На пороге глобальной катастрофы? 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