定、理想的方式与体内的右手分子相互作用。由于这些左手 RNA 几乎不会被细胞和免疫系统检测到,因此它们不会像其他药物那样快速降解。它们也无法与任何其他右手分子相互作用,从而降低了脱靶副作用的可能性。
这种交叉手性策略可能会启发一类全新的治疗、诊断和研究工具。Joyce 实验室已经开发出生产与疾病相关 RNA 和蛋白质结合的左手 RNA 的系统。另一个项目正在探索它们作为信号放大器的用途,使研究人员和临床医生能够检测到微量的特定分子,例如病毒 RNA。
霍宁说:“这就像在我们的生物学旁边存在一种平行的生物学,但它完全由我们设计,自然无法干扰它。”“交叉手性自我复制开辟了一个全新的生物化学可能性世界,所以我们才刚刚开始想象我们可以利用这些镜像分子为我们谋利的所有方式。”