所有的生命都只存在於鏡子的一側。更專業地說，構成生物的生物分子 - DNA，RNA和蛋白質 - 都是「手性的」。它們的積木有兩種可能的鏡像形狀，但在每種情況下，生命都只選擇一種。
近日，在《科學》雜誌上，研究人員報告說，他們已經在探索鏡子的另一面方面取得了長足的進步。他們重新設計了一種合成RNA的主力酶，使其形成鏡像形式。
然後，他們使用該酶構建製造核糖體所需的所有RNA，核糖體是負責構建蛋白質的細胞機器。其他成分仍然需要添加，但一旦完成，鏡像核糖體可能能夠產生蛋白質，這些蛋白質可以作為新的藥物和診斷方法，並且不能輕易在體內分解。
它還為一個更宏偉的目標奠定了基礎：創造鏡像生命，自從路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）在1848年發現鏡像化合物以來，這一前景就激發了科學家們的想像力。
「這是在鏡像世界中重建分子生物學中心教條的重要一步，」芝加哥大學化學名譽教授斯蒂芬肯特說。
這個教條指的是生命的標準操作程序：遺傳密碼（通常是DNA）被轉錄成相應的RNA序列，然後將其翻譯成在細胞中執行大部分基本化學反應的蛋白質。由蛋白質製成的精緻複雜的分子機器，或者在核糖體的情況下，蛋白質和RNA的組合執行每個步驟。
所涉及的每個分子都會產生手性產物。化學家長期以來一直能夠合成相反的DNA，RNA和蛋白質。但他們從來沒有能夠把所有的碎片放在一起，創造出鏡像的生命，甚至沒有足夠的碎片來觀察這種自負是否可能。
中國杭州西湖大學的合成生物學家朱婷多年來一直在朝著這一願景努力。在朱看來，第一步是製造鏡像核糖體——這個工廠可以製造許多其他鏡像部件。這可不是一件小事。核糖體是一個分子龐然大物，由三個大的RNA片段組成，總共由大約2900個核苷酸構建塊以及54種蛋白質組成。
「最具挑戰性的部分是製造長核糖體RNA，」朱婷說。化學家可以合成長達約70個核苷酸的片段並將它們縫合在一起。但是，為了使三個更長的核糖體RNA片段以鏡像形式出現，他們需要一種可以將它們取出的分子機器 - 聚合酶。
2016年，朱婷和同事們第一次嘗試了這項任務，從病毒中合成了聚合酶的鏡像版本。聚合酶產生鏡像RNA，但它很慢，容易出錯。
在目前的研究中，朱婷和研究生徐元開始合成一種鏡像版本的主力酶，用於全球分子生物學實驗室，以合成長RNA鏈，即T7 RNA聚合酶。它是一種巨大的883氨基酸蛋白質，遠遠超出了傳統化學合成的極限。
但對T7sX射線晶體結構的分析表明，這種酶可能被分成三個部分，每個部分都是由短片段縫合而成的。因此，他們合成了這三個部分 - 一個有363個氨基酸，第二個有238個氨基酸，第三個有282個氨基酸。
在溶液中，碎片自然摺疊成適當的3D形狀，並組裝成工作T7。「將這種大小的蛋白質放在一起是一項艱巨的努力，」德克薩斯A&M大學學院站的化學家Jonathan Sczepanski說。
然後研究人員將聚合酶投入工作。他們組裝了編碼團隊希望製造的三個長RNA片段的鏡像基因;然後鏡像T7 RNA聚合酶讀取代碼並將其轉錄到核糖體RNA中。
結果提供了鏡像分子力量的誘人一瞥。研究人員表明，由聚合酶形成的鏡像RNA比常規T7產生的正常版本穩定得多，因為它們不受天然存在的RNA咀嚼酶的影響，這些酶幾乎不可避免地污染了這些實驗並迅速破壞了正常的RNA。
同樣的抗降解能力「可能為全新的診斷和其他應用打開大門」，包括新葯，西北大學化學家和核糖體專家Michael Jewett說。例如，朱婷和徐元還使用他們的鏡像酶製造穩定的RNA感測器，稱為核糖開關，可用於檢測與疾病相關的分子，以及可用於存儲數字數據的穩定長RNA。
其他研究人員已經表明，稱為適配體的短鏈DNA和RNA的鏡像版本可以作為有效的候選藥物，逃避降解酶和免疫系統，從而破壞大多數傳統的適配體候選藥物。
然而，更廣泛地利用這種穩定性並不像創建現有藥物的鏡像副本那麼簡單，因為這些化合物，如錯誤手套，將不再與它們在體內的預期靶標的手性相匹配。相反，研究人員可能不得不篩選大量的鏡像候選藥物才能找到有效的藥物。
但Jewett和其他人表示，這項新工作可能有助於這一努力，因為它為製造功能性鏡像核糖體奠定了基礎。這些可以讓製藥公司更容易地創造鏡像氨基酸串或肽，Jewett說。由於肽從20個氨基酸構建塊中提取，而不僅僅是構成適配體的四個核酸，因此它們提供了更大的化學多樣性和潛在的更好候選藥物。
現在，朱婷和她的團隊需要製造鏡像核糖體的剩餘成分。他們合成的三個RNA片段約佔核糖體總質量的三分之二。剩下的是54種核糖體蛋白和幾種與核糖體協同工作的蛋白質，所有這些蛋白質都較小，因此可能更容易合成。那麼問題是完整的零件套件是否會組裝成核糖體。
即使他們這樣做了，由此產生的分子機器可能仍然無法正常工作，哈佛大學合成生物學家喬治·丘奇（George Church）警告說，他領導著世界上為數不多的研究小組之一，致力於研究鏡像生命的方法。
為了大量生產蛋白質，核糖體必須與一套額外的輔助蛋白質一起工作。為了在活細胞內發揮作用，丘奇認為有必要重寫生物體的遺傳密碼，以便工程核糖體能夠識別所有這些蛋白質，特別是運送氨基酸以構建新蛋白質的20種蛋白質。Church的小組正在研究這個問題。「這非常具有挑戰性，」他說。
但是，如果一切都結合在一起，研究人員和生命可能最終能夠進入一個鏡子世界。
