Czy “lustrzane życie” zagraża życiu na Ziemi?

Zanim wyjaśnimy, dlaczego naukowcy uważają, że świat może czekać zagłada, musimy wyjaśnić kilka pojęć z dziedziny chemii. Wiele związków chemicznych może występować w dwóch formach, które są swoimi lustrzanymi odbiciami (czyli są chiralne). Składają się z tej samej liczby atomów, tych samych pierwiastków, połączonych takimi samymi wiązaniami – ale różnią się jak lewa ręka od prawej.

Te lustrzane odbicia nazywa się enancjomerami. Oznacza się je najczęściej literami D i L od łacińskich skrótów oznaczających po prostu prawy (dexter) i lewy (laevus). Czasem nazywa się je „prawoskrętnymi” lub „lewoskrętnymi”.

Wśród takich związków są na przykład aminokwasy oraz nukleotydy, które tworzą DNA i RNA.

Wszystkie białka zbudowane są z lewoskrętnych aminokwasów, a DNA i RNA są zbudowane wyłącznie z prawoskrętnych nukleotydów. Żywe komórki produkują tylko prawoskrętne cukry. Każda cząsteczka glukozy we krwi to D-glukoza i z takich cząsteczek składa się skrobia, w której rośliny magazynują energię oraz ich budulec – celuloza.

Jest kilka teorii, które to tłumaczą. Za wybór jednego, a nie drugiego „kierunku” mogło odpowiadać na przykład pole magnetyczne. Ładunki elektryczne w cząstkach części aminokwasów są rozłożone nierównomiernie (są cząstkami polarnymi). Namagnesowane powierzchnie przyciągają lewoskrętne, a odpychają prawoskrętne aminokwasy.

To słaby efekt, ale może ulec wzmocnieniu – zwłaszcza przez 4,5 miliarda lat, bo tyle mniej więcej liczy ziemskie życie.

W prawo zwrot, czyli gotowanie i pieczenie

Nie jest tak, że D-aminokwasów w przyrodzie nie ma. Istnieją wyjątki, przede wszystkim wśród bakterii. Takie aminokwasy dość często wchodzą w skład peptydoglikanów, budulców ich ścian komórkowych.

U zwierząt kwas D-aspartamowy odgrywa istotną rolę w rozwoju układu nerwowego zwierząt, a D-seryna służy u ssaków jako neuroprzekaźnik wpływający na mechanizm uczenia się i zapamiętywania. Jednak żadne D-aminokwasy w organizmach zwierząt nie tworzą białek.

Prawoskrętne aminokwasy nie są nawet jakoś szczególnie rzadkie. Znajdziemy je w każdej kuchni, bo powstają z lewoskrętnych podczas podgrzewania białek. Na przykład przy gotowaniu, smażeniu lub pieczeniu.

Większość z nich jest obojętna dla zdrowia, choć gorzej przyswajalna niż ich naturalne formy. Jednak dzięki tej przemianie (zwanej izomeryzacją lub inwersją chiralną) długo pieczone mięso wydaje się smaczniejsze, gdyż prawoskrętne aminokwasy są słodsze od lewoskrętnych.

Wyjaśniałem to już w OKO.press przy okazji tego, czy kuchenki mikrofalowe modyfikują żywność i szkodzą zdrowiu w tekście z czerwca 2023 roku:

Aminokwasy ulegają przekształceniu z lewoskrętnych na prawoskrętne, choć wolniej, podczas rozkładu białek w niższych temperaturach. Ten fakt wykorzystuje się na przykład w medycynie sądowej.

Istnieją też pewne podejrzenia, że w białkach organizmów żywych prawoskrętne aminokwasy mogą powstawać z lewoskrętnych pod wpływem starzenia. Być może to one sypią piach w tryby komórkowych mechanizmów.

Po co naukowcom lustrzany świat

Gdy aminokwasy tworzy się sztucznie – czyli syntetyzuje – w laboratorium powstaje zwykle bardzo jednorodna mieszanina związków prawo- i lewoskrętnych. Reakcje chemiczne nie faworyzują tu żadnego kierunku.

Można zatem pokusić się o stworzenie białek zbudowanych z prawoskrętnych D-aminokwasów. Dla uproszczenia nazywajmy w tym tekście „prawoskrętnymi” również zbudowane z nich białka, choć to trochę nadużycie – nici białkowe skręcają się w różnych kierunkach i przypominają mocno splątane kłębki.

Naukowcy robią to głównie po to, by lepiej poznać budowę obecnych w organizmach żywych lewoskrętnych białek. Stworzenie lustrzanego odbicia pozwala spojrzeć pod innym kątem, co czasem ułatwia badanie budowy takich białkowych węzłów.

To bywa ważne, bowiem budowa białka decyduje na przykład o tym, czy zadziała dany lek. Za oprogramowanie do rozszyfrowywania budowy białek przyznano zresztą tegoroczną Nagrodę Nobla z dziedziny fizjologii i medycyny.

Prawoskrętne białka trudniej są też rozkładane przez organizmy żywe i mogą przyczynić się do stworzenia dłużej działających leków lub szczepionek.

Mając takie prawoskrętne białka, można już pokusić się o stworzenie całej „lustrzanej” komórki. Różniłaby się od każdej innej żywej komórki tylko tym, że budujące ją związki byłyby zwierciadlanym odbiciem tych, które występują w przyrodzie.

Sztuczne życie, czyli biologia syntetyczna

Biolodzy mają już za sobą pierwsze próby tworzenia „sztucznego życia” od podstaw. Pionierem takiej syntetycznej biologii jest Craig Venter. Jego zespół w 2010 roku ogłosił na łamach „Science”, że stworzył pierwszą „syntetyczną” komórkę.

Było w tym trochę przesady, bowiem nie stworzono komórki od podstaw. Do istniejącej komórki Mycoplasma capricolum wsadzono wtedy zmodyfikowany przez badaczy materiał genetyczny innej bakterii – Mycoplasma mycoides. Nowo powstałą komórkę nazwano M. mycoides JCVI-syn1.0.

Zespół pod kierunkiem Ventera wbudował w syntetyczne DNA „znaki wodne”, które pozwoliłyby takie komórki rozpoznać. Naukowcom nie można odmówić poczucia humoru, bowiem tymi znakami były między innymi nazwiska wszystkich 46 autorów pracy, trzy cytaty oraz sekretny adres mailowy.

Sztuczna komórka miała też wbudowane zabezpieczenia. Usunięto z niej geny, które odpowiadają za chorobotwórczość (M. mycoides jest pasożytem przeżuwaczy, głównie kóz). Dodano natomiast inne, które sprawiły, że sztuczny organizm był zależny od dwóch związków chemicznych.

Jednym z nich była tetracyklina, drugim analog galaktozy połączonej z bromowanym indolem, wykorzystywany jako biomarker w laboratoriach mikrobiologicznych. Bez ich obecności komórki sztuczne komórki nie mogły przeżyć, a szanse na ich przetrwanie poza laboratorium były zerowe. (Takie uzależnienie od dostarczanych z zewnątrz związków nazywa się auksotrofią, a organizm auksotrofem, co przyda nam się później).

W pełni syntetyczny organizm zespół Ventera uzyskał dopiero w 2016 roku, co również opisał w „Science”, eliminując z genomu M. mycoides te geny, które nie wpływają na funkcjonowanie komórki, czyli są dla niej zbędne. Z około 985 genów pozostawiono 473. Ten organizm nazwano M. mycoides JCVI-syn3.0, choć od zarania tego pomysłu w roku 2000 używa się też nazwy Mycoplasma laboratorium.

Życie po drugiej stronie lustra

Przed stworzeniem sztucznego życia, ale złożonego z prawoskrętnych aminokwasów i białek ostrzegają właśnie na łamach „Science” naukowcy.

To streszczenie raportu – analizy ryzyka związanego z tworzeniem „lustrzanych form życia”. Pełen dokument, zatytułowany „Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks” dostępny jest na stronie Stanford Digital Repository i liczy aż 299 stron.

Wśród 38 autorów są ekolodzy, biolodzy ewolucyjni, botanicy, zoologowie oraz specjaliści od biologii człowieka i immunolodzy. Są i biolodzy syntetyczni, w tym również Craig Venter. A nawet – co może dziwić – także biolodzy pracujący nad „lustrzanymi białkami”.

Jest tu także polski akcent. Wśród autorów jest noblista Jack Szostak (nagrodę otrzymał w 2009 roku wraz z Carol W. Greider i Elizabeth Blackburn za odkrycie jak zakończenia chromosomów są chronione przez telomery), który ma polskich pradziadków. Jest też jego była doktorantka, biolożka syntetyczna, Katarzyna Adamala, absolwentka Uniwersytetu Warszawskiego, obecnie wykładowczyni University of Minnesota.

W raporcie autorzy przypominają osiągnięcia biologii syntetycznej i podkreślają, że gdy uda się zbudować żywą komórkę od podstaw, nic nie będzie stało na przeszkodzie, by zbudować żywe komórki także ze zwierciadlanych aminokwasów i białek.

Na razie (jak przypominają) jeszcze przeszkody są. Nie potrafimy choćby tworzyć od podstaw ważnych komórkowych organelli, na przykład rybosomów. Jednak trudno jest przewidzieć postęp naukowy. W laboratoriach świata od lat toczą się przecież prace i nad stworzeniem komórek od podstaw, i nad tworzeniem „prawoskrętnych” białek.

To, co dziś jest niemożliwe, może stać się szybko wykonalne w wyniku niespodziewanego przełomu. Co wtedy, zastanawia się prawie czterdziestu ekspertów?

Czy lustrzane życie ma szanse przetrwać

Lustrzane wirusy mniej interesują naukowców. Po pierwsze dyskusyjne jest, czy to organizmy żywe. Nie toczą się w nich żadne procesy. To po prostu cząsteczki DNA lub RNA z opakowaniem.

Większość receptorów wykorzystywanych przez wirusy do wtargnięcia przez błony komórkowe jest chiralna, bo tworzą je białka zbudowane z L-aminokwasów. Lustrzane wirusy, zbudowane z lustrzanych związków byłyby niczym prawoskrętne klucze do lewoskrętnych zamków. Szanse na to, że mogłyby dostać się do komórek, są znikome (choć wyższe od zera).

Pierwsza „lustrzana komórka” będzie zapewne bakteryjna. I od razu nasuwa się pytanie, czy ma szanse się utrzymać, rozmnożyć i rozprzestrzenić. Zapewne przychodzi nam na myśl, że nie będzie to łatwe, bo do życia będzie potrzebować lustrzanych aminokwasów lub cukrów. Otóż niekoniecznie.

Po pierwsze, „zwykłe” bakterie mogą wykorzystywać wiele różnych związków. Są wśród mikroorganizmów takie, które syntetyzują pożywienie niczym rośliny. Są takie, które rozkładają po prostu związki niechiralne, pozbawione symetrii. I jest takich związków sporo (choćby kwasy tłuszczowe).

Po drugie, istnieją „zwykłe” bakterie, na przykład pospolite Escherichia coli, którym wszystko jedno, czy wykorzystują związki lewo- czy prawoskrętne. Zwierciadlane życie również może być pod tym względem niewybredne. Lustrzane bakterie nie musiałyby żywić się lustrzanymi związkami.

Po trzecie, jak może czytelnicy pamiętają, D-aminokwasy powstają w niewielkiej ilości z L-aminokwasów w wyniku rozkładu białek, zatem w przyrodzie „lustrzanych aminokwasów” nie brakuje.

No i (po czwarte) lustrzane życie produkowałoby coraz więcej lustrzanych związków, więc w środowisku stale by ich przybywało.

Wszystko to oznacza, że lustrzane mikroorganizmy nie będą mieć przeszkód, by się rozmnożyć. A to niedobra wiadomość.

Co nam zrobią lustrzane bakterie

Dlaczego to zła wiadomość?

Problem polega na tym – wyjaśniają naukowcy w „Science” – że większość mechanizmów odporności polega na rozpoznawaniu przez odpowiednie komórki układu odpornościowego pewnych związków na powierzchni bakterii.

Lustrzane bakterie będą wyposażone w zwierciadlane odbicia tych związków, zatem komórki układu odpornościowego ich nie rozpoznają. Odpowiedź organizmu na lustrzane zagrożenie będzie znacznie słabsza. A być może w ogóle żadna.

Nie są to teoretyczne rozważania.

Prowadzono już badania nad rozpoznawaniem prawoskrętnych białek przez układ odpornościowy kręgowców. Wynika z nich, że lustrzane związki nie wywołują produkcji przeciwciał. Mniej badań prowadzono na roślinach i bezkręgowcach, ale one również wskazują, że ich reakcja na lustrzane bakterie także jest osłabiona.

Lustrzane bakterie będą mogły z łatwością wnikać do organizmów i się w nich rozmnażać, czyli powodować infekcje. Układ odpornościowy nie będzie radził sobie z ich usuwaniem. A to oznacza, że zakażenia „lustrzanymi bakteriami” będą najczęściej śmiertelne.

Nie ma antybiotyków na lustrzane bakterie

Lustrzane bakterie nie będą mieć naturalnych wrogów (którymi są wirusy-bakteriofagi, inne bakterie oraz pierwotniaki). Będą też konkurencją, która podbierać będzie zasoby zwykłym mikroorganizmom. A wytwarzane przez znane nam bakterie i grzyby naturalne antybiotyki najczęściej nie będą działać na lustrzane życie.

Można szukać sposobów na lustrzane bakterie, ale zanim zostaną wynalezione, będą rozmnażać się praktycznie bez ograniczeń. Nie ma co tego bagatelizować, bo stanowi to zagrożenie ekologiczne na skalę planetarną.

“Podobnie jak rozprzestrzeniają się gatunki inwazyjne pozbawione naturalnych wrogów, obawiamy się, że lustrzane bakterie mogą gwałtownie rozmnażać się, ewoluować i różnicować w miarę rozprzestrzeniania. Stała i potencjalnie globalna obecność lustrzanych bakterii w środowisku może narazić ludzi, zwierzęta i rośliny na ryzyko śmiertelnych zakażeń” – piszą wprost autorzy publikacji.

Lustrzana katastrofa ekologiczna

Naukowcy postulują, by prace nad stworzeniem lustrzanego życia, jeśli mają być prowadzone, były ściśle monitorowane.

Można w nie na przykład wbudowywać obowiązkowe zabezpieczenia (takie, jak zespół Ventera wbudował w sztuczne bakterie Mycoplasma), czyli tworzyć tylko lustrzane mikroby, które będą auksotrofami.

Niestety nie oznacza to gwarancji, że taki organizm nie dostanie się w niepowołane ręce i ktoś za pomocą inżynierii genetycznej nie usunie takiego zabezpieczenia.

W takim wypadku nie powinniśmy liczyć na “lustrzane antybiotyki” czy na zmodyfikowane rośliny odporne na lustrzane bakterie. Jest mało prawdopodobne, że takie środki wystarczą, by powstrzymać lustrzane życie przed opanowaniem całych ekosystemów i wyrządzeniem nieodwracalnych szkód.

Opracowanie “lustrzanych antybiotyków” lub roślin odpornych na “lustrzane zakażenia” jest możliwe, jednak zajmie cenny czas (przez który lustrzane życie rozmnażać się będzie do woli). Są też niewielkie szanse na to, że lustrzane życie da się całkowicie wyeliminować, gdy dostanie się do środowiska, przestrzegają naukowcy.

Lustrzane życie pod nadzorem

Autorzy podkreślają, że korzyści ze stworzenia “lustrzanego życia” będą bardzo niewielkie. Potencjalne terapeutyczne korzyści z lustrzanych związków można badać już dziś, bez tworzenia lustrzanych organizmów. Mogłyby wytwarzać takie związki na większą skalę, ale można je produkować także syntetycznie – organizmy są tu zbędne.

Potencjalne ryzyko związane ze stworzeniem lustrzanego życia jest natomiast dużo większe niż korzyści. Dlatego naukowcy postulują, by objąć prace nad “lustrzanym życiem” ścisłym nadzorem.

Sugerują, by badania nad lustrzanymi związkami (aminokwasami i białkami) były rejestrowane, obrót takimi związkami ograniczony, a prace nad stworzeniem lustrzanego życia zakazane prawnie.

“Dopóki nie otrzymamy odpowiednich dowodów na to, że lustrzane życie nie niesie za sobą niezwykłych zagrożeń, sądzimy, że lustrzane bakterie i inne organizmy, nawet zaprojektowane z mechanizmami bezpieczeństwa, nie powinny zostać stworzone”, piszą naukowcy w “Science”.

Czy to naprawdę poważne?

Część z autorów tego dokumentu brała udział w projektach tworzenia lustrzanych organizmów. W wyniku prac nad raportem i po zapoznaniu się z jego wnioskami postanowiła się z takich projektów wycofać. Jeśli ktoś miał wątpliwości, czy to ryzyko jest spore, to ten ruch naukowców powinien go przekonać.

Autorzy raportu przyznają, że możliwość stworzenia życia lustrzanego jest odległa – przynajmniej o dekadę. Wymagałaby i poważnych nakładów finansowych, i postępu technologicznego.

Przypomnijmy, że stworzenie jakiegokolwiek organizmu od podstaw, nawet tak prostego, jak bakteria, to niebywały wysiłek. I jeśli się uda, będzie jednym z największych osiągnięć biologii.

Pozostaje mieć nadzieję, że lustrzanego życia nikt tworzyć nie zechce.

A może jest powód, dla którego lustrzane życie nie istnieje?

Nie znamy powodu, dla którego życie wybrało lewoskrętne aminokwasy, zaś prawoskrętne nukleotydy i cukry. Takie życie odniosło jednak niebywały ewolucyjny sukces. Jeśli istniało kiedyś “lustrzane” życie – nie przetrwało. Być może jest jakiś tego powód.

Hipoteza, zwana od nazwisk jej proponentów hipotezą Vestera-Ulbrichta, zakłada, że życie preferuje określone kierunki molekuł ze względu na prawa fizyki. Nie wdając się w fizyczne szczegóły, hipoteza ta zakłada, że białka zbudowane z lewoskrętnych aminokwasów są nieco bardziej stabilne, a zwierciadlane – mniej. Mniej trwałe może być również lustrzane DNA.

W złożonych z wielu białek komórkach, gdzie stale toczą się biochemiczne procesy, ta słabość mogła ulegać zwielokrotnieniu. Lustrzane życie mogło być po prostu słabsze od nam znanego.

Być może dlatego lustrzane życie przegrało w początkach życia na Ziemi. Może przegrałoby również teraz. Jednak zdecydowanie lepiej wyjdziemy na tym, jeśli postanowimy tego nie sprawdzać.