生命演化偏愛單一手性：為何蛋白質幾乎都是“左撇子”？_風聞

構成生命的重要物質具有“手性”特徵，有趣的是，DNA和RNA只以右手性存在，而蛋白質是“左撇子”。為什麼生命需要手性？關於生命手性的起源以及對生命分子對單一手性的偏愛，一直以來困擾着科學家。近期一項氨基酸合成實驗，或許能為蛋白質偏愛左手性提供解釋。

撰文 | 李娜（中國科學院上海高等研究院研究員）

2005年，Science雜誌在慶祝創刊125週年之際發佈了125個推動基礎科學研究的最具挑戰性的科學難題[1]。其中面向化學領域，提出了“為什麼生命需要手性？（Why does life require chirality?）”的靈魂拷問（圖1）。生命的手性是如何起源的，生命演化為什麼偏愛單一的手性，是探尋生命起源奧秘的兩大謎團。

圖1. Science125個科學前沿問題之“為什麼生命需要手性？”

什麼是手性？

“手性”（chirality）這一術語源於希臘語“cheir”，譯為“手”；顧名思義，就是指左手與右手的差異性。

圖2. 人的左手和右手呈鏡像對稱且不可重合，具有手性；瓶子呈軸對稱，沒有手性。

理解這種差異性其實很簡單，你只需要將右手掌心向下，再將左手掌心也向下疊在右手上，就會發現看似相同的兩隻手其實並不能完全重合，這就説明你的左手和右手是呈“手性”的。再仔細觀察一下，你的左手和右手實際上是一種互為鏡像關係，你的右手不能和右手本身的鏡像重合，只能和左手的鏡像重合；同理，你的左手也只能和右手的鏡像重合在一起，這就解釋了為什麼當你做雙手合十動作時，左右手可以完美重疊在一起（圖2）。通過對“手”的觀察，相信你可以理解——任何東西，只要無法與自己在鏡中的像重合，我們就説它具有手性[2]。

日常生活中的手性很普遍，沙灘上螺殼的螺紋；螺絲釘、螺口燈泡、鑽頭的螺紋；星級酒店的旋轉樓梯；甚至引發自然災害的颱風都是手性的。這種特性不僅存在於宏觀的自然界中，微觀的生命活動也都依賴於分子的手性。

在地球上，組成生命的重要有機分子通常都具有手性。有意思的是，生命體對於這些有機分子基本單元的構型呈現出極致的選擇偏向性。如：生命的遺傳密碼DNA和RNA都呈現右手性；而生命的重要組成“元件”——蛋白質，則大多呈現左手性（甘氨酸無手性），就是我們常説的“左撇子”（圖3）。生命體表現出的這種同類型分子中某一種手性構型佔大多數的情況，通常被稱為“同手性”（homochirality）。

圖3. 手性是自然界的基本屬性。DNA與RNA分子均為右手性、蛋白質分子多為左手性。

兩種假説解釋生命的手性起源之謎

關於生物分子的手性起源，近幾十年來，有些科學家認為組成生命的重要有機分子最早是在外太空製造出來，然後隨着隕石才來到地球。1969年，有人在澳大利亞Murchison附近發現一顆重約100公斤的隕石[3]。經過元素分析，發現其中含有90多種組成生命體的重要分子，包括氨基酸、糖類、醇類等有機分子；並且所檢測出的氨基酸分子中，左手性氨基酸佔多數。

那麼手性在太空中又是如何形成的呢？一種假説認為這可能是要歸因於太空中恆星發出的圓偏振光（Circularly polarized light, CPL）的自旋效應。CPL有左旋和右旋之分[4]，具有手性的分子對於左旋和右旋光的吸收是不同的，吸收能力越強，化學反應發生得越快。隕石的內容物長期暴露在外太空中單一手性的CPL下，最終導致了其中有機分子左旋和右旋的比例不同，在很大的宇宙空間內某一特定手性的有機分子不斷積累。具有過量對映體[註釋1]有機分子的宇宙塵埃不斷聚合，形成彗星和隕石，最終在地球接近它們的運行軌道時穿過地球大氣層，撞向地球，給地球帶來了最初的手性有機分子（圖4）。

圖4. 澳大利亞Murchison隕石以及手性的宇宙起源假説模式圖。

另一種假説認為生物分子的手性起源是由於手性誘導的電子自旋選擇性（chiral-induced spin selectivity, CISS），這是一項新研究，近期發表於《美國國家科學院院報》（PNAS） [5]。

電子的自旋是一種量子屬性，有兩種可能的角動量狀態，並常以其中一種形式存在，通常被稱為“自旋向上”或“自旋向下”。手性分子[註釋2]會根據電子的自旋旋轉方向“分散”電子。這樣具有相同自旋狀態的電子會聚集在手性分子的極性處，並且一種分子的左旋版本和右旋版本在各自極性處聚集的電子自旋狀態正好相反。但電子的重新分佈會影響手性分子與其他分子的相互作用（自旋相反的電子會互相吸引，自旋相同的電子會互相排斥）。因此，當手性分子接近磁性表面時，如果分子和表面具有相反的自旋，它們就會被拉得更近；如果具有相同的自旋，它們就會互相排斥。

科學家認為磁鐵礦上的CISS效應導致了分子的手性起源：18億至37億年前，地球在缺氧環境下形成了豐富的水下沉積磁鐵礦牀，地球表面的紫外照射使得均勻磁化的磁鐵礦中產生自旋極化的光電子；由於CISS效應，在磁鐵礦表面發生生物有機分子的對映性選擇化學反應，進而不同的手性有機分子被篩選出來——啓動了讓DNA、RNA、氨基酸等生物分子變得不對稱的過程。

生命分子的產生和演變為何偏愛“左撇子”？

暫且相信是某種“外力”賦予了分子手性最初的傾向，那在地球漫長的演變過程中，是什麼因素促使生命的基本結構單元——氨基酸分子在演化成“左撇子”的路上漸行漸遠？

來自英國倫敦大學學院的生命起源化學家Matthew Powner和他的同事為這個問題提供了線索。在過去5年裏，Powner團隊發現了一組可能存在於早期地球的硫基分子，並展示了它們是如何毫不費力就將單個氨基酸與氨基酸前體——氨基腈連接起來，形成二肽[註釋3]的過程。二肽在生命體內扮演着重要的角色，不僅參與功能蛋白質分子的構建，同時也作為信號分子參與調節生命體代謝、生長、發育等生理過程。更重要的是，二肽分子是有手性的。前面我們已經瞭解到，地球生命除了少數動物、藻類和種子植物內含有少量右旋氨基酸之外（如：多種細菌細胞壁肽聚糖上存在右旋丙氨酸和右旋穀氨酸），組成地球生命體的氨基酸幾乎都是左旋構象。由於二肽分子是由單個氨基酸與氨基酸前體——氨基腈連接形成的，其中氨基腈的手性可以通過化學合成方法進行調控，因此瞭解二肽的手性起源有助於理解生命分子演化的選擇。

Powner團隊合成二肽的反應在水中發生，並與生物體中發現的所有氨基酸協同作用，因此這項工作為揭示第一批蛋白質是如何形成的提供了一條合理的實驗途徑。然而Powner團隊沒有檢查其準備的硫基催化劑是否具有手性偏向。

直到2024年2月，美國斯克利普斯研究所化學家Donna Blackmond及同事在Nature發表研究報告[6]，他們採用優化的反應條件，實現了氨基腈與氨基酸的催化肽連接反應，產生了2個互為對映異構體的二肽產物；產物的對映異構體比率被定義為2個產物的立體中心中，顯示異手性和同手性二肽產物的相對濃度。Blackmond團隊通過監測不同實驗條件（單一手性分子、不同單一手性分子和外消旋反應物組合、不同催化劑）下二肽的氨基酸對形成速率，發現催化肽連接反應傾向於異手性二肽產物（即L單體與D單體連接）的生成，在複雜反應混合物中會發生對稱性破缺、手性放大和手性轉移。儘管催化肽反應趨向於異手性連接，但這種選擇在實驗中為生成同手性二肽產物和未反應底物的手性富集提供了一種作用機制。該團隊進一步結合動力學計算模擬，預測了催化肽連接反應趨向於產生具有同左旋手性的二肽產物，並與實驗數據相吻合（圖5）。

雖然當前這種對生物有機分子手性的推動機制僅在二肽中得到了證實，但Blackmond表示，初步工作表明，當硫催化劑將短肽連接成更長的肽鏈時，也會出現相同的手性選擇過程。這一發現不僅為我們理解生命的起源提供了新的視角，也為探索其他星球上可能存在的生命形式提供了新的思路。

圖5. 基於硫基分子製備完全左手性二肽的實驗室策略。

手性分子決定人類生存

試想人類在星際探索的過程中發現了一顆偏愛“右撇子”的星球，這顆地外星球上的地理條件、氣候環境與地球完全一致，人類可以在這顆星球上生存嗎？毋庸置疑，答案是否定的。因為地球上的生物是由左旋氨基酸組成的生命體，無法很好地代謝右旋分子。如果這顆地外星球上所有的生命分子都是右旋分子，對於我們地球生命而言就是無法被利用的“廢物”，甚至有可能是毒物。上世紀60年代，一種名為“反應停”（Thalidomide，沙利度胺）的手性藥物就因暗藏一對手性異構體“孿生姐妹”（右旋體具有鎮靜作用，左旋體具有強烈的致畸作用），導致服用了該藥物的孕婦產下了15000名四肢短小如海豹的畸形胎兒。這是藥物發現史上的重大悲劇，也是製藥歷史上的重要轉折點。

具有手性的氨基酸分子決定着我們在地球的存在方式。科學家針對蛋白質分子在生命演化過程中“左撇子”特性的研究工作，為探索生命起源提供了一把開啓謎團的鑰匙。正如文藝復興時期著名的“左撇子”藝術家列奧納多·達·芬奇引以為傲的“鏡像書寫方式”（從右向左書寫，而且每個字母都是逆向的；鏡像書寫內容需要用鏡子反射才能閲讀）留給我們的啓示——換一個思考問題的角度和方式，可能會更接近問題的本質。

圖6. “左撇子”國際日標語與達·芬奇在《大西洋古抄本》中的鏡像書寫手稿。

術語註釋

1. 對映體：指互為物體與鏡像關係的立體異構體，它們具有相同的分子式但空間排列不同。互為對映體的分子一個具有左旋性，一個具有右旋性。

2. 手性分子：指具有手性中心的分子結構，其中手性中心通常是一個連有四個不相同原子或基團的碳原子（手性碳原子）。

3. 二肽：二肽是由兩個氨基酸殘基通過肽鍵連接而成的分子。具有重要的生理功能，可通過調控化學合成方法構建不同手性的異構體。

參考文獻

[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

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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