Многие органические молекулы имеют зеркальные отражения самих себя, известные как энантиомеры. Такое состояние молекул называется также хиральностью. Существуют также объемные копии молекул с разветвленными цепочками радикалов — диастереомеры. Оптические изомеры одного вещества могут иметь одинаковые физические и химические свойства, но играть разные биологические роли.
В статье, опубликованной в журнале Science, группа из 40 ученых предупредила, что в течение следующего десятилетия, возможно, удастся создать новые формы жизни, состоящие из энантиомеров. По мнению авторов петиции, создание «зеркальных» бактерий и других микроорганизмов представляет реальную опасность.
Ученые предполагают, что «зеркальные» бактерии смогут ускользать от иммунной системы человека, вызывая смертельные инфекции, на фоне которых COVID покажется веселой прогулкой. Такие инфекции способны привести к вытеснению значительной части видов растений и животных, что нанесет непоправимый вред окружающей среде.
Молекулы, зеркально отражающие друг друга, структурно идентичны, подобно тому, как наши левая и правая руки идентичны и способны, пусть и с разной ловкостью, выполнять одни и те же функции. Молекулы-энантиомеры обладают одинаковыми химическими свойствами, но по неизвестным причинам природа предпочитает создавать живые объекты только из одной версии таких молекул.
Например, аминокислоты — строительные блоки белков — расположены левосторонне, в то время как сахара ориентированы правосторонне. Молекула ДНК представляет собой правостороннюю винтовую резьбу. Направление двухмерных молекул-изомеров традиционно обозначается буквами L (лат. laevus, левый) и D (dexter, правый).
Эта избирательная хиральность определяет, как молекулы взаимодействуют в живых системах. Она влияет на то, как лекарства и ферменты (биологические катализаторы, ускоряющие реакции) функционируют в нашем организме, а также на то, как мы воспринимаем вкусы и запахи. Например, молекула эфирного масла карвона может пахнуть либо мятой, либо тмином, в зависимости от того, от какой «зеркальной» версии молекулы вы воспринимаете этот аромат.
Различие других зеркальных молекул серьезнее. Препарат талидомид существует в двух формах. Одна из них является эффективным противорвотным средством, зеркальная же версия вызывает серьезные врожденные дефекты.
В связи с этим возникает вопрос: что, если бы мы могли создавать биологические молекулы, которые существуют в условном Зазеркалье? Это исследование отчасти продиктовано любопытством, но оно также имеет практическое применение.
Медицинские препараты все чаще получают на основе биологических молекул, таких как пептиды (небольшие фрагменты белков), которые могут быть использованы для лечения рака и аутоиммунных заболеваний. Но, несмотря на их эффективность, применение природных белков и пептидов ограничено: они быстро видоизменяются или расщепляются в организме.
Это связано с тем, что ферменты, которые в процессе эволюции «научились» расщеплять биологические молекулы для последующей переработки, обладают высокой эффективностью в отношении природных пептидов. Таким образом, для обеспечения эффективности этих методов лечения рака придется увеличивать дозировку и частоту приема препарата.
Пептиды, построенные из зеркальных аминокислот, вероятно, не будут распознаны системами расщепления. Они могли бы быть разработаны для борьбы с аутоиммунными и онкологическими заболеваниями. И такие зеркальные биологические молекулы уже экспериментально создаются: ученые синтезировали отражения ДНК, полнофункциональные «зеркальные» ферменты и многое другое.
Риски зеркальной жизни
Потенциальные преимущества зеркальных молекул просто завораживают. Очевидным следующим шагом было бы создание «зеркальных» организмов, полностью состоящих из энантиомеров природных версий молекул.
Уже существуют исследовательские группы, работающие над созданием бактерий «с нуля». Другими словами, они пытаются синтезировать биологические молекулы и собрать их в функциональные клетки.
Но хотя до создания жизнеспособных «зеркальных» бактерий с нуля, вероятно, еще пройдет лет десять, уже есть реальные опасения по поводу того, к чему могут привести эти исследования. Четыре десятка ведущих авторов журнала Science опасаются, что «зеркальная» жизнь, если она вырвется за пределы лабораторий (а примеров таких прорывов множество), может иметь разрушительные последствия.
Главная проблема заключается в том, что «зеркальные» бактерии могут ускользать от иммунной системы людей, животных и растений. Наша защита основана на распознавании консервативных молекулярных структур, присущих природным патогенам (бактериям, простейшим, вирусам), которые построены из аминокислот левого типа. У зеркальных бактерий не было бы этих узнаваемых структур, что делало бы нашу иммунную систему слепой к их присутствию.
«Зеркальные» бактерии могут разрушать экосистемы непредсказуемым образом. Они, вероятно, смогут избежать медицинского и биологического контроля. Специфические поражающие бактерии вирусы и антибиотики могут оказаться для них совершенно безопасными, что позволит им беспрепятственно и агрессивно размножаться.
Это может привести к появлению инвазивных популяций «зеркальных» бактерий, которые вытеснят традиционные виды, разрушат пищевые сети и изменят круговорот питательных веществ, что потенциально может привести к каскадным экологическим катастрофам.
Предупреждение ученых о «зеркальной» жизни поразительно — отчасти потому, что оно опубликовано в таком престижном научном журнале, но также и потому, что оно подкреплено тщательным анализом на 300 страницах.
Послание ученых, подчеркивающее чрезвычайную опасность «зеркальных» организмов, кому-то может показаться сюжетом научно-фантастического триллера, но опасения основаны отнюдь не на пустом месте.
«Зеркальные» микроорганизмы представляют собой уникальную и беспрецедентную проблему. Однако это не тот кризис, который разразится завтра. Технические барьеры на пути создания полноценной изомерической жизни значительны, что дает мировому сообществу достаточно времени для принятия ответных мер. Авторы письма признают, что, помимо исследований, проводимых исключительно из любопытства, они пытаются представить убедительные обоснования для создания полностью «зеркальных» живых организмов.
Организовав надежное управление научными исследованиями в области биотехнологий, тщательный международный надзор в этой сфере, мы можем гарантировать ответственный подход к разработке биомолекул с нетрадиционной хиральностью. При условии открытого и честного междисциплинарного сотрудничества ученых разных стран создание полноценной «зеркальной» жизни будет либо полностью предотвращено, либо будут четко осознаны и смягчены связанные с этим риски.
Ранее ученые рассказали, как спасти от вымирания акул и скатов.
