透过镜子：交叉手性反应挑战了我们对生命的定义

透过镜子：交叉手性反应挑战了我们对生命的定义

索尔克研究所的科学家们实现了一项突破性的跨手性指数扩增技术，这可能为新型人工生命的创造和创新药物开发策略开辟新的途径。

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是由右手性分子组成的，它们结合在一起形成右手性双螺旋。左手性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选择一方。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？

从左上角开始：Wesley Cochrane 和 Grant Bare。从左下角开始：David Horning 和 Gerald Joyce。

点击这里 以获得高分辨率图像。
信用：索尔克研究所

这正是索尔克研究所的科学家们现在取得的成就。在2024年2月22日发表的一项研究中，研究人员首次展示了RNA酶的交叉手性指数扩增。利用复杂的生物工程技术，他们制作了一种化学系统，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。通过这种交叉手性的自我复制，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、索尔克研究所所长杰拉尔德·乔伊斯说。“细胞不只是自我繁殖，它们会以指数级的速度自我繁殖，而这种快速增长正是竞争、自然选择和进化的驱动力。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，并且建立在左手和右手分子之间的相互作用之上。”

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。

索尔克研究所的科学家设计了一种右手性RNA酶（左下），它可以结合左手性RNA片段（右下），从而产生自身的镜像。新的左手性RNA酶（右上）可以结合右手性RNA片段（左上），从而产生更多的原始右手性酶，重新启动交叉手性自我复制循环。改编自Cochrane等人，PNAS 2024。

点击这里 以获得高分辨率图像。
信用：索尔克研究所

“我们已经预料到，我们星球上和其他星球上的生命将是独立存在的，但我们的研究表明，对于生物工程师来说，情况并不一定如此，”共同通讯作者、乔伊斯实验室的高级研究员戴维·霍宁（David Horning）说道。“我们本质上是在探索生物学的界限，根据这项研究，我们对生命的定义似乎不必像在自然界中那样在实验室中那么狭窄。”

为了实现交叉手性指数扩增，共同第一作者表示，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。

“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，”霍宁说。“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带来好处的所有方式。”

这项工作得到了美国国家科学基金会（MCB2114588）的支持，与德克萨斯A&M大学的Jon Sczepanski教授合作，并获得了美国国立卫生研究院Ruth L. Kirschstein国家研究服务奖（F32GM146435）颁发给Wesley Cochrane。

本文原文来自索尔克研究所