設置星標 關注，從此你的世界多點科學~

你可能聽說過醫學上的罕見奇觀“鏡像人”，即人體部分或全部內臟器官反位，好似正常人器官的鏡像。那有沒有一種可能，細胞也有鏡像的：細胞的每個分子都是正常細胞分子的鏡像？

在地球45億年的歷史中，鏡像細胞大抵從未存在過；不過展望未來幾十年，科學家或許能設計出某種方法用以創造這樣新奇的生命形式——可能出于新藥研發的需求，或是對生命起源和演化的科學好奇心。

但我們應該嘗試創建鏡像細胞嗎？在合成生物學家和生物安全專家看來，答案一定是不應該。因為鏡像生命將對地球上所有生物的健康構成“前所未有的風險”。若鏡像生命逃逸，人類可能永遠無法把它抓回來，這會導致“普遍的致命感染”。

聽著像不像某種末日威脅？如果我們真造出鏡像細胞，其風險真有那么大嗎？我們現在能做些什么來降低它未來出現的風險？

許多生命必需的分子都能以兩種互為鏡像的形態存在，就像人的左右手。雖然這些手性分子很難瞧出區別來，但它們的行為表現有顯著差異。

分子手性是指分子具有鏡像異構體的特性，這些異構體雖然化學組成相同，但在空間結構上是鏡像關系，無法通過旋轉或翻轉重合。這些鏡像異構體就被稱為對映體或同分異構體。上圖所示即為手性氨基酸的兩種對映體，左側的是左旋分子，右側的是右旋分子

地球所有生物體的DNA都是右旋分子，蛋白質則左旋。這一空間構型的大設定似乎于生命歷史的早期就已明確，生命系統需要始終如一的手性方可有效運作。細胞里的分子必須規整妥帖地組合到一起，有時就像鑰匙與鎖那般嚴絲合縫，因此左旋和右旋分子的混雜會把情況搞亂。

沒人知道生命為何選擇這樣一種手性模式。可能就是進化過程中一次偶然的選擇定格為恒久的傳承？那么，宇宙其他地方的生命有沒有可能使用與地球生命相反的手性分子？又或者，右旋的DNA和左旋的蛋白質可能相比自己的鏡像具備一些微妙優勢，從而受演化的眷顧？

為探究種種問題，生物化學家開發出創建鏡像分子的方法。他們構建得到了完整的右旋蛋白質和左旋核酸(DNA的組成部分)；只要組裝起來，鏡像分子就可完美地發揮作用。2016年的一項研究表示，已創建了一條鏡像DNA鏈，它能通過鏡像酶進行復制。

另一方面，合成生物學家一直在以更富野心的方式改造活細胞。早在2010年，美國克雷格·文特爾研究所的克雷格·文特爾 (Craig Venter) 領導團隊，給細菌細胞去除了所有DNA，然后用他們自己合成的基因組取而代之。后續工作為細胞提供了經過大量編輯的基因組 (比自然界的基因組更簡單) 。最終，科學家有望以此種方式構建完全由人工合成的細胞——用合成化學物質從頭組裝活細胞。

合成的細胞

芝加哥大學的生物學家杰克·紹斯塔克(Jack Szostak)表示：“過去50年間，生物化學的核心一直是重構細胞內發生的活動。其終極目標是重構整個細胞。”

鑒于我們越發擅長制造鏡像分子，也洞察了如何構建合成細胞，鏡像細胞是不是快要誕生了？鏡像細胞內的DNA、蛋白質以及其他手性分子都會具備與現有生命相反的手性？！

紹斯塔克認為要實現這樣的目標仍需時日。需要多久呢？可能10年到50年吧，具體取決于其中有多少環節容易完成，有多少比較困難。

“如果只有少量的困難，誰知道有沒有驚喜呢？”

紹斯塔克與包括文特爾在內的37名合著者一同考量了創造鏡像生命的潛在好處和風險。2024年12月，他們將研究結論發表于《科學》雜志：“不應創造鏡像細菌以及其他鏡像生物”，因為它們會帶來巨大風險。

病毒比細胞小得多，也簡單得多，它只是被蛋白質外殼包裹的一段核酸而已。因此制造鏡像病毒看似易事，但要知道，病毒只能通過感染宿主細胞并接管這臺機器才能繁殖，而由于DNA等手性分子貫穿始終，鏡像病毒“絕對不可能”感染現有細胞，它“只能在鏡像細胞里生長”。

相比病毒，構建鏡像動物和鏡像植物的技術難度極大，因為它們由更大、更復雜的真核細胞組成。

因此 ，紹斯塔克與 同事非常關注鏡像細菌。

入侵的鏡像細菌

能引發疾病的細菌擁有專用裝備以避開宿主的免疫系統并攻擊其組織。這些裝備大部分依賴于手性分子。

紹斯塔克表示：“當我第一次從事相關研究時，與絕大多數人一樣，我最初的想法是，病原體是一種高度進化的狀態。鏡像細菌不可能是病原體。”

但他與同事得出的結論是：鏡像細菌不需要成為某種特殊的病原體就能造成嚴重傷害。

免疫系統通過鎖定細菌外壁上的分子來識別細菌，而這些分子都是手性的。因此，鏡像細菌很可能不被人體免疫系統發現，也不會被清除。

細菌離不開食物。人體內的一些營養物質，如氨基酸甘氨酸是非手性的，因此鏡像細菌可以它們為食。紹斯塔克指出：“這些物質的濃度較低，營養價值似乎不如葡萄糖。因此鏡像細胞或許會生長緩慢。但既然它死不了，就可能在人體內無限制地生長。”

此外，鏡像細菌與致病菌不同，前者可能不會局限于單一類型的宿主，后者感染的物種數量往往很有限。理論上，鏡像細菌可于任何生物體、任何類型的生態系統中生長。紹斯塔克等人指出：“我們不能排除這樣一種情況，即鏡像細菌在許多生態系統中成為入侵物種，導致包括人類在內的相當一部分動植物遭遇普遍的致命感染。”

因此，在倫敦國王學院高級研究員菲利帕·倫佐斯(Filippa Lentzos)看來，鏡像細菌相當于具有“異常廣泛的宿主范圍”的病原體。

地球上所有生物的DNA都是右旋的，蛋白質則都是左旋的

令人擔憂的是，鏡像細菌可能從實驗室逃逸，造成嚴重破壞。另一種風險是，鏡像細菌被流氓政府或恐怖分子用作武器。

鏡像細菌一旦現身野外，將很難被控制。理論上，我們可以合成鏡像抗生素來殺死它們，但這并非萬能藥。“你可以保護少數人或動物，但無法在全球范圍部署此方法。”紹斯塔克說道。

鏡子背后的威脅

生物安全專家針對鏡像生命表達了一些不同的看法。由于鏡像細菌尚不存在，因此關于它們的風險，存有很大不確定性。

奧地利科學研究與傳播公司Biofaction的創始人兼CEO馬庫斯·施密特(Markus Schmidt)表示：“世界上還沒有人從零開始造出細胞。”盡管合成生物學進展迅速，但仍然無法創建合成細胞的事實證明“我們并不真正了解細胞的運轉原理”。因此，“我們距離制造鏡像細菌還非常非常遙遠”。

不過，倫佐斯指出，開發新技術的科學家往往只有在準備將技術推向市場時才接觸公眾——到此階段，技術研發者已將自己職業生涯與該技術綁定，而且會有大量資金牽涉其中。“你都走到最后一步了，無論別人說什么，都不能掉頭了。”鑒于此，倫佐斯認為，顧慮和疑問最好在“非常前期”的階段提出來。

另一方面，鏡像細菌是否真能于人體內，或受控實驗室以外的任何地方生存，其實是個巨大疑問。正如亞利桑那州立大學教授凱瑟琳·沃格爾(Kathleen Vogel)所言：“也許它們進入環境就會死亡。”

相比野生生物，合成生物學產出的生物往往相當脆弱。紹斯塔克表示：“如果有人想制造鏡像細菌，那人大概只為證明自己能做到，由此得到的第一個成果可能非常殘缺。”不過，一個技術過硬的團隊或有能力構建更具韌性的鏡像細菌。

有許多設計方法可對鏡像細菌加以限定。例如，把細胞設計成完全依賴某種不存在于自然界的營養素而存活。用施密特的話說：“不給喂食，這細菌就活不了。”又例如，可以為細胞設置一個定時器，讓鏡像細菌在指定時間自毀。甚至，設計者可讓細菌與現存所有生物使用的遺傳密碼都不兼容，而只能使用另一套特殊的遺傳密碼來工作。通過疊加多種限定機制，鏡像細胞不受控制而漫游野外的可能性似乎就微乎其微了。

野外生存

綜上所述，從技術層面看，鏡像細菌在野外存活的風險是可規避的。

但技術只是技術，正如倫佐斯所言：“某些人或許懷有險惡意圖。”在最極端的情況下，甚至可能出現將鏡像細菌改造成致病菌然后利用它們實施大規模殺戮的情況。

國際社會簽署的《禁止生物武器公約》(Biological Weapons Convention)在1975年生效，完全禁止生物和毒素武器。雖然公約中還沒有“鏡像細菌”一詞，但倫佐斯指出：“公約內容含義寬泛，可以涵蓋這點。”

當然，關鍵還在于對法律的執行。引用紹斯塔克的話說：“如果有人惡意搞事，要阻止是很難的。”

沃格爾認為，制造鏡像細菌武器的難度成了一種保護。“確鑿的經驗證據表明，制造大規模殺傷性的生物武器在技術上極為困難。即使是擁有所有資源、專業知識、基礎設施以及設備的國家，也難以做到這點。”生物體通常對生存條件有極高要求，工程生物體更是無比脆弱。

但無論如何，我們不能僅僅因為這事兒還沒發生就覺得它永遠不會發生。

為什么要制造鏡像微生物？

盡管鏡像細菌存在各種風險，但如果它可能帶來顯著的好處，人類社會就會有意愿冒險試它一試。不過這里有個共識：鏡像細菌就算有用那也相當有限。

紹斯塔克說道：“你可以將鏡像細菌用作某種生物工廠來制造鏡像分子。”鏡像分子確實很有用，尤其是它能充當不被人體免疫系統降解的長效藥物。“但我認為這方面好處不足掛齒，因為已有相當高水平的技術可用于直接化學合成鏡像分子。”

除此之外，唯一的好處就是滿足科學好奇心：鏡像細胞到底什么樣子？它的行為對比正常細胞有何不同？

鑒于此，倫佐斯表示：“我同意我們應當禁止此類研究的結論。你需要權衡風險與潛在收益。目前看來，潛在利益很有限，風險卻非常高。”

保持控制

對施密特而言，關于鏡像生命的討論是一個大問題中的小部分。鏡像生命的許多風險也可能適用于其他類型的合成與改良細胞。“只要你創建不一樣的生命，都會面對與制備鏡像生命差不多的風險。”

合成生物學發展迅速，每年都有各種改良的生物分子和生物體被開發出來。但如施密特所言，人類在開發圍護系統方面還不夠。施密特希望看到有一系列新方法的開發，用以限制合成與改良生物體。

資料來源：

《世界科學》雜志版在售中 歡迎訂閱

月刊定價

15元/期

全年訂閱價

180元

點擊左側圖片或以下方訂閱方式選購

方式一：

掃描二維碼，“雜志鋪”訂閱有折扣～

方式二：

全國各地郵局訂閱 郵發代號：4-263

方式三：

機構訂閱，請撥打

021-53300839；

021-53300838