Хто і навіщо намагається отримати живі організми з дзеркально відображених молекул - і чому цей пошук може закінчитися глобальною катастрофою?
Природа часто-густо демонструє дивовижну однобокість. Мушлі звичайних равликів-ставків закручуються строго за годинниковою стрілкою, а мутації, що викликають закручування в протилежному напрямку, призводять до розвитку повністю «дзеркального» молюска, з протилежно розташованими органами. Кілька років тому біологам вдалося знайти пару такому «зворотному» прудовику; теоретично, вони можуть стати засновниками нової популяції, нездатної спарюватися зі звичайними равликами, і з часом виділитися в новий «дзеркальний» вигляд.
Однак однобічність природи заходить куди глибше анатомії. Амінокислоти, з яких складаються білки, а також ті, що входять до складу нуклеїнових кислот цукру (рибозу і дезоксирибозу), теж можуть бути ліво- або правосторонніми, як кисті наших рук. Такі ізомери абсолютно однакові за складом, але відрізняються за структурою, як дзеркальні відображення один одного.
З нашого боку
Їх можна розрізнити, пропускаючи через розчин поляризоване світло, хвилі якого коливаються в одній певній площині. Одна структура поверне цю площину за годинниковою стрілкою, інша - проти неї. Навіть називають їх відповідно: правовертаючими (+ або D) і ліворуч (- або L) оптичними ізомерами. В іншому ж фізичні та хімічні властивості таких молекул повністю ідентичні. Не існує реакції, яка дозволила б отримати тільки L- або D-амінокислоти, і «в пробірці» вони утворюються в рівній суміші. Їх не можна розділити за температурою кипіння або щільності, але ось живі організми демонструють крайню вибірковість.
Всі ми - від найдрібніших бактерій до великих державних діячів - використовуємо білки, що складаються тільки з L-амінокислот, а також ДНК і РНК, що включають тільки D-цукру. Винятки відомі, але вони дійсно поодинокі. Наприклад, деякі бактерії використовують D-амінокислоти для синтезу антибіотиків і боротьби з конкурентами. Пара D-амінокислот синтезується і в організмах ссавців, граючи роль медіаторів нервової системи. Але все це - крапля в дзеркальному морі життя.
Її сувора прихильність L-амінокислотам і D-цукрам, мабуть, йде в дуже далеке минуле, аж до останнього загального предка, який жив понад 3,5 млрд років тому. Чи випадковість це, чи в такій конфігурації дійсно є певний сенс, досі невідомо. Можливо навіть, що життя здатне бути і «універсальним», - але наше виявилося суворо виборчим. Така особливість дозволяє датувати стародавні останки: з часом L-ізомери спонтанно переходять в D-форму, поки їх ставлення не стане рівним. Швидкість цього процесу відома, і за кількістю D-амінокислот можна з'ясувати час смерті зразка.
Вдивляючись у відображення
Вважається, що першим про можливість існування «дзеркального» життя, побудованого з D-амінокислот і L-цукрів, говорив ще Луї Пастер. Теоретично, біохімія таких організмів буде майже повністю несумісна з нашою. Їх ферменти просто не зможуть використовувати ті ж субстрати, що і ми, як дзеркальний ключ не підійде до того ж замку. Для біотехнологій такі бактерії можуть виявитися справжнім кладом. Синтезувати багато потрібних молекул здатні і вони, зате жоден вірус не вразить таку «протилежну» культуру. А вірусна загроза нависає над такими виробниками постійно - можна згадати катастрофічну епідемію, яка кілька років тому призвела до закриття виробничих ліній компанії Genzyme і багатомільйонних збитків. Досить багатообіцяючою вважається і сама можливість масового отримання нестандартних ізомерів з новими біологічними властивостями. Наприклад, L-глюкоза здатна надавати продуктам солодкий смак, але при цьому не засвоюється організмом і, мабуть, не призводить до шкідливих наслідків на кшталт зайвої ваги.
З не меншим інтересом переслідують «дзеркальне» життя вчені. Їх вивчення - та хоча б і сама можливість існування - дали б масу цінної інформації. Ми могли б краще зрозуміти, звідки взялося життя і як розвивалося, якою воно може і не може бути на Землі і на далеких небесних тілах. Недарма з таким великим ентузіазмом розробляє цю тему Дімітар Сасселов, відомий болгарсько-американський астрофізик, фахівець з екзопланет і голова проекту Origins of Life Initiative. Втім, його соратники тут не менш знамениті, включаючи гарвардського біолога Джорджа Черча, який прославився створенням повністю штучних клітин, всі компоненти яких синтезовані «в пробірці».
Перехід на інший бік
Варто зауважити, що повністю синтетичні білки, зібрані з «задзеркальних» D-амінокислот, вчені отримували ще в 1990-х. Така вірусна протеаза ВИЧ-1 була випробувана і дійсно продемонструвала вибірковість до своїх, «задзеркальних» молекул, - що і було потрібно довести. Але план Дімітара Сасселова і Джорджа Черча заходить куди далі. Ще в 2009 команді Черча вдалося синтезувати «з нуля» працюючі рибосоми, клітинні «фабрики» з виробництва білків. Від цієї відправної точки вчені і рухаються «на той бік дзеркала».
Очікується, що комп'ютерне моделювання дозволить підібрати таку конфігурацію рибосоми, при якій вона зможе працювати з D-амінокислотами, з'єднуючи їх у ланцюжки білків. Крім того, синтетичні клітини, отримані Черчем, включають мінімальний набір з приблизно 150 генів. Такі РНК - вже в «дзеркальній» формі - і можна надати для рибосоми як вихідні матриці для отримання всіх ключових «дзеркальних» білків. Таку біохімічну машинерію залишиться лише укласти в оболонку, отримавши першого представника «з того боку» (благо, ліпіди клітинних мембран не володіють ізомерією і залишаться тими ж, що і у нас).
На жаль, нових повідомлень про хід цих робіт немає вже досить давно. Зате гучне повідомлення було зроблено біологами з Китаю: у 2016 р. команді Тін Чжу (Ting Zhu) і його колеги з Університету Ціньхуа зуміли отримати з D-амінокислот важливий фермент - полімеразу, яка здатна виробляти «дзеркальні» молекули РНК, використовуючи матриці «дзеркальних» ДНК і потрібні компоненти, включаючи L-рібозу. Це важливий крок може забезпечити штучні рибосоми всім потрібним для роботи і масового синтезу білків «зворотного» життя. За словами професора Чжу, тепер вони б'ються над наступним кроком - тією ж, що і у Сасселова і Черча, завданням створення «дзеркальних» рибосом.