|
Зазеркальная жизнь
|
|
|
|
Кто и зачем пытается получить живые организмы из зеркально отраженных молекул, - и почему этот поиск может закончиться глобальной катастрофой. Природа сплошь и рядом демонстрирует удивительную однобокость. Ракушки обыкновенных улиток-прудовиков закручиваются строго по часовой стрелке, а мутации, вызывающие закручивание в противоположном направлении, приводят к развитию полностью «зеркального» моллюска, с противоположно расположенными органами. Несколько лет назад биологам удалось найти пару такому «обратному» прудовику; теоретически, они могут стать основателями новой популяции, неспособной спариваться с обычными улитками, и со временем выделиться в новый «зеркальный» вид.
|
|
|
|
Однако односторонность природы заходит куда глубже анатомии. Аминокислоты, из которых состоят белки, а также входящие в состав нуклеиновых кислот сахара (рибоза и дезоксирибоза) тоже могут быть лево- или правосторонними, как кисти наших рук. Такие изомеры совершенно одинаковы по составу, но отличаются по структуре, как зеркальные отражения друг друга.
|
|
|
Их можно различить, пропуская через раствор поляризованный свет, волны которого колеблются в одной определенной плоскости. Одна структура повернет эту плоскость по часовой стрелке, другая - против нее. Даже называют их соответственно: правовращающими (+ или D) и левовращающими (- или L) оптическими изомерами. В остальном же физические и химические свойства таких молекул полностью идентичны. Не существует реакции, которая позволила бы получить только L- или D-аминокислоты, и «в пробирке» они образуются в равной смеси. Их нельзя разделить по температуре кипения или плотности, но вот живые организмы демонстрируют крайнюю избирательность.
|
|
|
|
Все мы, от мельчайших бактерий до крупных государственных деятелей, используем белки, состоящие только из L-аминокислот, а также ДНК и РНК, включающие только D-сахара. Исключения известны, но они действительно единичны. Например, некоторые бактерии используют D-аминокислоты для синтеза антибиотиков и борьбы с конкурентами. Пара D-аминокислот синтезируется и в организмах млекопитающих, играя роль медиаторов нервной системы. Но все это - капля в зеркальном море жизни.
|
|
|
|
Ее строгая приверженность L-аминокислотам и D-сахарам, по-видимому, уходит в очень далекое прошлое, вплоть до последнего всеобщего предка, жившего более 3,5 млрд лет назад. Случайность ли это, или в такой конфигурации действительно есть определенный смысл, до сих пор неизвестно. Возможно даже, что жизнь способна быть и «универсальной», - но наша оказалась строго избирательной. Такая особенность позволяет датировать древние останки: со временем L-изомеры спонтанно переходят в D-форму, пока их отношение не станет равным. Скорость этого процесса известна, и по количеству D-аминокислот можно выяснить время смерти образца.
|
|
|
|
Вглядываясь в отражение
|
|
|
|
Считается, что первым о возможности существования «зеркальной» жизни, построенной из D-аминокислот и L-сахаров, говорил еще Луи Пастер. Теоретически, биохимия таких организмов будет почти полностью несовместима с нашей. Их ферменты просто не смогут использовать те же субстраты, что и мы, как зеркальный ключ не подойдет к тому же замку. Для биотехнологий такие бактерии могут оказаться настоящим кладом. Синтезировать многие нужные молекулы способны и они, зато ни один вирус не поразит такую «противоположную» культуру. А вирусная угроза нависает над такими производителями постоянно - можно вспомнить катастрофическую эпидемию, которая несколько лет назад привела к закрытию производственных линий компании Genzyme и многомиллионным убыткам. Весьма многообещающей считается и сама возможность массового получения нестандартных изомеров с новыми биологическими свойствами. Например, L-глюкоза способна придавать продуктам сладкий вкус, но при этом не усваивается организмом и, видимо, не приводит к вредным последствиям вроде лишнего веса.
|
|
|
|
С не меньшим интересом преследуют «зеркальную» жизнь ученые. Их изучение - да хотя бы и сама возможность существования - дали бы массу ценной информации. Мы смогли бы лучше понять, откуда взялась жизнь и как развивалась, какой она может и не может быть на Земле и на далеких небесных телах. Недаром с таким большим энтузиазмом разрабатывает эту тему Димитар Сасселов, известный болгарско-американский астрофизик, специалист по экзопланетам и глава проекта Origins of Life Initiative. Впрочем, его соратники тут не менее знамениты, включая гарвардского биолога Джорджа Чёрча, который прославился созданием полностью искусственных клеток, все компоненты которых синтезированы «в пробирке».
|
|
|
|
Переход на другую сторону
|
|
|
|
Стоит заметить, что полностью синтетические белки, собранные из «зазеркальных» D-аминокислот, ученые получали еще в 1990-х. Такая вирусная протеаза ВИЧ-1 была испытана и действительно продемонстрировала избирательность к своим, «зазеркальным» молекулам, - что и требовалось доказать. Но план Димитара Сасселова и Джорджа Чёрча заходит куда дальше. Еще в 2009 команде Чёрча удалось синтезировать «с нуля» работающие рибосомы, клеточные «фабрики» по производству белков. От этой отправной точки ученые и двигаются «на ту сторону зеркала».
|
|
|
|
Ожидается, что компьютерное моделирование позволит подобрать такую конфигурацию рибосомы, при которой она сможет работать с D-аминокислотами, соединяя их в цепочки белков. Кроме того, синтетические клетки, полученные Чёрчем, включают минимальный набор из примерно 150 генов. Такие РНК - уже в «зеркальной» форме - и можно предоставить для рибосомы в качестве исходных матриц для получения всех ключевых «зеркальных» белков. Такую биохимическую машинерию останется лишь заключить в оболочку, получив первого представителя «с той стороны» (благо, липиды клеточных мембран не обладают изомерией и останутся теми же, что и у нас).
|
|
|
|
К сожалению, новых сообщений о ходе этих работ нет уже достаточно давно. Зато громкое сообщение было сделано биологами из Китая: в 2016 г. команде Тин Чжу (Ting Zhu) и его коллеги из Университета Циньхуа сумели получить из D-аминокислот важный фермент, полимеразу, которая способна производить «зеркальные» молекулы РНК, используя матрицы «зеркальных» ДНК и нужные компоненты, включая L-рибозу. Это важный шаг может обеспечить искусственные рибосомы всем нужным для работы и массового синтеза белков «обратной» жизни. По словам профессора Чжу, теперь они бьются над следующим шагом - той же, что и у Сасселова и Чёрча, задачей создания «зеркальных» рибосом.
|
|
|
|
Зазеркальная угроза
|
|
|
|
Эти работы не так уж и невинны, как может показаться. Во-первых, никто не знает потенциальной токсичности всей массы «зеркальных» молекул, которые будут производить такие организмы. Знаменитая и трагическая история талидомида - тревожное указание на такую возможность. Этот препарат широко применялся в качестве снотворного в США на рубеже 1950-1960 гг., пока не обнаружился его опасный тератогенный эффект, который привел к рождению тысяч детей с тяжелыми врожденными дефектами. Последующие исследования показали, что основную опасность имел лишь один из изомеров этой молекулы, также способной существовать в виде двух альтернативных структур.
|
|
|
|
Другая потенциальная опасность не столь бросается в глаза. Дело в том, что «зеркальные» бактерии не могут быть патогенами обычных организмов. Однако и сами они оказываются неуязвимы для обычных опасностей и инфекций. Теперь представим, что такая клетка, способная к фотосинтезу, «сбежала» из лаборатории в природу. Недоступная для вирусов, бесполезная для хищников, она будет иметь огромное преимущество перед обычными земными аналогами, вместе с тем конкурируя с ними за многие ресурсы - свет, воду, минералы. «Тогда разверзнется ад», - уверяет американский климатолог Джим Кастинг (Kim Kasting).
|
|
|
|
По его расчетам, достаточно буквально одной капли суспензии «зеркальных» цианобактерий, чтобы со временем они захватили Мировой океан, вытеснив его современных обитателей и нарушив все пищевые цепочки. Глобальное похолодание и всеобщий голод - лишь одни из возможных последствий нашествия «с той стороны». Впрочем, уже знакомый нам Джордж Чёрч призывает не судить о проблеме сгоряча. «Я мог бы быть в числе первых, кто призывает запретить создание фотосинтезирующих «зеркальных» клеток, - говорит он. - Но вообще я не слишком расположен ограничивать то, чего не существует в природе».
|
|
|
|
Источник
|
