所有的生命都存在于一面镜子上。更严格地说，构成生物DNA、RNA和蛋白质的生物分子都是“手性”的，它们的组成部分有两种可能的镜像形状，但在每种情况下，生命只选择一种。至少到目前为止。
今天研究人员称，他们在探索镜子的另一面方面取得了长足的进步。他们重新设计了一种能合成RNA的主力酶，使其形成镜像然后，他们用这种酶来构建核糖体所需的所有RNA，核糖体是负责构建蛋白质的细胞机器。其他成分仍需添加，但一旦完成，镜像核糖体可能会产生蛋白质，作为新的药物和诊断，不容易在体内分解。这也为一个更宏伟的目标奠定了基础：创造镜像生命，自1848年路易斯·巴斯德发现镜像化合物以来，这一前景一直激发着科学家们的想象力。
“这是在镜像世界中重建分子生物学中心教条的重要一步，”芝加哥大学化学荣誉退休教授Stephen Kent说，他没有参与这项工作。
这条教条指的是生命的标准操作程序：遗传密码通常是DNA被转录成相应的RNA序列，然后被翻译成蛋白质，这些蛋白质在细胞中起着重要的化学作用。每一步都是由蛋白质或核糖体的蛋白质和核糖核酸组合而成的精密复杂的分子机器。每一个分子都会产生手性产物。化学家们早就能够合成相反方向的DNA、RNA和蛋白质。但是，他们从来没有把所有的东西组合在一起，创造出镜像生活，甚至没有足够的证据来证明这种自负是可能的。
中国杭州西湖大学的合成生物学家Ting Zhu多年来一直致力于这一愿景。在Zhu看来，第一步是制造镜像核糖体，这家工厂可以制造许多其他镜像部件。这可不是个小壮举。核糖体是一种分子庞然大物，由三个大的RNA片段组成，总共由大约2900个核苷酸组成，还有54个蛋白质。
“最具挑战性的部分是制造长核糖体RNA，”Ting Zhu说。化学家可以合成大约70个核苷酸长的片段并将它们缝合在一起。但是要使这三个长得多的核糖体RNA片段成为镜像形式，他们需要一种能够将它们加工出来的分子机器——聚合酶。2016年，Zhu和他的同事们第一次尝试了这项任务，从一种病毒中合成了一种聚合酶的镜像版本。聚合酶制造镜像RNA，但速度慢，容易出错。
在目前的研究中，Zhu和他的研究生Yuan Xu着手合成一种镜像版的号称“累死人不偿命的酶”，这种酶在世界各地的分子生物学实验室中用来合成长RNA链，即T7RNA聚合酶。它是一种巨大的，883个氨基酸的蛋白质，远远超出了传统化学合成的极限。但对T7s X射线晶体结构的分析显示，这种酶可能被分成三个部分，每一部分都是从短片段缝合而成。因此，他们合成了三个部分，一个含有363个氨基酸，第二个含有238个氨基酸，第三个含有282个氨基酸。在溶液中，这些片段自然地折叠成正确的三维形状，然后组装成一个工作的T7。“要把这么大的蛋白质组合在一起是一个巨大的努力，”德克萨斯农工大学的化学家Jonathan Sczepanski说。
研究人员随后让聚合酶发挥作用。他们组装了镜像基因，编码团队希望制造的三个长RNA片段；然后镜像T7 RNA聚合酶读取编码并转录成核糖体RNA。
这一结果为镜像分子的威力提供了一个诱人的一瞥。研究人员发现，由聚合酶形成的镜像RNA远比普通T7产生的正常版本稳定得多，因为它们不受自然产生的RNA“降解酶”（chewing enzymes）的影响，这些酶几乎不可避免地污染了这些实验，并迅速摧毁了正常的RNA。
西北大学的化学家和核糖体专家Michael Jewett说，这种对降解的抵抗力“可能为新型诊断和其他应用打开大门”，包括新药。例如，团队还利用他们的镜像酶制造出稳定的RNA传感器，称为核糖开关，可用于检测与疾病相关的分子，以及稳定的长RNA，可用于存储数字数据。其他研究人员已经证明，称为适体的短链DNA和RNA的镜像版本可以作为强有力的候选药物，避开降解酶和免疫系统，后者破坏了大多数传统的适配子候选药物。
更广泛地利用这种稳定性并不像制造现有药物的镜像复制品那么简单，然而，这类化合物，如错误的手性，将不再符合它们在体内预期目标的手性。相反，研究人员可能需要筛选大量的镜像药物以找到有效的药物。
这项新的工作为制造功能性镜像核糖体奠定了基础。Jewett说，这可以让制药公司更容易地制造镜像氨基酸串或肽。因为肽从20个氨基酸组成块中提取，而不仅仅是组成适体的四个核酸，它们提供了更大的化学多样性和潜在的更好的候选药物。
现在，Zhu和他的团队需要制造镜像核糖体的剩余部分。他们合成的三个RNA片段约占核糖体总质量的三分之二。剩下的是54种核糖体蛋白质和一些与核糖体协同工作的蛋白质，它们都较小，因此可能更容易合成。接下来的问题是，完整的零件盒是否会组装成核糖体。
哈佛大学的合成生物学家George Church说，即使他们这样做了，所产生的分子机器可能仍然不能发挥作用，他领导着世界上为数不多的研究镜像生命方法的小组之一。为了大量生产蛋白质，核糖体必须与一系列额外的辅助蛋白质协同工作。Church认为，为了在活细胞中实现这一功能，有必要重写生物体的遗传密码，这样基因工程核糖体就可以识别所有这些蛋白质，特别是20种转运氨基酸以构建新蛋白质的蛋白质。Church的小组正在研究这个问题。“这非常具有挑战性，”他说。
但是，如果一切都能结合起来，研究人员和生命可能最终能够进入另一个手性世界。
Mirror-image T7 transcription of chirally inverted ribosomal and functional RNAs
