我們在地球上的“任期”是有時間限制的。最終我們的太陽會爆炸,地球上曾經存在的所有東西都會被蒸發掉。
逃離太陽系將是我們在這一終極事件中生存的唯一機會。然而,太空殖民確實受到了巨大的空間上的阻礙。
但是,還有一個替代方案。在太陽爆炸之前,我們可以把全部人類知識和關於我們和地球上的生命的所有資訊儲存在一小包L-DNA(左手性DNA)裡,可能不到1千克,然後把它送入太空,而不是真正的人類穿越遙的太空。其中將包括如何閱讀它的說明,以及如何從同一艘飛船上的冷凍卵子中重建人類和其他地球上的生命體。我們可以逃脫滅絕的命運,而不需要長途旅行。
我們只是希望,如果那個未來的包裹降落在另一個星球上並被外星智慧生物發現,它們的生命不是基於L-DNA的。否則,這個包裹雖然可以在茫茫宇宙中跋涉數百萬年,穿越億萬千米的空間,但最終卻會在到達後第天就被消化掉。為什麼呢?
把你的左手和右手放在一起看,它們顯然是相同的,但又明顯不同,如果你把雙手的手心朝上並保持這種狀態,然後把一隻手放在另一隻手的上面,你會發現,雖然左右手有著相同的特徵但它們並不重疊,實際上,它們是彼此的映象。複雜的生物分子中也存在“手性”的特徵。大多數有機分子都能以左手和右手的形式存在,被稱為L型(左手性)和D型(右手性),這兩個字母分別是 Laevus和 Dexter的縮寫,是拉丁語中左和右的意思,但這一特徵不叫左右手習慣( handedness),而是叫做"手性” (chirality),每個分子的兩種形式被稱為“立體異構體”。映象分子是在約170年前由法國著名化學家路易·巴斯德( Louis Pasteur)首次發現的,令人驚訝的是,這些映象分子是D型還是L型,對其化學性質幾乎沒有影響---它們的溶解度相同,反應速度一樣,熔點等性質也同樣。
但是,當涉及到生物學時,手性結構則能引起深刻的差異,因為地球上的生命通常只偏愛一種形式的分子。因此,酶在與這種形式的分子發生化學反應時最有效。當遇到L型分子時,為處理D型分子進化而來的酶往完全不起作用,反之亦然。
為了理解這種特異性,不妨再想想你的手。我們握手時,一般都會伸出自己的右手。這是因為當我們都用右手或都用左手時,雙方的手會完美地扣合在一起,這時手心是相對的,現在試著與另一個人握手,你用右手,他用左手。這顯然行不通,因為這時你的手心對著他的手背,兩隻手無法握在一起。
酶的作用是將分子鎖在一起,有點像握手。所以顯而易見,遇到L型分子時,為處理D型化合物進化而來的酶就不能有效地催化反應。
生命化學的某些方面主要基於D型---如糖類和DNA的代謝,而其他方面則主要基於L型---如氨基酸的代謝。
究競為什麼生命會有這種模式,仍是一個謎。當然,一旦有了酶系統,那麼很顯然它在進化過程中會保持固定不變,因為酶不能處理另外的手性形式。但為什麼一開始糖化學主要是以D型為基礎?長期以來,人們認為答案可能在幹不同化合物之間反應能量的微小差異。
但這些差異幾乎難以察覺,2019年,研究人員發現,這些反應能量的差異實在太小了,手性選擇性不可能在前生物化學中發生,那麼答案可能只有“偶然性”了。也許最初的生命是多手性的,但隨著酶開始進化,它不得不向某個方向發展---而這個方向是隨機的。糖類和DNA是D,氨基酸是L。
如果生命從頭開始重新進化,解決方就可能會有所不同。所有的生命都遵循相同的慣例,這一事實也有力地證明了地球上的所有生命是從一個做出手性選擇的共同祖先演變而來的。
如果有一天有人發現一個細菌或其他
微生物在其生命的化學過程中使用了另一種手性,那將是一個驚人的發現。巴斯德本人曾推測這種具有映象生物學的生物體可能存在。
化學物質的L型和D型之向的差異,以及生命的某些方面主要以L型為基礎,而其他方面主要以D型為基礎的事實,可能有一些實際的用處。以葡萄糖為例,L-葡萄糖在自然界中不存在,但我們可以人工製造它。
有些令人吃驚的是,L-葡萄糖和D-葡萄糖的味道一樣甜,但L-葡萄糖不能用來提供能量,因為糖酵解途徑中的第一種酶---磷酸化葡萄糖的己糖激酶,不能磷酸化L-葡萄糖。L-葡萄糖似乎可能是一種完美的人工甜味劑,然而事實證明它不是。
將L-葡萄糖作為潛在的食品甜味劑使用,有一段有趣的歷史,與太空旅行有關。20世紀60年代,美國航天局(NASA)對他們可能送往火星以探測那裡是否存在生命的實驗很感興趣。美國馬里蘭州一位名叫吉爾伯特·萊文( Gilbert levin)的科學家設計了一個基於葡萄糖氧化的實驗。他的想法是,既然地球上的所有生命都能利用葡萄糖,那麼這可能是生命的一個決定性特徵。因此,他建議開展一項實驗,將放射性葡萄糖與火星土壤的樣本混合。如果樣本釋放出放射性的二氧化碳---能被蓋革計數器自動檢測到,則表示葡萄糖已經被氧化,同時表明火星上有生命存在。
但是,萊文隨後想到,如果在火星上進化的生命在其糖化學中不是基於D型,而是基於L型,那會如何?火星上可能有不能氧化D-葡萄糖的生命,這樣的話實驗就會失敗。所以他建議同時使用L-和D-葡萄糖的放射性形式來進行實驗。然而,使用葡萄糖遇到一些技術問題,他最終改用了L型和D型的乳糖。
萊文的實驗於1976年搭載在維京號( Viking)著陸器上前往火星。得到的結果是肯定的。放射性乳糖與火星土壤混合後,被代謝成放射性二氧化碳。但這一結果與其他表明樣品中沒有有機物的結果相矛盾,人們認為這是由土壤中的非有機物(即非生物)氧化劑造成的。
儘管實驗失敗了,但萊文開始考慮他現在可以在地球上合成的L-和D-葡萄糖的用途。他推斷,如果某種形式的葡萄糖不能被代謝,那麼就可以用作人甜味劑---當然前提是我們能嚐到它的味道。因此,他對不同種類的葡萄糖溶液進行了盲品,結果發現沒有人能夠根據味道來區分L-和D-葡萄糖。
因此,他為使用L-葡萄糖作為低熱量甜味劑申請了專利。這是一個很棒的主意,但是,你從來沒有吃到過這種甜味劑。原因有兩個。首先,它的生產成本過高,萊文永遠無法將成本降低到足夠低,使其成為商業上可行的甜味劑。
目前,L-葡萄糖比D-葡萄糖的價格高出4000倍。其次,由於某種原因,人們發現它可以作為一種極其有效的瀉藥。因此,即使它能被更便宜地製造出來,也沒有人會願意消費它。
2021年8月的第一週,有一個讓人讚歎不已的例子,說明使用手性可能有些驚人的實際意義。長期以來,人們認為DNA的結構使其成為資訊儲存和恢復的理想生物分子。DNA的鹼基配對排列和使用3個相鄰鹼基對的密碼子來代表字母,使得它可以有效地在人工合成的DNA鏈上直接寫下東西。隨後,可以透過測序來讀取這些資訊。
這裡高效資訊儲存的潛力令人難以置信。一個細胞的細胞核包含的整個基因組約有30億個鹼基對,也就是約10億個密碼子。假設一本典型的書中包含約50萬個字母,那麼一個細胞核的DNA就相當於約2000本書。一個細胞核的直徑約為6微米,因此體積約為100立方微米。這意味著一塊尺寸僅為1毫米×1毫米x1毫米的材料,可以包含1000萬個細胞核,因此包含200億本書的資訊。這是很了不起的。
自從有文字以來,總計只有約1.3億本書被寫出來。這個小小的DNA立方體可以包含有史以來所有書中150倍的資訊量。
顯然DNA具有驚人的資訊儲存潛力。但存在一個問題---它也很容易被能降解它的酶所攻擊。因此,作為一個資訊儲存的分子,它的容量很大,壽命卻很短。但是,DNA是手性的。它是以D-核苷酸為基礎的。
如果我們能製造出L-DNA呢?從理論上講,它應該能夠抵抗自然產生的DNA酶的攻擊。這些酶被設計為只消化D-DNA,而這將帶來海量儲存能力和長期穩定性的理想組合。
這個簡單而絕妙的想法現在已經由清華大學朱聽教授的研究小組進行了驗證,並發表在《自然一生物技術》( Nature Biotechnology)雜誌上。他們所做的工作令人印象極為深刻,因為他們構建了一種L型的Pfu聚合酶,用於構建DNA。Pfu聚合酶在寫入DNA鏈時具有極高的保真度。估計的錯誤率只有130萬個鹼基中1個錯誤。這就是現在用於聚合酶鏈反應(PCR)的酶,它構成了PCR擴增儀的基礎。構建L-Pfu聚合酶是一項重大壯舉,涉及製造15個不同的蛋白質片段,然後將它們像一個巨大的拼圖一樣拼接在一起。透過製造L-Pfu聚合酶,他們可以合成L-DNA鏈。他們首先成功地合成了一個全長1500個鹼基對的細菌基因,以此來嘗試。
朱聽教授顯然具有強烈的歷史感(和幽默感),因為他們接下來所做的是用這個系統合成L-DNA鏈,這些鏈編碼子是巴斯德首次提出映象世界生物學的原始手稿中的一段文字。
為了測試這些分子在現實世界條件下的穩定性,他們做了一個有趣的測試。他們將L-DNA和對應的D-DNA鏈放入從當地的一個池塘“荷塘”收集的水中。池塘水含有大量的微生物,隨時準備著吞噬任何可用的有機分子。果然,1天后,D-DNA鏈就再也檢測不到了,它已經全部被水中的蟲子吞噬、消化和吸收利用。但是L-DNA的情況要好得多。一年之後,它仍然可以被回收和讀取。在蟲子們看來,這不是食物,因為它們基於D型的生理無法消化它。
因此,一個穩定的基於DNA的長期資訊系統的基礎已經建立。這是生物資訊儲存的一個巨大進步。