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生命演化偏爱单一手性：为何蛋白质几乎都是“左撇子”？

来源：晰数塔互联网快讯时间：2024年04月09日 12:27

2005年，Science杂志在庆祝创刊125周年之际发布了125个推动基础科学研究的最具挑战性的科学难题[1]。其中面向化学领域，提出了“为什么生命需要手性？（Why does life require chirality?）”的灵魂拷问（图1）。生命的手性是如何起源的，生命演化为什么偏爱单一的手性，是探寻生命起源奥秘的两大谜团。

图1. Science125个科学前沿问题之“为什么生命需要手性？”

什么是手性？

“手性”（chirality）这一术语源于希腊语“cheir”，译为“手”；顾名思义，就是指左手与右手的差异性。

图2. 人的左手和右手呈镜像对称且不可重合，具有手性；瓶子呈轴对称，没有手性。

理解这种差异性其实很简单，你只需要将右手掌心向下，再将左手掌心也向下叠在右手上，就会发现看似相同的两只手其实并不能完全重合，这就说明你的左手和右手是呈“手性”的。再仔细观察一下，你的左手和右手实际上是一种互为镜像关系，你的右手不能和右手本身的镜像重合，只能和左手的镜像重合；同理，你的左手也只能和右手的镜像重合在一起，这就解释了为什么当你做双手合十动作时，左右手可以完美重叠在一起（图2）。

通过对“手”的观察，相信你可以理解——任何东西，只要无法与自己在镜中的像重合，我们就说它具有手性[2]。

日常生活中的手性很普遍，沙滩上螺壳的螺纹；螺丝钉、螺口灯泡、钻头的螺纹；星级酒店的旋转楼梯；甚至引发自然灾害的台风都是手性的。这种特性不仅存在于宏观的自然界中，微观的生命活动也都依赖于分子的手性。

在地球上，组成生命的重要有机分子通常都具有手性。有意思的是，生命体对于这些有机分子基本单元的构型呈现出极致的选择偏向性。如：生命的遗传密码DNA和RNA都呈现右手性；而生命的重要组成“元件”——蛋白质，则大多呈现左手性（甘氨酸无手性），就是我们常说的“左撇子”（图3）。生命体表现出的这种同类型分子中某一种手性构型占大多数的情况，通常被称为“同手性”（homochirality）。

图3. 手性是自然界的基本属性。DNA与RNA分子均为右手性、蛋白质分子多为左手性。

两种假说解释生命的手性起源之谜

关于生物分子的手性起源，近几十年来，有些科学家认为组成生命的重要有机分子最早是在外太空制造出来，然后随着陨石才来到地球。1969年，有人在澳大利亚Murchison附近发现一颗重约100公斤的陨石[3]。经过元素分析，发现其中含有90多种组成生命体的重要分子，包括氨基酸、糖类、醇类等有机分子；并且所检测出的氨基酸分子中，左手性氨基酸占多数。

那么手性在太空中又是如何形成的呢？一种假说认为这可能是要归因于太空中恒星发出的圆偏振光（Circularly polarized light， CPL）的自旋效应。CPL有左旋和右旋之分[4]，具有手性的分子对于左旋和右旋光的吸收是不同的，吸收能力越强，化学反应发生得越快。

陨石的内容物长期暴露在外太空中单一手性的CPL下，最终导致了其中有机分子左旋和右旋的比例不同，在很大的宇宙空间内某一特定手性的有机分子不断积累。具有过量对映体[注释1]有机分子的宇宙尘埃不断聚合，形成彗星和陨石，最终在地球接近它们的运行轨道时穿过地球大气层，撞向地球，给地球带来了最初的手性有机分子（图4）。

图4. 澳大利亚Murchison陨石以及手性的宇宙起源假说模式图。

另一种假说认为生物分子的手性起源是由于手性诱导的电子自旋选择性（chiral-induced spin selectivity，CISS），这是一项新研究，近期发表于《美国国家科学院院报》（PNAS）[5]。

电子的自旋是一种量子属性，有两种可能的角动量状态，并常以其中一种形式存在，通常被称为“自旋向上”或“自旋向下”。手性分子[注释2]会根据电子的自旋旋转方向“分散”电子。这样具有相同自旋状态的电子会聚集在手性分子的极性处，并且一种分子的左旋版本和右旋版本在各自极性处聚集的电子自旋状态正好相反。

但电子的重新分布会影响手性分子与其他分子的相互作用（自旋相反的电子会互相吸引，自旋相同的电子会互相排斥）。因此，当手性分子接近磁性表面时，如果分子和表面具有相反的自旋，它们就会被拉得更近；如果具有相同的自旋，它们就会互相排斥。

科学家认为磁铁矿上的CISS效应导致了分子的手性起源：18亿至37亿年前，地球在缺氧环境下形成了丰富的水下沉积磁铁矿床，地球表面的紫外照射使得均匀磁化的磁铁矿中产生自旋极化的光电子；由于CISS效应，在磁铁矿表面发生生物有机分子的对映性选择化学反应，进而不同的手性有机分子被筛选出来——启动了让DNA、RNA、氨基酸等生物分子变得不对称的过程。

生命分子的产生和演变为何偏爱“左撇子”？

暂且相信是某种“外力”赋予了分子手性最初的倾向，那在地球漫长的演变过程中，是什么因素促使生命的基本结构单元——氨基酸分子在演化成“左撇子”的路上渐行渐远？

来自英国伦敦大学学院的生命起源化学家Matthew Powner和他的同事为这个问题提供了线索。在过去5年里，Powner团队发现了一组可能存在于早期地球的硫基分子，并展示了它们是如何毫不费力就将单个氨基酸与氨基酸前体——氨基腈连接起来，形成二肽[注释3]的过程。二肽在生命体内扮演着重要的角色，不仅参与功能蛋白质分子的构建，同时也作为信号分子参与调节生命体代谢、生长、发育等生理过程。

更重要的是，二肽分子是有手性的。前面我们已经了解到，地球生命除了少数动物、藻类和种子植物内含有少量右旋氨基酸之外（如：多种细菌细胞壁肽聚糖上存在右旋丙氨酸和右旋谷氨酸），组成地球生命体的氨基酸几乎都是左旋构象。由于二肽分子是由单个氨基酸与氨基酸前体——氨基腈连接形成的，其中氨基腈的手性可以通过化学合成方法进行调控，因此了解二肽的手性起源有助于理解生命分子演化的选择。

Powner团队合成二肽的反应在水中发生，并与生物体中发现的所有氨基酸协同作用，因此这项工作为揭示第一批蛋白质是如何形成的提供了一条合理的实验途径。然而Powner团队没有检查其准备的硫基催化剂是否具有手性偏向。

直到2024年2月，美国斯克利普斯研究所化学家Donna Blackmond及同事在Nature发表研究报告[6]，他们采用优化的反应条件，实现了氨基腈与氨基酸的催化肽连接反应，产生了2个互为对映异构体的二肽产物；产物的对映异构体比率被定义为2个产物的立体中心中，显示异手性和同手性二肽产物的相对浓度。

Blackmond团队通过监测不同实验条件（单一手性分子、不同单一手性分子和外消旋反应物组合、不同催化剂）下二肽的氨基酸对形成速率，发现催化肽连接反应倾向于异手性二肽产物（即L单体与D单体连接）的生成，在复杂反应混合物中会发生对称性破缺、手性放大和手性转移。

尽管催化肽反应趋向于异手性连接，但这种选择在实验中为生成同手性二肽产物和未反应底物的手性富集提供了一种作用机制。该团队进一步结合动力学计算模拟，预测了催化肽连接反应趋向于产生具有同左旋手性的二肽产物，并与实验数据相吻合（图5）。

虽然当前这种对生物有机分子手性的推动机制仅在二肽中得到了证实，但Blackmond表示，初步工作表明，当硫催化剂将短肽连接成更长的肽链时，也会出现相同的手性选择过程。这一发现不仅为我们理解生命的起源提供了新的视角，也为探索其他星球上可能存在的生命形式提供了新的思路。

图5. 基于硫基分子制备完全左手性二肽的实验室策略。

手性分子决定人类生存

试想人类在星际探索的过程中发现了一颗偏爱“右撇子”的星球，这颗地外星球上的地理条件、气候环境与地球完全一致，人类可以在这颗星球上生存吗？毋庸置疑，答案是否定的。因为地球上的生物是由左旋氨基酸组成的生命体，无法很好地代谢右旋分子。如果这颗地外星球上所有的生命分子都是右旋分子，对于我们地球生命而言就是无法被利用的“废物”，甚至有可能是毒物。

上世纪60年代，一种名为“反应停”（Thalidomide，沙利度胺）的手性药物就因暗藏一对手性异构体“孪生姐妹”（右旋体具有镇静作用，左旋体具有强烈的致畸作用），导致服用了该药物的孕妇产下了15000名四肢短小如海豹的畸形胎儿。这是药物发现史上的重大悲剧，也是制药历史上的重要转折点。

具有手性的氨基酸分子决定着我们在地球的存在方式。科学家针对蛋白质分子在生命演化过程中“左撇子”特性的研究工作，为探索生命起源提供了一把开启谜团的钥匙。正如文艺复兴时期著名的“左撇子”艺术家列奥纳多·达·芬奇引以为傲的“镜像书写方式”（从右向左书写，而且每个字母都是逆向的；镜像书写内容需要用镜子反射才能阅读）留给我们的启示——换一个思考问题的角度和方式，可能会更接近问题的本质。

图6. “左撇子”国际日标语与达·芬奇在《大西洋古抄本》中的镜像书写手稿。

术语注释：

1. 对映体：指互为物体与镜像关系的立体异构体，它们具有相同的分子式但空间排列不同。互为对映体的分子一个具有左旋性，一个具有右旋性。

2. 手性分子：指具有手性中心的分子结构，其中手性中心通常是一个连有四个不相同原子或基团的碳原子（手性碳原子）。

3. 二肽：二肽是由两个氨基酸残基通过肽键连接而成的分子。具有重要的生理功能，可通过调控化学合成方法构建不同手性的异构体。

参考文献：

[1] 125 questions: Exploration and discovery | Science | AAAS

[2] 手性，wikipedia.org

[3] https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/murchison-meteorite

[4] M.Avalos, R. Babiano, P. Cintas, J. L. Jiménez, J. C. Palacios, L. D. Barron, Absolute asymmetric synthesis under physical fields : facts and fictions. Chem. Rev. 1998, 98, 2391–2404.

[5] S. F. Ozturk, D. D. Sasselov, On the origins of life’s homochirality: Inducing enantiomeric excess with spin-polarized electrons. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2022, 119:28, e2204765119

[6] M. Deng, J.H. Yu, D.G. Blackmond, Symmetry breaking and chiral amplification in prebiotic ligation reactions. Nature. 2024, 626, 1019-1024

本文来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：李娜（中国科学院上海高等研究院研究员），本文受科普中国·星空计划项目扶持，出品：中国科协科普部，监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司