16.02.2025. - Зеркальные бактерии могли завоевать жизнь на Земле

Зеркальные бактерии могли завоевать жизнь на Земле

Большинство основных биологических молекул, включая все белки, ДНК и РНК, направлены в ту или иную сторону. Другими словами, они являются хиральными, или передающимися. Подобно тому, как ваша левая перчатка подходит только для левой руки, а правая - для правой, хиральные молекулы могут взаимодействовать только с другими молекулами, совместимыми с вашей рукой.

Возможны две хиральности: левая и правая, которые формально называются L от латинского laevus и D от dexter. Вся жизнь на Земле использует L белков и D сахаров. Даже археи, большая группа микроорганизмов с необычным химическим составом, придерживаются программы, основанной на использовании основных молекул, которые они используют.

В течение долгого времени ученые размышляли о создании биополимеров, которые отражали бы существующие в природе соединения, но с противоположной ориентацией, а именно соединения, состоящие из D—белков и L-сахаров. В последние годы появились некоторые многообещающие достижения, в том числе ферменты, способные создавать зеркальные РНК и ДНК.

Когда ученые заметили, что эти зеркальные молекулы ведут себя точно так же, как их природные аналоги, они решили, что из них можно было бы создать целую живую клетку. Зеркальные бактерии, в частности, потенциально могут стать полезным инструментом фундаментальных исследований, что, возможно, позволит ученым впервые изучить новое древо жизни и решить многие проблемы в области биоинженерии и биомедицины.

Эта так называемая зеркальная жизнь - живые клетки, состоящие из строительных блоков с хиральностью, противоположной той, из которой состоит естественная жизнь, — может обладать свойствами, очень похожими на свойства естественных живых клеток. Они могут жить в той же среде, конкурировать за ресурсы и вести себя так, как вы ожидаете от любого живого организма. Они смогли бы избежать заражения от других хищников и иммунной системы, потому что эти противники не смогли бы их распознать.

Именно эти особенности в первую очередь привлекли таких исследователей, как я, к mirror life. Но эти качества также являются существенными недостатками этой технологии, которые создают проблему.

Я биолог-синтетик, изучающий использование химии для создания живых клеток. Я также биоинженер, разрабатывающий инструменты для биоэкономики. Мне, химику по образованию, "Инженерное зеркало жизни" изначально казалось увлекательным способом ответить на фундаментальные вопросы биологии и практически применить полученные результаты в промышленности и медицине. Однако, узнав больше об иммунологии и экологии зеркальной жизни, я осознал потенциальные последствия этой технологии для окружающей среды и здоровья.

Реальные опасения по поводу гипотетической зеркальной жизни

Важно отметить, что исследователям, вероятно, потребуется от 10 до 30 лет, чтобы создать зеркальные бактерии. В масштабах такой быстро развивающейся области, как синтетическая биология, десятилетие - это очень долгий срок. Создание синтетических клеток само по себе является сложной задачей. Создание зеркальных копий потребовало бы нескольких технических прорывов.

Однако это сопряжено с определенным риском. Если бы зеркальные клетки были выпущены в окружающую среду, они, вероятно, смогли бы быстро размножаться без особых ограничений. Естественные механизмы, которые поддерживают равновесие экосистем, включая инфекции и хищничество, не сработали бы в случае зеркальной жизни.

Бактерии, как и большинство форм жизни, восприимчивы к вирусным инфекциям. Эти бактериальные вирусы, или бактериофаги, проникают в бактерии, связываясь с их поверхностными рецепторами, а затем используют свои клеточные механизмы для размножения. Но точно так же, как левая перчатка не подходит для правой руки, естественные бактериофаги не распознали бы рецепторы зеркальных клеток и не смогли бы использовать их механизмы. Зеркальная жизнь, скорее всего, была бы устойчива к вирусам.

Микроорганизмы, добывающие пищу в окружающей среде, также контролируют популяцию бактерий. Они отличают пищевые продукты от непищевых с помощью химических "вкусовых" рецепторов. Все, с чем связываются эти рецепторы, например бактерии и органические остатки, считается съедобным, в то время как то, что не может связываться с этими рецепторами, например камни, классифицируется как несъедобное. Подумайте о том, как собака, роющаяся на кухонном полу, съест булочку, но только понюхает ложку и пойдет дальше. Для бактериальных хищников зеркальная жизнь была бы больше похожа на ложку, чем на хлеб — хищники "унюхали" бы ее своими рецепторами и двинулись дальше, потому что эти клетки не могут связываться.

Защита от употребления в пищу была бы отличной новостью для зеркальных бактерий, поскольку это позволило бы им свободно размножаться. Для остальной экосистемы это было бы гораздо худшей новостью, поскольку зеркальные бактерии могли бы поглощать все питательные вещества и бесконтрольно распространяться. Даже если зеркальные бактерии не будут активно атаковать другие организмы, они все равно будут потреблять источники пищи, в которых нуждаются другие организмы. А поскольку уровень смертности зеркальных клеток будет намного ниже, чем у обычных организмов, из-за отсутствия хищничества, они будут медленно, но верно захватывать окружающую среду.

Даже если зеркальные клетки растут медленнее, чем нормальные клетки, они смогут расти, и ничто их не остановит.

Недостаточный иммунитет

Еще один биологический механизм контроля, который не сможет "вынюхать" зеркальные клетки, - это иммунная система.

Ваши иммунные клетки постоянно проверяют все, что они находят в вашей крови. Схема принятия решений иммунной клеткой довольно проста. Сначала решите, является ли что-то живым или нет, а затем сравните это с базой данных "я" — вашими собственными клетками. Если он жив, но не является частью вас, его необходимо уничтожить. Зеркальные клетки, скорее всего, не пройдут первый этап проверки: они не вызовут иммунного ответа, поскольку иммунная система не сможет распознать антигены зеркальных клеток или связываться с ними. Это означает, что зеркальные клетки могут инфицировать беспрецедентно большое разнообразие хозяев.

Вы можете подумать, что инфекцию, вызванную зеркальными бактериями, можно вылечить с помощью антибиотиков того же действия. Вероятно, это сработает и может даже оказаться более легким для вашего кишечника, чем обычная антибактериальная терапия. Поскольку антибиотики также передаются по назначению, зеркальные версии этих препаратов не повлияют на микробиом вашего кишечника, точно так же, как обычные антибиотики не повлияют на зеркальные клетки.

Но люди - относительно небольшая часть экосистемы. Все остальные животные и растения также могут быть подвержены заражению зеркальными патогенами. Хотя можно представить себе разработку зеркальных антибиотиков для лечения инфекций человека, физически невозможно вылечить весь растительный и животный мир. Если все организмы восприимчивы даже к медленно протекающему заражению зеркальными бактериями, то не существует эффективного лечения, которое можно было бы применить ко всей экосистеме.

Лучше перестраховаться, чем потом сожалеть

"Зеркальная жизнь" - захватывающий предмет исследований и потенциальный инструмент, который может найти практическое применение в медицине и биотехнологии. Но для многих ученых, включая меня, ни одно из этих преимуществ не перевешивает серьезных последствий для здоровья человека и окружающей среды, которые несет "зеркальная жизнь".

Я и группа исследователей в области иммунологии, экологии, биобезопасности и охраны окружающей среды, включая тех, кто раньше активно работал над mirror life, провели тщательный анализ возможных проблем, связанных с созданием mirror life. Независимо от того, как мы на это смотрели, прямо перед собой или в зеркало, выводы были однозначны: потенциальные преимущества технологии mirror life не стоят такого риска.

Невозможно создать что-либо полностью надежное, и это включает в себя любые меры предосторожности, встроенные в зеркальную ячейку, которые могли бы предотвратить риск случайного или преднамеренного попадания в окружающую среду. Исследователи, работающие в этой области, включая нас, могут разочароваться в этом. Но отказ от создания зеркальных клеток может обеспечить безопасность планеты. Более активное обсуждение в мировом научном сообществе вопроса о том, какие исследования зеркальных биомолекул и связанных с ними технологий являются безопасными, а также о том, как регулировать эти исследования, может помочь защититься от потенциального вреда.

Хранение зеркальных ячеек внутри зеркала, а не превращение их в физическую реальность, - это самый простой способ оставаться в безопасности.

Источник