构成生命的要紧物质具备“手性”特点，有趣的是，DNA和RNA只以右手性存在，而蛋白质是“左撇子”。为何生命需要手性？关于生命手性的由来与对生命分子对单一手性的偏爱，一直以来困扰着科学家。最近一项氨基酸合成实验，可能能为蛋白质偏爱左手性提供讲解。

撰文 | 李娜（中国科学院上海高等研究院研究员）

2005年，Science杂志在庆祝创刊125周年之际发布了125个推进基础科学研究的最具挑战性的科学难点[1]。其中面向化学范围，提出了“为何生命需要手性？（Why does life require chirality?）”的灵魂拷问（图1）。生命的手性是怎么样起源的，生命演化为何偏爱单一的手性，是探索生命起源奥秘的两大谜团。

图1. Science125个科学前沿问题之“为何生命需要手性？”

什么是手性？

“手性”（chirality）这一术语来自于希腊语“cheir”，译为“手”；顾名思义，就是指左手与右手的差异性。

图2. 人的左手和右手呈镜像对称且不可重合，具备手性；瓶子呈轴对称，没手性。

理解这种差异性其实非常简单，你仅需将右手掌心向下，再将左手掌心也向下叠在右手上，就会发现看上去相同的两只手其实并不可以完全重合，这就说明你的左手和右手是呈“手性”的。再注意观察一下，你的左手和右手事实上是一种互为镜像关系，你的右手不可以和右手本身的镜像重合，只能和左手的镜像重合；同理，你的左手也只能和右手的镜像重合在一块，这就讲解了为何当你做双手合十动作时，左右手可以完美重叠在一块（图2）。通过对“手”的察看，相信你可以理解——任何东西，只须没办法与自己在镜中的像重合，大家就说它具备手性[2]。

日常的手性非常常见，沙滩上螺壳的螺纹；螺丝钉、螺口灯泡、钻头的螺纹；星级酒店的旋转楼梯；甚至引发自然灾害的台风都是手性的。这种特质不只存在于宏观的自然界中，微观的生命活动也都依靠于分子的手性。

在地球上，组成生命的要紧有机分子一般都具备手性。有意思的是，生命体对于这类有机分子基本单元的构型呈现出极致的选择偏向性。如：生命的遗传密码DNA和RNA都呈现右手性；而生命的要紧组成“元件”——蛋白质，则大多呈现左手性（甘氨酸无手性），就是大家常说的“左撇子”（图3）。生命体表现出的这种相同种类型分子中某一种手性构型占大部分的状况，一般被叫做“同手性”（homochirality）。

图3. 手性是自然界的基本属性。DNA与RNA分子均为右手性、蛋白质分子多为左手性。

两种假说讲解生命的手性起源之谜

关于生物分子的手性起源，近几十年来，有的科学家觉得组成生命的要紧有机分子最早是在外太空制造出来，然后伴随陨石才来到地球。1969年，有人在澳大利亚Murchison附近发现一颗重约100公斤的陨石[3]。经过元素剖析，发现其中含有90多种组成生命体的要紧分子，包含氨基酸、糖类、醇类等有机分子；并且所测试出的氨基酸分子中，左手性氨基酸占多数。

那样手性在太空中又是怎么样形成的呢？一种假说觉得这可能是要归因于太空中恒星发出的圆偏振光（Circularly polarized light, CPL）的自旋效应。CPL有左旋和右旋之分[4]，具备手性的分子对于左旋和右旋光的吸收是不一样的，吸收能力越强，化学反应发生得越快。陨石的内容物长期暴露在外太空中单一手性的CPL下，最后致使了其中有机分子左旋和右旋的比率不同，在非常大的宇宙空间内某一特定手性的有机分子不断积累。具备过量对映体[注解1]有机分子的宇宙尘埃不断聚合，形成彗星和陨石，最后在地球接近它们的运行轨道时穿过地球大方层，撞向地球，给地球带来了刚开始的手性有机分子（图4）。

图4. 澳大利亚Murchison陨石与手性的宇宙起源假说模式图。

另一种假说觉得生物分子的手性起源是因为手性诱导的电子自旋选择性（chiral-induced spin selectivity, CISS），这是一项新研究，最近发表于《美国国家科学院院报》（PNAS） [5]。

电子的自旋是一种量子属性，有两种可能的角动量状况，并常以其中一种形式存在，一般被叫做“自旋向上”或“自旋向下”。手性分子[注解2]会依据电子的自旋旋转方向“分散”电子。如此具备相同自旋状况的电子会聚集在手性分子的极性处，并且一种分子的左旋版本和右旋版本在各自极性处聚集的电子自旋状况正好相反。但电子的重新分布会干扰手性分子与其他分子的相互用途（自旋相反的电子会互相吸引，自旋相同的电子会互相排斥）。因此，当手性分子接近磁性表面时，假如分子和表面具备相反的自旋，它们就会被拉得更近；假如具备相同的自旋，它们就会互相排斥。

科学家觉得磁铁矿上的CISS效应致使了分子的手性起源：18亿至37亿年前，地球在缺氧环境下形成了丰富的水下沉积磁铁矿床，地球表面的紫外照射使得均匀磁化的磁铁矿中产生自旋极化的光电子；因为CISS效应，在磁铁矿表面发生生物有机分子的对映性选择化学反应，进而不一样的手性有机分子被筛选出来——启动了让DNA、RNA、氨基酸等生物分子变得不对称的过程。

生命分子的产生和演变为什么偏爱“左撇子”？

暂且相信是某种“外力”赋予了分子手性刚开始的倾向，那在地球漫长的演变过程中，是什么原因促进生命的基本结构单元——氨基酸分子在演化成“左撇子”的路上渐行渐远？

来自英国伦敦大学学院的生命起源化学家Matthew Powner和他的同事为这个问题提供了线索。在过去5年里，Powner团队发现了一组可能存在于早期地球的硫基分子，并展示了它们是怎么样毫不费力就将单个氨基酸与氨基酸前体——氨基腈连接起来，形成二肽[注解3]的过程。二肽在生命体内饰演着要紧的角色，不只参与功能蛋白质分子的构建，同时也作为信号分子参与调节生命体代谢、成长、发育等生理过程。更要紧的是，二肽分子是有手性的。前面大家已经获悉，地球生命除去少数动物、藻类和种子植物内含有少量右旋氨基酸以外（如：多种细菌细胞壁肽聚糖上存在右旋丙氨酸和右旋谷氨酸），组成地球生命体的氨基酸几乎都是左旋构象。因为二肽分子是由单个氨基酸与氨基酸前体——氨基腈连接形成的，其中氨基腈的手性可以通过化学合成办法进行调控，因此知道二肽的手性起源能够帮助理解生命分子演化的选择。

Powner团队合成二肽的反应在水中发生，并与生物体中发现的所有氨基酸协同用途，因此这项工作为揭示第一批蛋白质是怎么样形成的提供了一条适当的实验渠道。然而Powner团队没检查其筹备的硫基催化剂是不是具备手性偏向。

直到2024年2月，美国斯克利普斯研究所化学家Donna Blackmond及同事在Nature发表研究报告[6]，他们使用优化的反应条件，达成了氨基腈与氨基酸的催化肽连接反应，产生了2个互为对映异构体的二肽产物；产物的对映异构体比率被概念为2个产物的立体中心中，显示异手性和同手性二肽产物的相对浓度。Blackmond团队通过监测不同实验条件（单一手性分子、不同单一手性分子和外消旋反应物组合、不同催化剂）下二肽的氨基酸对形成速率，发现催化肽连接反应倾向于异手性二肽产物（即L单体与D单体连接）的生成，在复杂反应混合物中会发生对称性破缺、手性放大和手性转移。尽管催化肽反应趋向于异手性连接，但这种选择在实验中为生成同手性二肽产物和未反应底物的手性富集提供了一种用途机制。该团队进一步结合动力学计算模拟，预测了催化肽连接反应趋向于产生具备同左旋手性的二肽产物，并与实验数据相吻合（图5）。

虽然目前这种对生物有机分子手性的推进机制仅在二肽中得到了证实，但Blackmond表示，初步工作表明，当硫催化剂将短肽连接成更长的肽链时，也会出现相同的手性选择过程。这一发现不只为大家理解生命的由来提供了新的视角，也为探索其他星球上可能存在的生命形式提供了新的思路。

图5. 基于硫基分子制备完全左手性二肽的实验室方案。

手性分子决定人类存活

试想人类在星际探索的过程中发现了一颗偏爱“右撇子”的星球，这颗地外星球上的地理条件、气候环境与地球完全一致，人类可以在这颗星球上存活吗？毋庸置疑，答案是相反的。由于地球上的生物是由左旋氨基酸组成的生命体，没办法非常不错地代谢右旋分子。假如这颗地外星球上所有些生命分子都是右旋分子，对于大家地球生命而言就是没办法被借助的“废物”，甚至大概是毒物。上世纪60年代，一种名为“反应停”（Thalidomide，沙利度胺）的手性药物就因隐藏一对手性异构体“孪生姐妹”（右旋体具备镇静用途，左旋体具备强烈的致畸用途），致使服用了该药物的孕妇产下了15000名四肢短小如海豹的畸形胎儿。这是药物发现史上的重大悲剧，也是制药历史上的要紧转折点。

具备手性的氨基酸分子决定着大家在地球的存在方法。科学家针对蛋白质分子在生命演化过程中“左撇子”特质的研究工作，为探索生命起源提供了一把开启谜团的钥匙。正如文静复兴时期著名的“左撇子”艺术家列奥纳多·达·芬奇引以为傲的“镜像书写方法”（从右向左书写，而且每一个字母都是逆向的；镜像书写内容需要用镜子反射才能阅读）留给大家的启示——换一个考虑问题的角度和方法，或许会更接近问题的本质。

图6. “左撇子”国际日标语与达·芬奇在《大西洋古抄本》中的镜像书写原稿。

术语注解

1. 对映体：指互为物体与镜像关系的立体异构体，它们具备相同的分子式但空间排列不同。互为对映体的分子一个具备左旋性，一个具备右旋性。

2. 手性分子：指具备手性中心的分子结构，其中手性中心一般是一个连有四个不相同原子或基团的碳原子（手性碳原子）。

3. 二肽：二肽是由两个氨基酸残基通过肽键连接而成的分子。具备要紧的生理功能，可通过调控化学合成办法构建不同手性的异构体。

参考文献

[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

本文受科普中国·星空计划项目扶持

出品：中国科协科普部

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