Зеркальная жизнь - Mirror life

Зеркальная жизнь (также называемая зеркально отраженной жизнью, хиральной жизнью или энантиомерной жизнью) - это гипотетическая форма жизни с зеркально отраженными молекулярными строительными блоками.[1][2][3][4][5] Возможность зеркальной жизни впервые обсуждалась Луи Пастер.[6] Хотя эта альтернативная форма жизни не была обнаружена в природе, попытки создать зеркальную версию молекулярного механизма биологии уже ведутся.[7]

Гомохиральность

Многие из основных молекул для жизни на Земле могут существовать в двух формах зеркального отображения, называемых «левосторонними» и «правосторонними», но живые организмы не используют обе. Белки состоят исключительно из левшей аминокислоты; РНК и ДНК содержат только правши сахара. Это явление известно как гомохиральность.[8] Неизвестно, возникла ли гомохиральность до или после жизни, должны ли строительные блоки жизни иметь эту особую хиральность и действительно ли жизнь должна быть гомохиральна.[9] Белковые цепи, построенные из аминокислот со смешанной хиральностью, имеют тенденцию не складываться или функционировать как катализаторы, но были созданы зеркальные белки, которые работают так же, но на субстратах с противоположной направленностью.[8]

Концепция

Гипотетически можно воссоздать всю экосистему снизу вверх в хиральной форме. Таким образом, возможно создание экосистемы Земли без микробных заболеваний. В далеком будущем можно будет использовать зеркальную жизнь для создания прочных, эффективных и свободных от болезней экосистем для использования на других планетах.[10]

Достижения в синтетическая биология, подобно синтез вирусов с 2002 г. частично синтетические бактерии в 2010 году или синтетические рибосомы в 2013 году может привести к возможности полного синтеза живой клетки из малых молекул, где мы могли бы использовать версии с зеркальным отображением (энантиомеры ) молекул, из которых состоит жизнь, вместо стандартных. Некоторые белки были синтезированы в зеркальных версиях, в том числе полимераза в 2016 году.[11]

Реконструкция обычных форм жизни в форме зеркального отображения с использованием зеркального (хирального) отражения их клеточных компонентов может быть достигнута путем замены левых аминокислот правосторонними, чтобы создать зеркальное отражение всех обычных белков. Аналогичным образом мы могли бы получить отраженные сахара, ДНК и т. Д., На которых отраженные ферменты работали бы идеально. Наконец, мы получили бы нормально функционирующее зеркальное отражение естественного организма - хирального двойника организма, с которым естественные вирусы и бактерии не могли взаимодействовать. Электромагнитная сила (химия) не изменяется при таком преобразовании молекулярного отражения (P-симметрия ). Существует небольшое изменение слабых взаимодействий при отражении, которое может привести к очень небольшим поправкам, но эти поправки на много порядков ниже теплового шума - почти наверняка слишком малы, чтобы изменить какую-либо биохимию.[нужна цитата ] Однако существуют теории, согласно которым слабые взаимодействия могут иметь большее влияние на более длинные нуклеиновые кислоты или белковые цепи, что приводит к гораздо менее эффективному превращению зеркальных рибозимов или ферментов, чем нормальные рибозимы или ферменты.[12]

Хиральные животные должны будут питаться отраженной пищей, производимой отраженными растениями. Однако большое преимущество состоит в том, что такие хиральные организмы должны жить без болезней и быть полностью невосприимчивыми ко всем вирусам и микробам.

Вирусы были бы полностью несовместимы с отраженными клеточными структурами; а бактерии, простейшие и грибы не могли функционировать, потому что они не могли найти нормальный сахар внутри отраженных организмов. Обратные сахара, циркулирующие в теле хирального организма, были бы неудовлетворительными для нормальных бактерий, поэтому любая бактерия, попадающая в хиральный организм, просто умрет от голода. Хиральная среда враждебна нормальным вирусам, простейшим, бактериям и т. Д.

Зеркальная жизнь представляет собой потенциальную опасность. Например, хирально-зеркальная версия цианобактерии, которому нужны только ахиральные питательные вещества и свет для фотосинтез, может захватить экосистему Земли из-за отсутствия естественных врагов, нарушив основу пищевой цепочки, производя зеркальные версии необходимых сахаров. Некоторые бактерии могут перевариваться L-глюкоза; подобные исключения дадут некоторым редким формам жизни неожиданное преимущество.

Прямые приложения

Прямое применение зеркально-хиральных организмов может привести к массовому производству энантиомеры (зеркальное отображение) молекул, произведенных нормальной жизнью.

  • Энантиопулярные препараты - некоторые фармацевтические препараты обладают различной активностью в зависимости от энантиомерной формы,
  • Аптамеры (Lаптамеры -рибонуклеиновой кислоты ): "Это делает зеркальную биохимию потенциально прибыльным бизнесом. Одна компания, которая на это надеется, Ноксон Фарма в Берлине. Он использует трудоемкий химический синтез для создания зеркальных форм коротких цепей ДНК или РНК, называемых аптамерами, которые связываются с терапевтическими мишенями, такими как белки в организме, чтобы блокировать их активность. У фирмы есть несколько кандидатов в зеркальные аптамеры для испытаний на людях при заболеваниях, включая рак; идея заключается в том, что их эффективность может быть улучшена, поскольку они не разлагаются ферментами организма. По словам Свена Клуссманна, главного научного сотрудника Noxxon Pharma, процесс репликации зеркальной ДНК может предложить гораздо более простой способ получения аптамеров ».[13]
  • L-глюкоза, энантиомер стандарта глюкоза, тесты показали, что на вкус он похож на обычный сахар, но не метаболизируется таким же образом. Однако он никогда не продавался из-за чрезмерных производственных затрат.[14] Более поздние исследования позволяют производить дешевое производство с высокими урожаями, однако авторы заявляют, что его нельзя использовать в качестве подсластителя из-за слабительного эффекта.[15]

В художественной литературе

Создание одного хирального человека - основа истории Артура Кларка 1950 года "Техническая ошибка "из Сборника историй. В этой истории физическая авария превращает человека в его зеркальное отражение, что теоретически объясняется путешествием через четвертое физическое измерение.

В романе 1970 г. "Спок должен умереть! Джеймс Блиш, научный сотрудник USS Enterprise, воспроизведен в хиральной форме из-за несчастного случая с транспортером. Он запирается в лазарете, где он может синтезировать хиральные формы основных питательных веществ, необходимых для его выживания.

Инопланетная машина, которая обращает внимание на хиральность, и кровный симбиот, который функционирует должным образом только в одной хиральности, были центральными в романе Роджера Желязны 1976 года. Дверные проемы в песке.

На титульной планете Шери С. Теппер Роман 1989 года Трава, некоторые формы жизни эволюционировали, чтобы использовать правосторонний изомер аланин.

В фантастическом романе 2014 года Cibola Burn к Джеймс С. А. Кори, на планете Илус есть местная жизнь с частично отраженной хиральностью. Это делает людей-колонистов неспособными переваривать местную флору и фауну и значительно усложняет традиционное земледелие. Следовательно, колонистам приходится полагаться на гидропонное земледелие и импорт продуктов питания.

В 2017 году Даниэль Суарес В романе «Агент изменений» антагонист Отто по прозвищу «Человек-зеркало» оказывается генетически сконструированным энантиомерным человеком. Он смотрит на других людей с пренебрежением и самим своим присутствием вызывает у них необъяснимое отвращение.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Певица Эмили (26 ноября 2014 г.). «Новый поворот в истории начала жизни». Журнал Quanta. Получено 8 мая 2018.
  2. ^ Маркус, Шмидт (2010). «Ксенобиология: новая форма жизни как высший инструмент биобезопасности». BioEssays. 32 (4): 322–331. Дои:10.1002 / bies.200900147. ЧВК  2909387. PMID  20217844.
  3. ^ Церковь, Джордж М. (2014). Возрождение того, как синтетическая биология изменит природу и нас самих. Нью-Йорк: Основные книги. ISBN  9780465038657.
  4. ^ Сойер, Эрик (11 января 2013 г.). «Единственная популярная книга по синтетической биологии». Scitable. Природное образование. Получено 8 мая 2018.
  5. ^ Асеведо-Роча, Карлос Г. (2015). «Синтетическая природа биологии». В Хагене, Кристин; Энгельхард, Маргрет; Топфер, Георг (ред.). Амбивалентность создания жизни: социальные и философские аспекты синтетической биологии. Springer. С. 9–54. ISBN  978-3-319-21088-9.
  6. ^ Сигель, Дж. (1992-11-20). «Левосторонние комментарии». Наука. 258 (5086): 1290. Bibcode:1992Научный ... 258.1289B. Дои:10.1126 / science.1455216. ISSN  0036-8075. PMID  1455218.
  7. ^ Пеплоу, Марк (2018-07-25). «Разговор с Тин Чжу». ACS Central Science. 4 (7): 783–784. Дои:10.1021 / acscentsci.8b00432. ISSN  2374-7943. ЧВК  6062833. PMID  30062104.
  8. ^ а б Plaxco, Кевин В.; Майкл, Майкл (2011). Астробиология: краткое введение. JHU Press. С. 140–141. ISBN  978-1-4214-0194-2.
  9. ^ Седбрук, Даниэль (28 июля 2016 г.). «Должны ли молекулы жизни всегда быть левыми или праворукими?». Smithsonian.com. Получено 8 мая 2018.
  10. ^ Боханнон, Джон (2010). «Зеркальные клетки могут изменить науку - или убить всех нас». Проводной. 18 (12).
  11. ^ Ван, Цзымоу; Сюй, Вэйлян; Лю, Лэй; Чжу, Тинг Ф. (2016). «Синтетическая молекулярная система, способная к зеркальной генетической репликации и транскрипции». Химия природы. 8 (7): 698–704. Bibcode:2016НатЧ ... 8..698Вт. Дои:10.1038 / nchem.2517. ISSN  1755-4330. PMID  27325097.
  12. ^ Питкянен, М. «Может ли репликация зеркальной ДНК научить чему-то хиральному…» (PDF). Топологическая геометродинамика. Получено 27 июля 2018.
  13. ^ Пеплоу, Марк (16 мая 2016 г.). «Зеркальный фермент копирует зеркальную ДНК». Природа. 533 (7603): 303–304. Bibcode:2016Натура.533..303П. Дои:10.1038 / природа.2016.19918. PMID  27193657.
  14. ^ Естественный способ оставаться сладким, НАСА
  15. ^ Мартинес, РФ (5 декабря 2013 г.). «Коротко и сладко: от (D) -глюкозы до (L) -глюкозы и (L) -глюкуроновой кислоты». Angewandte Chemie International Edition. 53 (4): 1160–2. Дои:10.1002 / anie.201309073. PMID  24310928. Epub 2013 5 декабря.