Этот перевод — компиляция статей о хиральных исследованиях ученого Тин Чжу и обеспокоенной реакции на них и подобные из Smithsonian Magazine, The Scientist, и NY Times.
Community Note: Всё, что вы прочитаете дальше про хиральность — правда. Жизнь на Земле действительно выбрала одну сторону, и никто не знает, почему. Притом часть этой статьи — не совсем наука. Или пока не наука. Теории о зеркальной жизни, параллельной биохимии и мирах с обратной хиральностью существуют на той территории, куда учёные заходят с осторожностью и редко возвращаются с ответами. Где заканчивается факт и начинается гипотеза, почти всегда можно понять по контексту. Почти.
Вы повёрнутый. Извините уж, но все мы такие. Даже критически важные для нашего существования молекулы, тоже в своём роде повёрнуты — они закручены в ту или иную сторону. Ваша самая известная молекула — ДНК. Это спираль, которая по принципу винтовой резьбы закручена вправо. Молекулы белков, закодированные в вашей ДНК, закручены влево. Даже такие простые сахара, как глюкоза, имеют спиральную форму.
Эта закрученность называется хиральностью, от греческого χείρ — рука. Почему она свойственна молекулам, из которых построена вся жизнь на Земле? Как и когда было определено лево- или праворукое хиральное закручивание компонентов жизни? Никто не знает — несмотря на то, что хиральность жизни известна учёным уже полтора столетия.
В 1848 году французский химик Луи Пастер вручную перебирал кристаллы винной кислоты, которая является побочным продуктом виноделия. Исследователь заметил, что они бывают двух типов — левые и правые, словно отражённые в зеркале. Пастер отделил эти две группы кристаллов друг от друга, растворил их в воде и пропустил через получившиеся растворы поляризованный свет. Растворы направляли свет в противоположные стороны. Так мир узнал о хиральности. Пастер был убеждён, что это свойство отличает живое от неживого. Он ошибался — неживые кристаллы тоже бывают хиральными. В главном великий химик оказался прав: биомолекулы почти всегда «одноруки».
Уже в 1886 итальянский химик Арнальдо Пиутти обнаружил, что аминокислота аспарагин существует в двух зеркальных версиях. При этом левозакрученная — безвкусная, а правая, не отличающаяся ничем, кроме своей хиральности, — сладкая. Элементарное зеркальное отражение изменило вкус вещества.
Далее, в начале 1960-х разразилась трагедия с талидомидом: препаратом, который в то время назначали беременным женщинам от утренней тошноты. Талидомид оказался ничем иным, как смесью двух зеркальных копий одной и той же молекулы, что вместо предполагаемого седативного эффекта вызывало тяжёлые пороки развития плода. Тогда стало окончательно ясно: живые организмы чрезвычайно чувствительны к хиральности. Если кормить бактерии «неправильными» аминокислотами, они их просто проигнорируют. А вот если заставить их включить зеркальные молекулы в свои белки — получится нечто странное.
Почему молекулы «закручены» именно так? Учёные до сих пор спорят: то ли это была чистая случайность — какая-то молекула «победила» в первобытном бульоне просто потому, что её оказалось чуть больше, и дальше это закрепилось, — то ли в деле замешаны фундаментальные законы физики. Например, нарушение симметрии, которое мы знаем по радиоактивному распаду. Пастер, кстати, был одержим этой идеей. В 1850-х он провёл серию экспериментов, которые с сегодняшней точки зрения кажутся чудаковатыми: выращивал растения на свету, отражённом в зеркалах, кристаллизовал вещества в магнитных полях — он думал, что, вероятно, некие внешние силы «навязывают» молекулам их закрученность. Всё оказалось тщетно. Лишь недавно исследователи из Гарварда высказали предположение, что магнетизм в минералах действительно мог сыграть роль в формировании особой хиральности самых ранних форм жизни — но это пока только гипотеза.
В 1990-х химик Стивен Кент из Чикагского университета решил проверить: что будет, если синтезировать белок целиком из зеркальных аминокислот. Его команда создала зеркальную версию одного из ферментов вируса ВИЧ. Оказалось, что она «работает» только с зеркальными же молекулами, полностью игнорируя природные. Это открыло неожиданное направление: а что, если использовать такие зеркальные белки как лекарства? Они не расщепляются пищеварительными ферментами, потому что те «настроены» на обычные молекулы. Они также не вызывают иммунного ответа и могут циркулировать в организме гораздо дольше. На мышах это работало. На людях — пока нет, но исследования продолжаются. Сейчас зеркальные пептиды изучают как потенциальное средство лечения рака, ВИЧ и болезни Альцгеймера, хотя ни одно такое лекарство ещё не одобрено. Вся идея держится на том, что зеркальные молекулы невидимы для наших защитных систем — они проходят сквозь организм незамеченными. Это как если бы вы налили в стакан обычную воду, а рядом поставили стакан с водой, в которой все молекулы — зеркальные. Вы бы не отличили их, но для бактерий и ферментов разница была бы колоссальной.
В этот момент на сцене появляется Тин Чжу, биохимик из Университета Вестлейк в китайском Ханчжоу. Будучи инженером-механиком по образованию, он, казалось бы, должен раскручивать токарный станок, а не цепочку ДНК. Чжу решил, что просто создавать отдельные зеркальные молекулы скучно. Надо собрать из них целую живую клетку. «Я считаю, что существует множество альтернативных вариантов развития жизни, — говорит Чжу. — Но среди всех них есть один, который, как мы точно знаем, сработал бы, и это — точная зеркальная копия нас самих». В 2016 году, ещё работая в Университете Цинхуа в Пекине, он синтезировал первый зеркальный фермент, способный копировать ДНК — только левозакрученную. Потом появились другие ферменты. В 2022 году его группа создала огромный белок, который читает гены и строит РНК — коллеги назвали это «монументальным сдвигом». Сейчас Чжу взялся за самое сложное: зеркальную рибосому. Это не просто один отдельный фермент, а огромный механизм, который строит белки из аминокислот внутри клетки. Рибосома состоит из десятков компонентов, и собрать её зеркальную копию — задача невероятной сложности. Чжу утверждает, что почти все компоненты уже готовы, но «дьявол кроется в деталях, а дьяволов много». Его конечная цель — создать зеркальную протоячейку, способную размножаться и обмениваться веществами. «Наша работа может положить начало новой форме жизни», — заявляет он. «Действительно, это сложно и непросто, но именно сложность делает этот процесс захватывающим, как восхождение на высокую гору».
Надо отдать Чжу должное: он работает не в отрыве от остального научного мира. Его научным руководителем был Джек Шостак, нобелевский лауреат из Гарварда, который сам давно занимается созданием искусственных клеток. Шостак говорит о работе Чжу так: «Создание клетки с полной зеркально-симметричной системой синтеза белка — это чрезвычайно амбициозная цель. Но я думаю, что стоит попробовать. Хотя бы для того, чтобы понять, какие проблемы являются наиболее сложными». То есть даже признанные авторитеты относятся к этому скорее как к интересному научному вызову, чем к ближайшей практической задаче. И это важно понимать. Чжу не собирается завтра выпускать зеркальную бактерию в мир. Он строит из кубиков — медленно, по одному кирпичику.
Звучит как научная фантастика, не правда ли? И, честно говоря, это она и есть. Концепция «зеркальных элементов» — создание целой зеркальной клетки — пока остаётся в основном на бумаге и в головах энтузиастов. Даже сам Чжу признаёт: никто ещё не создал реплицирующуюся синтетическую клетку даже из обычных, незеркальных молекул. Зеркальная версия — задача на порядок сложнее, и сколько там ещё «дьяволов», чёрт его знает.
Однако, как сегодня обычно происходит с новыми медицинскими и биологическими концепциями, есть и те, кто считает, что это не просто интересно — а смертельно опасно.
В декабре 2024 года группа из 38 видных биологов, включая, как это ни странно, того же Джека Шостака, научника Чжу, опубликовала в журнале Science тревожную статью. Учёные призвали немедленно прекратить исследования зеркальной жизни. Их аргументы звучат пугающе. Представьте себе зеркальную бактерию, которая проникла в организм человека. Наша иммунная система настроена на распознавание природных молекул — обычных белков и ДНК. Зеркальные молекулы она просто не видит. Иммунный ответ не включится. Зеркальная клетка начнёт размножаться в организме практически незаметно, и её нечем будет остановить. Антибиотики тоже не подействуют, потому что они связываются только с обычными белками и ДНК определённой формы, а с зеркальными не смогут буквально физически. Зеркальную версию антибиотика от зеркальных инфекций, может быть, и можно было бы разработать, но на это уйдут годы. К тому времени наша теоретическая зеркальная пандемия выйдет из-под контроля. «Последствия могут быть катастрофическими в глобальном масштабе», — говорит Джек Шостак.
Но это ещё не всё. Зеркальные клетки не только невидимы для иммунной системы человека — они невидимы для всех. Все животные полагаются на сенсоры патогенов, аналогичные тем, которые мы описали выше. И все они, видимо, не смогут распознать зеркальный организм. У растений свои детекторы инфекций, но и они окажутся бесполезны. «По сути, все растения в мире не смогут обнаружить эти бактерии», — предупреждает ботаник Джонатан Джонс. Даже если зеркальная клетка не заразит никого, а просто попадёт в реку или почву, высок риск, что она спровоцирует экологический хаос. Вирусы не смогут её заразить — они тоже заточены на определённую хиральность. Амёбы и другие хищники сочтут её неперевариваемой. Никто не будет её есть, никто не сможет её уничтожить. Без контроля зеркальные клетки начнут размножаться и доминировать в экосистемах. «Воздействие на пищевую цепь будет разрушительным», — говорит эволюционный биолог Дипа Агаше. А поскольку зеркальные клетки будут мутировать по мере размножения, они эволюционируют в ещё более серьёзную угрозу. «В таком случае все ставки отменяются, — сказал иммунолог Руслан Меджитов. — Невозможно предсказать, что произойдёт».
Вдумайтесь на секунду: если такая клетка появится, у неё не будет естественных врагов, которые могли бы её сдержать. Нет хищников, которые её едят. Нет вирусов, которые её заражают. Нет иммунитета, который её распознаёт. Она будет буквально неуязвима для всего, что эволюция создала за миллиарды лет. И она будет мутировать. Неизвестно, как быстро, но рано или поздно она научится использовать всё, что есть вокруг. Учёные, подписавшие предупреждение, сами признаются, что были бы рады ошибаться в своих догадках, но поводов для этого не находят. «Мы все изо всех сил пытались опровергнуть нашу собственную гипотезу, — делится эволюционный биолог Вон Купер. — И нам это не удалось».
Впрочем, всерьёз переживать не стоит. Во всяком случае, пока. Обеспокоившиеся учёные не доказали неизбежность катастрофы — они просто не видят в своих рассуждениях очевидных дыр. В рамках актуальных научных знаний такая угроза выглядит вполне реальной.
Исследовательница зеркальных клеток Кейт Адамала из Университета Миннесоты, участвовавшая в обсуждении, заявила: «Мы говорим: „Мы не будем этим заниматься“». Но кто сможет остановить остальных? Вопрос в том, как пресечь попытки других исследователей остаётся открытым. Учёные планируют обсудить его на более крупных встречах. Филиппа Ленцос, эксперт по биобезопасности из Королевского колледжа Лондона, которая не участвовала в проекте, говорит: «Я разделяю их точку зрения, что риски создания зеркальных бактерий не могут быть оправданы относительно ограниченными потенциальными преимуществами, и что зеркальные бактерии и другие зеркальные организмы создавать не следует». Она добавила, что обнародование этих выводов и призыв к широкому обсуждению «являются образцом ответственной науки сегодняшнего дня».
Всё это звучит как сценарий фильма-катастрофы. И, возможно, именно так оно и есть — это только сценарий и ничто больше. Потому что, опять же, никто не знает, можно ли вообще собрать целую зеркальную клетку. Даже если технически это возможно, неизвестно, сколько на это уйдёт времени — десять лет или сто. В конце концов, учёные, трубящие об опасности, сами не уверены в своём беспокойстве. Но стоит ли прекращать исследования из-за гипотетической угрозы? Чжу, судя по всему, не собирается останавливаться: «Всё, что я могу сделать, я сделаю в лаборатории. А то, чего я пока не могу сделать, я напишу в жанре научной фантастики».
Пожалуй, это самый честный ответ. Пока что зеркальная жизнь существует только в этом сценарии. И в лабораториях, где синтезируют отдельные молекулы. До целой клетки, способной к репликации, ещё очень далеко. Возможно, нам никогда не удастся её собрать, потому что некие фундаментальные ограничения сделают это невозможным. А может быть, мы просто ещё не нашли правильный подход. Одно важно понимать: даже если когда-нибудь такая клетка появится, последствия могут быть непредсказуемыми. И если уж серьёзные учёные, включая нобелевских лауреатов, призывают остановиться — возможно, к этому стоит прислушаться. Но, с другой стороны, наука всегда двигалась вперёд через риск. Исследования атомного ядра тоже когда-то казались опасными. Кто знает, может быть, зеркальная жизнь окажется не кошмаром, а ключом к новым лекарствам или даже к пониманию того, как всё началось. Но пока что — об этом просто интересно задуматься. И, пожалуй, не стоит паниковать раньше времени.
