拿着一面镜子了解生命的关键分子

分子生物学的中心法则认为 DNA 被转录成 RNA，然后被翻译成蛋白质。当然，也有例外——一些病毒，如冠状病毒，完全放弃 DNA 并将其遗传信息编码在 RNA 基因组中。其他病毒，如 HIV，具有 RNA 基因组，必须将其复制到 DNA 中，然后再转录回 RNA，然后才能制成蛋白质。但作为一般规则，“DNA 到 RNA 到蛋白质”描述了信息如何在细胞内移动。生物分子的一个独特属性是它们具有手性。自然存在的分子以大致相等的左手和右手品种的混合物出现。这意味着分子可以具有相同的原子和形状，但不能相互叠加。相反，它们是彼此的镜像，就像我们的左右手一样。 （这可能很难想象，这就是为什么在大学里学习有机化学的预科生花这么多时间玩那些球棒分子模型。）与天然分子不同，生物分子都是片面的。我们的核酸都是右旋的（称为 D，来自拉丁文 dexter），蛋白质都是左旋的（L 代表 laevus）。这是生物分子的独特特征，以至于 SETI 在寻找生命时将其用作标志性特征。路易斯巴斯德于 1848 年首次注意到这种片面性，从那时起科学家们一直在推测镜像生命。现在，他们离创造它又近了一步。 Ting F. Zhu 在北京清华大学的实验室一直在合成镜像中心法则所需的所有组件。研究人员使用合成化学方法合成了镜像 L-DNA 和 L-RNA 的短片段。但使用称为聚合酶的酶（即蛋白质）制造核酸更有效。但是我们用于此目的的天然蛋白质仅适用于 D-DNA。因此，实验室使用合成化学来制造镜像 D-蛋白质 DNA 聚合酶，并用它们复制短链 L-DNA。换句话说，正常蛋白质的镜像可以复制正常 DNA 的镜像。另外，研究人员调整了他们的 D 蛋白 DNA 聚合酶，将它们转变成 RNA 聚合酶，这样他们就可以将短链 L-DNA 转录成 L-RNA。这些聚合酶是惊人的概念证明，但它们效率低下且容易出错，而且它们只能生成短片段的 L-核酸。现在，朱实验室已经化学合成了一种称为 Pfu DNA 聚合酶的酶的镜像，该酶常用于 PCR 反应。这种酶是耐热的并且具有非常高的保真度。但它也大约是研究人员之前制造的聚合酶的两倍。科学家们必须将其合成为两部分，然后将它们连接在一起。

研究人员使用这种酶复制了一个长度为 1,500 个碱基的镜像基因，大约是早期聚合酶所能处理的长度的 10 倍。研究人员选择的基因编码核糖体 RNA，因此当他们可以转录它时，他们将拥有镜像核糖体的一部分。一旦他们获得了所有部件，他们就不必再依赖庞大的合成方法来制造镜像 D 蛋白。镜像 L-DNA 的一个潜在用途是，与其天然对应物 D-DNA 一样，它可以用作一种紧凑而可靠的信息存储手段。但与其天然对应物不同的是，它不能被酶降解，因为还没有人制造出可以降解它们的镜像 D-DNA 酶。为了演示一个应用，朱为环境水样制作了 DNA 条形码——你可以把条形码想象成使用碱基序列来表示“北京莲花池”之类的东西。加入后一天，当他试图从池塘样本中扩增正常的 D-DNA 条形码时，却找不到；它已经退化了。一年后仍可检测到镜像 L-DNA 条形码。好像这还不够聪明，他和他的实验室冒险进入隐写术。他们制造了一个半 D 半 L 的 DNA 关键分子；半正常和半镜像图像。作为参考文本，他们将巴斯德 1860 年的一段关于镜像生命的推测编码到 D-DNA 中。如果使用正常的 DNA 聚合酶读取密钥，则在使用 Pasteur 文本解码时会给出错误消息。但是如果用 L-DNA 聚合酶读取它，它就会从镜像 DNA 中获得秘密信息。显然，朱的团队现在打算制造镜像核糖体，将镜像 mRNA 翻译成镜像蛋白质。这是一个不小的壮举——核糖体非常复杂，涉及数十种蛋白质和几种 RNA 分子——但是，研究人员仍然相当快。当然，他们还计划制造镜像 D-DNA 酶，以“在用作生物遏制策略后消除存储信息的 L-DNA 分子”。