鏡中來客

曹洋

彼之砒霜吾之蜜糖

瑞典皇家科學院將2021年諾貝爾化學獎授予兩位科學家本亞明·利斯特和戴維·麥克米倫，以表彰他們在發展不對稱有機催化中的貢獻。其中的不對稱催化，是指通過使用手性催化劑來實現不對稱合成反應的方法。

所謂“手性”，其實是在自然界中存在的一種普遍現象。如果一個物體與它的鏡像不能重合，我們就稱它為“手性”。這就好比我們的左手和右手，兩者無法重合在一起，但又互為鏡像。

生活中更常見到的“手性”例子，就是我們和鏡子中的自己。雖然看上去兩者好像沒什么區別，但如果“鏡中人”來到現實，那么他和他所在世界的一切都是與我們相反的。比如，他的左手其實是我們的右手，他眼中的文字是我們的鏡像文字……如果放大來看，就連他細胞中DNA的旋轉方向，甚至組成他身體的每一個分子都與我們相反。

那么，如果這樣一個“鏡中人”穿過鏡面來到我們的世界，并努力克服了閱讀鏡像文字等生活方面的困難，他能夠在我們的世界生存下去嗎？

答案是——不能。因為在維持生命的過程中，手性分子無處不在，我們的生命體三大基礎物質——核酸、蛋白質、糖類，都是手性的。

化學課中學過，如果兩種物質由相同的化學元素組成，但其中的原子排列方式不同，兩者就可能具有不同的性質。比如金剛石和石墨、白磷和紅磷。與此類似，我們賴以生存的很多物質，除了核酸、蛋白質、糖類，還有氨基酸、泛醇、維生素等，一旦組成它們的元素排列方式改成鏡像，就會成為另外一種特性完全不同的物質。這就好比我們的左手可以戴上左手套，但鏡中人的左手卻戴不上我們的左手套。

有句話叫“彼之砒霜，吾之蜜糖”。同樣，如果“鏡中人”來到我們的世界，我們世界中的很多營養物質會對他完全沒有效果，甚至還可能會對他造成傷害。因為生命體本身就是一個手性的環境，很多營養物質和藥物的作用都與生物體內大分子間的手性匹配相關。

這種情況在現實生活中也曾發生過，而且造成了一場災難。20世紀50年代，歐洲生產了一種應對妊娠反應的鎮靜藥物“反應停”（沙利度胺），被大量處于早孕期的孕婦服用。因為當時的制藥技術并不發達，人們沒有發現，在藥品中還摻雜了一半組成元素相同，但結構互為鏡像的手性分子。其中，本該起到鎮靜作用的藥物成分，變成了具有致畸作用的手性分子。由于對這些互為鏡像關系的分子，不加區分地作為藥物使用，僅僅4年時間，世界范圍內便誕生了1.2萬多名患有短肢畸形的“海豹嬰兒”。從那以后，人們才真正認識到對手性物質加以識別與分離的重要性。

一門困難的藝術

在傳統的有機化工生產尤其是藥品生產中，合成獲得一對鏡像分子通常較為容易。但因為前述情況的出現，現在還需要對獲得產物進行手性拆分——獲得其中的有效分子，去除無效的鏡像分子。但這意味著有近一半的產物被浪費，且分離過程還需要額外的能量和原料消耗。

如何高效獲得單一手性分子的產物，而不產生鏡像分子？這就需要不對稱催化來控制反應。

目前，比較重要的不對稱催化體系共有三類——不對稱酶催化、不對稱金屬催化，以及2000年后快速發展起來的不對稱有機小分子催化。其中1975年和2018年的諾貝爾化學獎都蘊含了酶催化方面的研究成果，2001諾貝爾化學獎是表彰不對稱金屬催化方面的研究工作，2021年諾貝爾化學獎的兩位科學家，則是在不對稱有機催化研究領域方面做出了杰出貢獻。

可以說，不對稱有機催化的發展，對藥物合成產生了重大影響。不但減少了中間產物的浪費，還大幅提高了反應效率。因此，瑞典皇家科學院評價，獲2021年諾貝爾化學獎的研究成果是“構建分子的巧妙工具”和“一門困難的藝術”，它對藥物研究產生了巨大影響。

生命的方向

讓我們再多想一步：如果說現實世界的手性分子方向是“正向”，鏡中世界的手性分子方向是“反向”，那么，為何我們賴以生存的生物環境都是“正向”的？這是一個偶然事件，還是有“冥冥中的意識”在操控？或者換個方式提問：為什么“鏡中人”是反向的，而我們不是？茫茫宇宙中，會不會存在一個適合他生存的地方，在那里，我們才是“鏡中人”？

這其實是一個非常大的科學問題，也是Science在2021年公布的125個最前沿科學問題中的一個。2016年，加州理工學院便在美國天文學會會議上宣布，他們找到了星際空間中的首個“反向”手性分子。這意味著，在全宇宙范圍內，我們的世界并不是特殊的，我們的“正向”手性分子世界，可能只是個偶然事件。

從理論上來說，最初產生的“正向”和“反向”兩種手性分子的概率應該相同，也就是全宇宙中“正向”和“反向”的兩種手性分子的數量應該是相同的，但分布上可能并不均勻。原因可能是在新生行星系統的形成過程中，星際空間中的化學反應受到了某些尚不明了的機制影響，使得在一定范圍內，“正向”手性分子數量超過“反向”。而且，這種對稱性破缺很有可能是行星系統形成階段的普遍現象。目前已經有一些證據表明，在太陽系形成之初，就存在手性分子構型不對稱的情形，比如NASA的研究人員在隕石樣品中發現了糖類衍生物存在某種構型占優勢的情況。

此外，由于所有的生化反應本質仍舊是化學反應，所以核糖、氨基酸搭建DNA分子鏈、蛋白質分子鏈的時候，只有所有的構件單元手性都一致，幾何上才能成功組成合適的結構。右旋的核糖搭出的DNA雙分子鏈也是右旋，這就好比兩個人握手，要么都伸出左手，要么都伸出右手，才能合適地握在一起。因此，在進化過程中，“正向”手性分子的構型比例會隨著進化，不斷擴大優勢。東京理科大學的研究也發現，在特定的不對稱催化發應中，產物同時又是催化劑的配體，可以實現自催化，隨著反應的進行，單一手性產物的比例越來越高，最后可以誘導出接近100%的單一對映體產物。

簡單來說，正是由于生命誕生之初，因為一次“偶然”，我們身邊的“正向”手性分子數量就占據了優勢，所以在接下來漫長的進化過程中，這種優勢隨著生命分子的自我復制不斷得到增強，最終形成了現在的生命。

擁抱鏡中自我

既然在全宇宙范圍內，我們的世界并不是特殊的。這也就意味著，在宇宙的某處，存在著眾多“反向”手性分子的“鏡中世界”。

在那里，生物用鏡像的DNA轉錄出鏡像的RNA，用鏡像的氨基酸生產出鏡像的蛋白質……甚至，這些人工合成的鏡像生命還可以為我們服務，比如合成的鏡像細胞可以用于制造藥物、材料、能源分子等。這些細胞中的短鏈鏡像DNA或RNA，可以和人體內的靶點（如蛋白質等）相結合，以阻斷它們的活性，而鏡像體又不會輕易被體內的酶降解，可以在較長時間內具有治療活性，因而具有天然優勢。

目前，德國的一些大型制藥公司已經對該領域的研究表示感興趣，并展開研究。在2016年，清華大學生命科學學院就人工合成出了“鏡中世界”的鏡像生物分子系統。也就是說，目前人工合成比較初級的、簡單的鏡像版本生命物質已經成功。下一步就會朝著合成具有功能的生命體的目標前進。

也許在未來不久，“鏡中人”就會穿越出“鏡中世界”，來到我們的世界。他和我們一模一樣，但體內每一根DNA的螺旋方向、每一個分子的構型都是我們的鏡像。當然，這時候的“鏡中人”已經能夠適應我們的世界，并在我們的世界生活下去。