Science | 应对镜像生命风险的探讨

导读

地球上已知的生命共享一组共同的手性分子，包括蛋白质、糖类、脂质和核酸。这些分子可以以两种镜像配置存在，但生命体几乎只使用其中一种。通常，这两种配置分别被称为ʟ型（左手型）和ᴅ型（右手型）。

几乎所有蛋白质仅由20种标准氨基酸构成，除了无手性的甘氨酸外，其余均为ʟ-氨基酸，而对应的ᴅ-氨基酸在自然界中仅起到次要作用。同样，RNA中的核糖始终为ᴅ-核糖，其镜像形式ʟ-核糖在自然界中基本不存在。

镜像分子对称称为对映异构体，它们的物理和化学性质几乎完全相同，例如晶体结构、熔点、在水中的溶解度以及酸碱解离常数，但它们会以相反方向旋转偏振光。

蛋白质是大型手性分子。特定序列的ʟ-氨基酸蛋白质会折叠成特定构型，而由相同序列的ᴅ-氨基酸构成的镜像蛋白质会折叠成完全镜像的构型。

此外，这种镜像关系延伸到催化活性上：镜像酶可以催化天然酶底物和产物的镜像形式。然而，自然生命体无法合成这些镜像蛋白，且它们在自然界中不存在。

其他镜像大分子同样完全镜像其天然手性的大分子。例如，由ʟ-脱氧核糖构成的镜像DNA形成与天然DNA相反的双螺旋结构。

虽然镜像分子具有多样的潜在用途，例如作为研究工具或治疗性药物，但它们在自然界中的缺乏表明其制造和应用仍需克服许多技术和伦理挑战。

已有一些研究人员尝试创造完全由镜像生物分子组成的生命体，这将与已知生命形式有根本不同。尽管创造镜像生命可能需要十年或更长时间，并需要重大技术突破，但需要研究者在这项技术成为现实之前进行预防。

2024年12月12日，Science上发表了一篇题为“Confronting risks of mirror life”的讨论文章，分析了镜像生物的技术障碍、进展可能带来的变化以及潜在的风险，特别是镜像细菌可能避开免疫机制，引发致命感染，且可能扩散到环境中。

研究者怀疑镜像细菌可能对人类、动物和植物造成严重威胁。因此，呼吁在没有令人信服的安抚证据之前，不应创造镜像细菌和其他镜像生命体，并建议开展更广泛的讨论和研究以评估这些风险。

一. 迈向镜像生命

分析表明，虽然目前并未观察到镜像细菌，但它们可能在自然界中存活并传播。镜像生命无法从现有生命中自然产生，进化无法反转复杂生物分子的手性，但随着科学进展，镜像生物体可能在实验室中被创造出来。

创造镜像细菌将是一项极其复杂的生物工程任务，但关键技术的进展正在进行中。科学家们已经能够合成镜像生物分子，并在合成核酸和蛋白质方面取得了进展。

尽管存在创建镜像细菌的路径，但合成镜像生物分子的高成本和复杂结构的构建仍是障碍。然而随着相关技术的突破，创建镜像细菌的难度可能会减少。

镜像细菌如果提供无手性或镜像营养物质，将与天然细菌功能相同，并可在环境中生长。尽管如此，镜像细菌与其他生命形式的互动将因其反向手性而不同。

二. 免疫逃逸与生态系统入侵

研究表明，镜像细菌可能逃避人类、动物和植物的免疫防御。镜像细菌会干扰免疫识别，导致免疫反应减弱，尤其是适应性免疫系统的激活受限。

实验证明，镜像蛋白质无法有效触发抗体产生，因此研究者担心脊椎动物的免疫系统对镜像细菌的反应会受损，无脊椎动物和植物免疫系统也可能面临类似问题。

镜像细菌可能不需要宿主特定因素便能侵入并引发感染。健康动物体内的细菌通常被免疫系统清除，但如果镜像细菌逃避免疫反应，它们可能在宿主体内繁殖并引发致命感染。

镜像细菌还可能对生态系统构成风险。由于反向手性，镜像细菌可能逃避捕食和抗生素，增加在外部环境中的存活率。它们可能通过宿主传播到多个环境，并在缺乏天然捕食者的情况下迅速扩散，成为全球范围内的严重病原体。

三. 生物安全

为降低镜像细菌的风险，研究者可以采取生物隔离和生物安全措施，如设计使其依赖自然界不存在的分子，防止其在实验室外生长。然而，这些措施可能因进化或人为错误而失效。

同样，物理隔离也存会在事故风险，且镜像细菌一旦创造出来，可能很容易去除防护措施。

镜像抗生素等对策可能不足以阻止镜像细菌在全球生态系统中的传播，且无法应对可能的巨大危害。尽管镜像生物分子有潜在应用，创造镜像细菌的风险无法通过其有限的好处来抵消。

四. 未来的道路

本文作者鼓励相关领域的专家对镜像生命的风险进行深入讨论，并欢迎提出新的论点和证据。

他们建议在没有充分证据表明镜像生命不会构成异常危险的情况下，不应创造镜像细菌或其他镜像生物。应采取措施防止镜像基因组和蛋白质组的生产，并监管相关技术。

研究者还建议进行研究以了解镜像细菌的风险，并开发检测和应对措施。此类研究应在国际合作下进行，确保不阻碍科学进展。

最后，呼吁全球研究界、政策制定者、资助方、行业及公众共同参与讨论，推动镜像生命的治理措施，避免可能带来的前所未有的风险。

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