Вытяните руки ладонями вверх и переместите их так, чтобы они оказались друг над другом. Немного поэкспериментировав и, возможно, сделав несколько довольно вычурных жестов, вы обнаружите, что, что бы вы ни делали, ваши руки не будут идеально совпадать. Поздравляем, вы только что продемонстрировали хиральность.
Хиральные объекты - это не накладывающиеся друг на друга зеркальные отражения. Хиральность - это не просто особенность конечностей, это черта, общая для всех молекулярных строительных блоков жизни - от ДНК до сахаров и белков. Она определяет, как молекулы и, в свою очередь, клетки работают и взаимодействуют друг с другом и окружающей средой. Например, хиральность влияет на то, как иммунные клетки распознают молекулы (т.е. антигены) на поверхности микробов, подобно тому, как ключ подходит к замку.
«Каждый раз, когда происходит пространственное взаимодействие между не совсем плоскими объектами, ориентация связывающихся партнеров имеет решающее значение для их взаимодействия друг с другом», - объясняет Кейт Адамала, доцент кафедры генетики, клеточной биологии и развития в Университете Миннесоты. «Было бы трудно представить себе эволюцию любого эффективного биологического связывания, если бы не существовало этой заранее согласованной системы хиральности».
Каждая биологическая молекула обычно существует в одной конфигурации. Однако ученым все чаще удается создавать в лаборатории зеркальные версии этих молекул, некоторые из которых имеют практическое применение. Например, если природные хиральные молекулы подвержены быстрому разрушению клеточными ферментами, то их зеркальные версии - нет, что побуждает исследователей искать пути использования этих зеркальных молекул (например, пептидов) в качестве терапевтических средств, которые дольше сохраняются в организме.
Такая инновация открывает путь к созданию зеркальных организмов, полностью состоящих из молекул с конфигурацией, противоположной той, которую мы знаем о жизни, и бактерии представляют собой первую ключевую мишень.
По словам Адамалы и ее соавторов, написавших обширный технический отчет, в котором оцениваются возможности и потенциальные риски создания зеркальных бактерий, их создание в настоящее время невозможно и не будет осуществлено еще как минимум десять лет, а то и больше. В итоге ученые пришли к выводу, что зеркальные бактерии лучше оставить в сфере возможных перспектив.
Экспериментальное изменение хиральности бактериальной клетки немного похоже на забаву. Зачем вообще заниматься подобными вещами? Ответ приводит к другому вопросу, над которым в тот или иной момент задумывалось большинство людей: что такое жизнь? Хотя зеркальные бактерии будут похожи на своих собратьев по естественной хиральности, во многих отношениях они будут совершенно иными. Они могли бы помочь определить, прорастали ли когда-то на древе жизни ветви с противоположной хиральностью. «Это очень сложный вопрос „а что если“, - говорит Вон Купер, профессор микробиологии и молекулярной генетики в Питтсбургском университете (США). «Существует ли на Земле такое расположение, как у нас, из-за какой-то внутренней пользы от этой комбинации молекул, или это просто застывшая случайность?»
У зеркальных клеток есть и другие свойства. Существующие формы жизни распознают только естественную конформацию молекул бактерий - зеркальные версии были бы для них невидимы. Хищники, которые обычно атакуют бактерии, такие как фаги или нематоды, больше не смогут видеть и уничтожать свои цели. Скрытность зеркальных бактерий может оказаться полезной, например, в промышленной ферментации, где контаминация фагами может стать дорогостоящей неудачей. Зеркальные клетки также не будут замечены иммунными клетками и смогут доставлять терапевтические препараты в организм, не вызывая нежелательных реакций.
Однако именно по этим же причинам зеркальные бактерии представляют собой проблему. «Самовоспроизводящийся организм, созданный из зеркальных компонентов, - способный поддерживать себя и размножаться в дикой природе, - скорее всего, будет невидим для многих процессов, разработанных природой, чтобы держать его под контролем», - объясняет Джон Гласс из Института Ла-Джолла (США). Он, а также Адамала, Купер и еще три десятка ученых, работающих в США, Китае, Сингапуре, Японии и Европе, стали соавторами технического отчета и сопроводительной статьи в журнале Science, в которой приводятся аргументы против создания зеркальной жизни.
Иммунные системы людей, животных, растений и насекомых распознают молекулы с определенной ориентацией. Если эти молекулы будут отражаться, как это происходит в зеркальных бактериях, иммунное распознавание будет нарушено и базовая иммунная защита может не сработать. Из существующих иммунодефицитов известно, что ослабление иммунного ответа может быть смертельно опасным. «Достаточно иметь несколько брешей в способности распознавать микробы, чтобы даже доброкачественные бактерии стали патогенами, потому что хозяин просто не контролирует эти популяции», - отмечает Купер.
При таком повсеместном ослаблении иммунитета зеркальные бактерии могут вызвать широкомасштабные инфекции. Поскольку большинство антибиотиков (которые и так плохо справляются с существующими бактериями) не будут эффективны против зеркальных бактерий, нам придется разрабатывать совершенно новые лекарства, и нет никакой гарантии, что они сработают. Более того, маловероятно, что такие антибиотики можно будет изготовить быстро и в таких масштабах, которые необходимы для борьбы с потенциальной вспышкой заболевания только среди людей, не говоря уже о том, что невозможно разработать препараты для защиты всех разнообразных форм жизни, на которые потенциально могут воздействовать зеркальные бактерии.
Тот факт, что в настоящее время невозможно создать зеркальные организмы, создает возможность для превентивных, а не реактивных действий. «Прежде чем мы начнем тревожиться, важно отметить, что опасность от зеркальных бактерий не является неизбежной», - говорит Джонатан Джонс FRS, соавтор доклада и руководитель группы в Лаборатории Сэйнсбери в Великобритании. Цель последних публикаций и предстоящих мероприятий и инициатив - вызвать дискуссию между научными, промышленными, правительственными и неправительственными секторами. На повестку дня вынесут такие вопросы, как «какие виды исследовательской деятельности являются наиболее рискованными и как их контролировать?». Зеркальные биомолекулы по своей сути не являются проблематичными, но технологии, способствующие самовоспроизведению - ключевой черте бактерий, - могут стать таковыми.
