镜中来客

曹洋

彼之砒霜吾之蜜糖

瑞典皇家科学院将2021年诺贝尔化学奖授予两位科学家本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦，以表彰他们在发展不对称有机催化中的贡献。其中的不对称催化，是指通过使用手性催化剂来实现不对称合成反应的方法。

所谓“手性”，其实是在自然界中存在的一种普遍现象。如果一个物体与它的镜像不能重合，我们就称它为“手性”。这就好比我们的左手和右手，两者无法重合在一起，但又互为镜像。

生活中更常见到的“手性”例子，就是我们和镜子中的自己。虽然看上去两者好像没什么区别，但如果“镜中人”来到现实，那么他和他所在世界的一切都是与我们相反的。比如，他的左手其实是我们的右手，他眼中的文字是我们的镜像文字……如果放大来看，就连他细胞中DNA的旋转方向，甚至组成他身体的每一个分子都与我们相反。

那么，如果这样一个“镜中人”穿过镜面来到我们的世界，并努力克服了阅读镜像文字等生活方面的困难，他能够在我们的世界生存下去吗？

答案是——不能。因为在维持生命的过程中，手性分子无处不在，我们的生命体三大基础物质——核酸、蛋白质、糖类，都是手性的。

化学课中学过，如果两种物质由相同的化学元素组成，但其中的原子排列方式不同，两者就可能具有不同的性质。比如金刚石和石墨、白磷和红磷。与此类似，我们赖以生存的很多物质，除了核酸、蛋白质、糖类，还有氨基酸、泛醇、维生素等，一旦组成它们的元素排列方式改成镜像，就会成为另外一种特性完全不同的物质。这就好比我们的左手可以戴上左手套，但镜中人的左手却戴不上我们的左手套。

有句话叫“彼之砒霜，吾之蜜糖”。同样，如果“镜中人”来到我们的世界，我们世界中的很多营养物质会对他完全没有效果，甚至还可能会对他造成伤害。因为生命体本身就是一个手性的环境，很多营养物质和药物的作用都与生物体内大分子间的手性匹配相关。

这种情况在现实生活中也曾发生过，而且造成了一场灾难。20世纪50年代，欧洲生产了一种应对妊娠反应的镇静药物“反应停”（沙利度胺），被大量处于早孕期的孕妇服用。因为当时的制药技术并不发达，人们没有发现，在药品中还掺杂了一半组成元素相同，但结构互为镜像的手性分子。其中，本该起到镇静作用的药物成分，变成了具有致畸作用的手性分子。由于对这些互为镜像关系的分子，不加区分地作为药物使用，仅仅4年时间，世界范围内便诞生了1.2万多名患有短肢畸形的“海豹婴儿”。从那以后，人们才真正认识到对手性物质加以识别与分离的重要性。

一门困难的艺术

在传统的有机化工生产尤其是药品生产中，合成获得一对镜像分子通常较为容易。但因为前述情况的出现，现在还需要对获得产物进行手性拆分——获得其中的有效分子，去除无效的镜像分子。但这意味着有近一半的产物被浪费，且分离过程还需要额外的能量和原料消耗。

如何高效获得单一手性分子的产物，而不产生镜像分子？这就需要不对称催化来控制反应。

目前，比较重要的不对称催化体系共有三类——不对称酶催化、不对称金属催化，以及2000年后快速发展起来的不对称有机小分子催化。其中1975年和2018年的诺贝尔化学奖都蕴含了酶催化方面的研究成果，2001诺贝尔化学奖是表彰不对称金属催化方面的研究工作，2021年诺贝尔化学奖的两位科学家，则是在不对称有机催化研究领域方面做出了杰出贡献。

可以说，不对称有机催化的发展，对药物合成产生了重大影响。不但减少了中间产物的浪费，还大幅提高了反应效率。因此，瑞典皇家科学院评价，获2021年诺贝尔化学奖的研究成果是“构建分子的巧妙工具”和“一门困难的艺术”，它对药物研究产生了巨大影响。

生命的方向

让我们再多想一步：如果说现实世界的手性分子方向是“正向”，镜中世界的手性分子方向是“反向”，那么，为何我们赖以生存的生物环境都是“正向”的？这是一个偶然事件，还是有“冥冥中的意识”在操控？或者换个方式提问：为什么“镜中人”是反向的，而我们不是？茫茫宇宙中，会不会存在一个适合他生存的地方，在那里，我们才是“镜中人”？

这其实是一个非常大的科学问题，也是Science在2021年公布的125个最前沿科学问题中的一个。2016年，加州理工学院便在美国天文学会会议上宣布，他们找到了星际空间中的首个“反向”手性分子。这意味着，在全宇宙范围内，我们的世界并不是特殊的，我们的“正向”手性分子世界，可能只是个偶然事件。

从理论上来说，最初产生的“正向”和“反向”两种手性分子的概率应该相同，也就是全宇宙中“正向”和“反向”的两种手性分子的数量应该是相同的，但分布上可能并不均匀。原因可能是在新生行星系统的形成过程中，星际空间中的化学反应受到了某些尚不明了的机制影响，使得在一定范围内，“正向”手性分子数量超过“反向”。而且，这种对称性破缺很有可能是行星系统形成阶段的普遍现象。目前已经有一些证据表明，在太阳系形成之初，就存在手性分子构型不对称的情形，比如NASA的研究人员在陨石样品中发现了糖类衍生物存在某种构型占优势的情况。

此外，由于所有的生化反应本质仍旧是化学反应，所以核糖、氨基酸搭建DNA分子链、蛋白质分子链的时候，只有所有的构件单元手性都一致，几何上才能成功组成合适的结构。右旋的核糖搭出的DNA双分子链也是右旋，这就好比两個人握手，要么都伸出左手，要么都伸出右手，才能合适地握在一起。因此，在进化过程中，“正向”手性分子的构型比例会随着进化，不断扩大优势。东京理科大学的研究也发现，在特定的不对称催化发应中，产物同时又是催化剂的配体，可以实现自催化，随着反应的进行，单一手性产物的比例越来越高，最后可以诱导出接近100%的单一对映体产物。

简单来说，正是由于生命诞生之初，因为一次“偶然”，我们身边的“正向”手性分子数量就占据了优势，所以在接下来漫长的进化过程中，这种优势随着生命分子的自我复制不断得到增强，最终形成了现在的生命。

拥抱镜中自我

既然在全宇宙范围内，我们的世界并不是特殊的。这也就意味着，在宇宙的某处，存在着众多“反向”手性分子的“镜中世界”。

在那里，生物用镜像的DNA转录出镜像的RNA，用镜像的氨基酸生产出镜像的蛋白质……甚至，这些人工合成的镜像生命还可以为我们服务，比如合成的镜像细胞可以用于制造药物、材料、能源分子等。这些细胞中的短链镜像DNA或RNA，可以和人体内的靶点（如蛋白质等）相结合，以阻断它们的活性，而镜像体又不会轻易被体内的酶降解，可以在较长时间内具有治疗活性，因而具有天然优势。

目前，德国的一些大型制药公司已经对该领域的研究表示感兴趣，并展开研究。在2016年，清华大学生命科学学院就人工合成出了“镜中世界”的镜像生物分子系统。也就是说，目前人工合成比较初级的、简单的镜像版本生命物质已经成功。下一步就会朝着合成具有功能的生命体的目标前进。

也许在未来不久，“镜中人”就会穿越出“镜中世界”，来到我们的世界。他和我们一模一样，但体内每一根DNA的螺旋方向、每一个分子的构型都是我们的镜像。当然，这时候的“镜中人”已经能够适应我们的世界，并在我们的世界生活下去。