
Ilustracja: John Tenniel. Domena publiczna.
„Czy chciałabyś mieszkać w Domu po Drugiej Stronie Lustra, kiciu? Ciekawa jestem, czy dawaliby ci tam mleko? Może to Lustrzane mleko nie nadaje się do picia?”
(„O tym, co Alicja odkryła po drugiej stronie lustra”. Przekład Maciej Słomczyński).
Alicja i chiralność
Lewis Carroll (1832-1898; prawdziwe nazwisko: Charles Lutwidge Dodgson) był matematykiem, poetą i prozaikiem. Wśród jego książek najbardziej znana jest „Alicja w krainie czarów”. Czytamy w niej o przygodach dziesięcioletniej Alicji w krainie pełnej niesamowitych postaci, jak Zwariowany Kapelusznik czy Pan Gąsienica, w krainie, gdzie wszystko jest możliwe. W drugiej części tej opowieści, „O tym, co Alicja odkryła po drugiej stronie lustra”, Alicja przechodzi na drugą stroną lustra i stwierdza, że wszystko jest tam inne niż po „naszej” stronie. Pytanie Alicji o lustrzane mleko jest jak najbardziej uzasadnione. Dziś wiemy, że lustrzane mleko można by wprawdzie pić, ale nie można by go trawić. Dlaczego? Bo zarówno białka jak i cukry obecne w mleku są cząsteczkami chiralnymi.
Czym jest chiralność (z greckiego χείρ – ręka)? Jest to cecha niektórych cząsteczek chemicznych polegająca na tym, że cząsteczka i jej lustrzane odbicie nie są identyczne. Nie można ich nałożyć na siebie na drodze przesunięcia równoległego i obrotu w przestrzeni. Ludzka lewa i prawa dłoń to też obiekty chiralne. Cząsteczki będące wzajemnym lustrzanym odbiciem nazywamy enancjomerami. Zjawisko chiralności zostało po raz pierwszy opisane przez Ludwika Pasteura w 1848 r., który badając kryształy soli sodowo-amonowej kwasu winowego, wykazał, że występują one w dwóch postaciach.
W przyrodzie większość cząsteczek to cząsteczki chiralne. Wśród 20 aminokwasów wchodzących w skład białek, tylko jeden (glicyna) nie jest chiralny. Wszystkie pozostałe występują wyłącznie w formie L. Nazwa bierze się stąd, że we wzorze aminokwasu, w którym grupa -COOH jest na górze, grupa NH2 znajduje się po lewej stronie (łac. laevus, lewy). Jeżeli grupa ta jest po prawej stronie, to mamy do czynienia z konfiguracją D (łac. dexter, prawy). (Ryc. 1).


Ryc. 1. Struktury aminokwasów: (A): glicyna, która jest achiralna i (B) alanina, która w przyrodzie występuje w formie L. (C) Porównanie konfiguracji D i L na przykładzie alaniny. Według: Adamala K. et al., Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. Stanford Digital Repository. Licencja CC BY 4.0.
Lustrzanym odbiciem L-aminokwasu jest D-aminokwas. Białka wchodzące w skład żywych organizmów składają się z L-aminokwasów, chociaż D-aminokwasy też się zdarzają (np. wchodzą one w skład jadu płazów czy stawonogów). Jest to jednak raczej wyjątek niż reguła.
Cząsteczkami chiralnymi są również cukry. Przykładem może być glukoza, cukier o największym znaczeniu dla metabolizmu, który w przyrodzie występuje wyłącznie w konfiguracji D (Ryc. 2).

Ryc. 2. D-glukoza i L-glukoza. Źródło, Wikipedia, domena publiczna.
Inne cukry występujące w przyrodzie są również w konfiguracji D, chociaż na przykład fukoza wchodząca w skład antygenów grupowych ludzkiego układu grupowego krwi ABO ma konfigurację L.
Tak więc zarówno białka, jak i cukry występują w przyrodzie tylko w jednej konfiguracji. Są to L-aminokwasy i (przeważnie) D-cukry. A co z kwasami nukleinowymi (DNA i RNA)? Składają się one z zasad (purynowych lub pirymidynowych), które nie są chiralne, i z chiralnych reszt cukrowych. Te cukry to D-ryboza (w RNA) lub D-deoksyryboza (w DNA). Tak więc DNA i RNA to cząsteczki chiralne.
Chiralne są również lipidy, z których składa się błona komórkowa. Wszystkie powstają z (chiralnego) glicerolo-3-fosforanu. U bakterii i organizmów eukariotycznych występuje on wyłącznie w formie L, a u archeonów (bezjądrowych jednokomórkowych organizmów żyjących w gejzerach) w formie D. Jest to jedyny znany przypadek jednoczesnej obecności lustrzanych form tych samych cząsteczek w różnych domenach życia.
Chiralne cząsteczki wchodzą zatem w skład wszystkich żywych organizmów. „Życie jest formą istnienia chiralnego białka”, można by sparafrazować zdanie Fryderyka Engelsa z książki „Herrn Eugen Dührings Umwälzung der Wissenschaft“, znanej u nas jako „Anty-Dühring” (1877).
Czy może istnieć lustrzane życie?
Wiadomo, że lustrzane komórki nie istnieją, ale w laboratoriach powstało już sporo lustrzanych białek. Wiąże się z nimi duże nadzieje w medycynie, ponieważ białka obecnie stosowane jako leki (np. do zabijania komórek nowotworowych) mają liczne ograniczenia. Są szybko degradowane do małych fragmentów przez obecne w osoczu enzymy zwane proteazami. Ponadto, jako cząsteczki obce dla organizmu mogą być rozpoznane przez komórki układu odpornościowego.
Dlatego właśnie próbuje się tworzyć leki oparte o D-aminokwasy. Nie mają one wad naturalnych białek: proteazy ich nie degradują, a nasz system odpornościowy ich nie widzi. Takie białka są lustrzanymi odbiciami znanych nam białek złożonych z L-aminokwasów (Ryc. 3).

Ryc. 3. Białko złożone z L-aminokwasów i jego lustrzane odbicie (czyli enancjomer) złożone z D-aminokwasów. Według: Adamala K. et al., Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. Stanford Digital Repository. Licencja CC BY 4.0.
Stworzono już wiele „lustrzanych” białek o potencjalnym znaczeniu terapeutycznym, jak np. przeciwciało rozpoznające kinazę ABL, które może mieć zastosowanie w terapii przeciwnowotworowej. Białka takie można jak dotąd otrzymać jedynie w oparciu o chemiczną syntezę peptydów z D-aminokwasów, co jest to procesem długotrwałym, kosztownym i związanym z licznymi ograniczeniami (najdłuższy peptyd otrzymany za pomocą syntezy chemicznej składa się ze 160 reszt aminokwasowych). Dlatego uczeni pracują nad otrzymaniem organizmów, które byłyby w stanie produkować lustrzane białka, co pozwoliłoby na otrzymanie większych białek i obniżenie kosztów.
Czy można stworzyć lustrzane bakterie?
Najprostszymi organizmami, które mogłyby produkować takie białka, są bakterie. Dziś duża część terapeutycznych białek jest produkowana właśnie przez nie, najczęściej przez różne szczepy pałeczki okrężnicy, czyli Escherichia coli. Takich naturalnych bakterii nie można jednak zmusić do produkcji lustrzanych białek. Mogą to robić tylko specjalne bakterie, w których wszystkie procesy zachodzą w oparciu o lustrzane odbicia znanych nam chiralnych cząsteczek. Czy można stworzyć takie bakterie? Jest to skomplikowane, ale nie niemożliwe. Zacząć trzeba od syntezy podstawowych białek i kwasów nukleinowych z D-aminokwasów, L-nukleotydów i L-cukrów (czyli lustrzanych odbić cząsteczek występujących w naturze). I tu zaczynają się problemy. Syntetyczne otrzymanie genomu bakterii składającego się z L-deoksyrybonukleotydów tworzących L-DNA jest dość proste (zasada ta sama, co w przypadku syntezy D-DNA z D-deoksyrybonukleotydów). Małe D-białka też można otrzymać syntetycznie, ale produkcja D-białek w bakteriach będzie wymagała wyprodukowania lustrzanego RNA. W naturalnych komórkach reakcję transkrypcji przeprowadza polimeraza RNA, która potrzebuje do tego D-DNA i D-rybonukleotydów. W lustrzanej bakterii będzie to lustrzana polimeraza RNA (D-polimeraza RNA), która będzie potrzebowała L-DNA i L-rybonukleotydów. Enzym taki trzeba będzie stworzyć syntetycznie i dostarczyć do bakterii.
Największy problem jest jednak z translacją, czyli syntezą białka w oparciu o sekwencję mRNA. Potrzebne są do tego rybosomy, które u bakterii składają się z 3 cząsteczek RNA oraz około 50 białek. Lustrzany rybosom trzeba będzie zsyntezować z L-rybonukleotydów i D- aminokwasów, co nie jest łatwym zadaniem. Udało się już jednak otrzymać funkcjonalne podjednostki rybosomu, tak więc „pełny” sztuczny rybosom może być wkrótce w zasięgu ręki. Jeżeli powstanie, będzie to pierwszy krok na drodze do otrzymania sztucznej (lustrzanej) bakterii.
Lustrzany rybosom to jednak nie wszystko. Potrzebne jeszcze będą lustrzane tRNA i D-aminokwasy, a także białka, które przyłączają aminokwasy do tRNA (syntetazy aminoacylo-tRNA) oraz pomocnicze białka biorące udział w translacji (tzw. czynniki translacyjne). Wszystkie te białka i RNA trzeba będzie syntezować chemicznie. Jeżeli się to uda, to po przeniesieniu ich do bakterii zawierającej tylko lustrzany genom, taka lustrzana bakteria powinna zacząć samodzielnie funkcjonować. I jeszcze jedno. Lustrzana bakteria będzie potrzebowała D-lipidów do utworzenia błony komórkowej. Je też trzeba będzie syntetycznie otrzymać, przy czym problemem mogą być bakterie przejściowe, to znaczy zawierające jednocześnie D- i L-lipidy. Ich błona komórkowa prawdopodobnie będzie niestabilna.
Ze względu na liczne potencjalne problemy z otrzymaniem lustrzanych bakterii, rozważa się też podejście hybrydowe, czyli otrzymanie bakterii o podwójnej chiralności. Bakteria taka miałaby naturalny aparat służący do syntezy białek niezbędnych do życia, a lustrzany proces dotyczyłby jedynie tych białek, które mamy zamiar otrzymać. Wymagałoby to jednoczesnej obecności naturalnych i lustrzanych enzymów, przy czym za produkcję lustrzanych białek odpowiadałyby lustrzane rybosomy, przeprojektowane tak, żeby produkowały D-białka (Ryc. 4).

Ryc. 4. Produkcja białek w naturalnej bakterii, w lustrzanej bakterii i w bakterii o podwójnej chiralności. Według: Adamala K. et al., Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. Stanford Digital Repository. Licencja CC BY 4.0.
Tak więc lustrzana bakteria wprawdzie jeszcze nie powstała, ale jej stworzenie może być wkrótce całkiem prawdopodobne. Czym będzie się żywić? W warunkach laboratoryjnych będzie można dostarczać jej w pożywce lustrzane odbicia związków, które występują w przyrodzie. A jeżeli zechcemy, żeby taka bakteria mogła żyć poza laboratorium, to z jakich związków chemicznych może korzystać?
Wiadomo, że „naturalne” bakterie nie mogą utylizować L-glukozy, tak więc lustrzane bakterie prawdopodobnie nie będą mogły żywić się powszechną w przyrodzie D-glukozą. Ale są liczne niechiralne substancje, z których lustrzane bakterie mogą korzystać. Przykładem może być glicyna, kwasy tłuszczowe, alkohole czy aminy, a także zasady pochodzące z kwasów nukleinowych. Z aminokwasami może być problem, bo o ile lustrzane bakterie będą mogły prawdopodobnie rozkładać L-aminokwasy (tak jak naturalne bakterie mogą rozkładać D-aminokwasy), to lustrzane bakterie raczej nie będą mogły rozkładać L-białek. Ale może achiralne związki wystarczą?
Czy stoimy więc u progu nowej ery w biotechnologii? Czy lustrzane bakterie (a może i inne organizmy) spełnią pokładane w nich nadzieje? I przede wszystkim, czy te organizmy są bezpieczne dla świata i dla ludzkości? Na te pytania odpowiadam w następnym wpisie.
Literatura dodatkowa
Stereochemia w świecie opisanym przez Lewisa Carrolla po drugiej stronie lustra
https://www.victoriannetwork.org/index.php/vn/article/view/14
Ludwik Pasteur i odkrycie chiralności
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/chir.23349
Lustrzane białka w terapii przeciwnowotworowej
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54901-y
Nadzieje związane z lustrzanymi białkami
Istnieje hipoteza panspermii, według której życie w kosmosie powstało tylko raz, ale rozprzestrzeniło się na inne dogodne planety przeniesione w pyle kosmicznym i meteorytach (oczywiście przy założeniu, że istnieje ono nie tylko na Ziemi). Przeciwna hipoteza głosi, że być może powstało ono na różnych planetach, na każdej oddzielnie. Jeśli prawdziwa jest pierwsza hipoteza, to jeżeli uda nam się odkryć życie na innej planecie, musi ono być organiczne, oparte na L-aminokwasach i D-cukrach. A jeśli odkryjemy życie o przeciwnej chiralności, to przekreśli hipotezę panspermii.
Niekoniecznie, bo zakładając nawet, że życie musi się opierać na aminokwasach i cukrach w podobny sposób jak na Ziemi, to „złamanie symetrii” na rzecz jednej z dwóch możliwości może być kwestią czysto losową (z równym prawdopodobieństwem każdej z chiralności, jak przy rzutach monetą). Prawdopodobieństwo przypadkowej zbieżności byłoby zatem spore (do czasu ewentualnego odkrycia wielu przykładów życia pozaziemskiego).
A jeśli nie jest to proces czysto losowy (np. jeśli w naszej okolicy Drogi Mlecznej jakieś czynniki faworyzują prebiotyczną syntezę L-aminokwasów), to jednakowa chiralność nie musi oznaczać panspermii, tylko może być skutkiem wzmocnienia (na etapie lokalnie zachodzącej abiogenezy) już wcześniej istniejącej asymetrii.
Nie jest to możliwość czysto hipotetyczna, bo niektóre aminokwasy występujące w meteorytach węglowych faktycznie wykazują znaczącą, systematyczną przewagę enancjomerów L (nawet rzędu 60/40).
To ciekawe, ale być może asymetria chiralna aminokwasów nie ma przyczyn chemicznych a fizyczno-kosmiczne, na przykład lokalną dla galaktyki (regionu galaktyki, obecność w pobliżu kwazarów albo czarnych dziur) asymetrię polaryzacji promieniowania. A to może się przekładać na większą albo mniejszą „życiogenność” L- i D- danego regionu wszechświata.
Być może wyjaśnił to Stanisław Lem w Podróży Ósmej (Dzienniki Gwiazdowe):
– Zadam obecnie kilka pytań końcowych czcigodnej delegacji tarrakańskiej! Czy nie jest prawdą, że w swoim czasie wylądował na martwej podówczas planecie Ziemi statek pod waszą flagą, któremu wskutek awarii lodówek popsuła się część zapasów? Czy nie jest prawdą, że na statku tym znajdowało się dwóch próżniarzy, skreślonych później ze wszystkich rejestrów za bezwstydne machinacje z rzęślami, i że ci dwaj łotrzy, te zawalidrogi mleczne, zwali się Bann i Pugg? Czy nie jest prawdą, że Bann i Pugg postanowili, po pijanemu, nie zadowolić się zwykłym zanieczyszczeniem bezbronnej, pustynnej planety, gdyż zachciało im się zaaranżować na niej, w sposób występny i karygodny, ewolucję biologiczną, jakiej świat dotąd nie widział? Czy nie jest prawdą, że obaj ci Tarrakanie rozmyślnie, z najwyższym napięciem złej woli obmyślili sposób stworzenia z Ziemi – wylęgami dziwolągów na skalę całej Galaktyki, cyrku kosmicznego, panopticum, gabinetu makabrycznych osobliwości, którego żywe eksponaty stałyby się, w swoim czasie, pośmiewiskiem najdalszych Mgławic?! Czy nie jest prawdą, że pozbawieni wszelkiego poczucia przystojności i hamulców etycznych, obaj ci bezecnicy wylali na skały martwej Ziemi sześć beczek zjełczałego kleju żelatynowego i dwie bańki nadpsutej pasty albuminowej, że dosypali do owej mazi – sfermentowanej rybozy, pentozy i lewulozy, a jakby mało było jeszcze tych paskudztw, polali je trzema dużymi konewkami roztworu zgliwiałych aminokwasów, po czym powstałą bryję bełtali łopatką od węgla, skrzywioną w lewo, oraz pogrzebaczem, także wykręconym w tę samą stronę, wskutek czego białka wszystkich przyszłych istot ziemskich stały się LEWOskrętne?! Czy nie jest nareszcie prawdą, że Pugg, cierpiący podówczas na silny katar, a podżegany do tego przez słaniającego się od nadużycia trunków Banna, w sposób rozmyślny nakichał do plazmatycznej zarodzi, a zakażając ją przez to złośliwymi wirusami, rechotał, iż dzięki temu tchnął “sakramenckiego ducha” w nieszczęsny zaczyn ewolucyjny?! Czy nie jest prawdą, że lewoskrętność owa i owa złośliwość przeszły następnie w ciała ziemskich organizmów i przetrwały w nich po dzisiaj, od czego cierpią teraz bezwinni przedstawiciele rasy Artefactum Abhorrens, którzy nazwali siebie mianem homo sapiens jedynie z prostaczej naiwności? Czy nie jest przeto prawdą, że Tarrakanie winni nie tylko zapłacić za Ziemian wpisowe, w wysokości biliona ton kruszcu, ale także muszą wypłacić nieszczęśliwym ofiarom planetarnego nierządu – KOSMICZNE ALIMENTY?!
Dzięki za przytoczenie tego przemówienia. Może warto zwrócić uwagę, że wspomniana tu lewuloza to niegdyś używana nazwa D-fruktozy. Nie wszyscy pewnie wiedzą, że określenie konfiguracji cukrów (lub aminokwasów) jako „prawej” (D) lub „lewej” (L) na podstawie położenia przestrzennego grup jest czysto umowne i niezależne od aktywności optycznej (skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego w prawo lub w lewo przez daną substancję).
Na przykład „naturalna” D-glukoza jest optycznie prawoskrętna (dlatego nazywano ją dekstrozą), natomiast D-fruktoza jest optycznie lewoskrętna (stąd lewuloza). Gdyby ktoś się zastanawiał nad podobieństwem łacińskiego laevus do polskiego lewy, to wynika ono z pokrewieństwa: oba słowa mają to samo źródło praindoeuropejskie, przymiotnik *lajwos. Natomiast podobieństwo do angielskiego left jest czysto przypadkowe.
Dzięki Piotrze za uwagi! To czuję się w obowiązku dodać, że ze względu na wspomnianą niejednoznaczność konfiguracji D i L, wprowadzono tak zwaną konfigurację absolutną (Cahna-Ingolda-Preloga), zwaną też konfiguracją R-S. W najprostszy sposób można powiedzieć, że o konfiguracji decyduje ułożenie podstawników wokół centrum chiralności. Najmiejszy musi znajdować się najdalej od obserwatora. Ułożenie pozostałych trzech decyduje o konfiguracji. Jeżeli kierunek od największego do najmniejszego jest zgodny z ruchem wskazówek zegara, to mamy do czynienia z konfiguracją R (z łaciny rectus, prawy). Jeżeli kierunek jest odwrotny do ruchu wskazówek zegara, to jest to konfiguracja S (z łaciny sinister, lewy). A który jest największy? Tu decyduje liczba atomowa. Dlatego tlen (8) ma pierwszeństwo przed azotem (7), a ten przed węglem (6). Jeżeli są dwa atomy o tej samej liczbie atomowej, to bierze się pod uwagę następny atom. I tu ciekawostka dobra na egzamin ze sterochemii: wszystkie naturalne chiralne aminokwasy są w konfiguracji L, co przekłada się na konfigurację absolutną S. Ale jest jeden wyjątek: to L-cysteina, która jest w konfiguracji R. Dlaczego? W innych aminokwasach pierwszeństwo jest następujące: NH2>COOH>R (gdzie R to grupa boczna). Ta grupa boczna to w chiralnych aminokwasach zawsze węgiel (6), z przyłączonym tlenem (8), azotem (7) albo innym węglem. Dwa atomy tlenu w grupie -COOH (2×8) „ważą” więcej niż węgiel z jednym tlenem, azotem albo jeszcze jednym węglem. Ale w przypadku cysteiny jest inaczej: porównujemy grupę COOH, czyli dwa atomy tlenu związane bezpośrednio z atomem węgla (8+8=16) z grupą CH2SH, która ma atom siarki i 2 atomu wodoru (2+16=18). 18 to więcej niż 16, kolejność obiegu grup jest (odwrotnie niż we wszystkich innych chiralnych aminokwasach) zgodna z ruchem wskazówek zegara, i stąd konfiguracja R w cysteinie.
Mała uwaga filologiczna: rēctus znaczy po łacinie 'prosty, właściwy, prawidłowy’, nie 'prawy’. Przypuszczam, że wybrano R dlatego, że rēctus to przeciwieństwo sinister w innym sensie (’zły, niewłaściwy’). Możliwe też, że ktoś skojarzył angielskie right albo niemieckie rechts z rēctus. I słusznie, bo są to wyrazy pokrewne, ale tylko te germańskie nabrały znaczenia 'prawy’. Wzięło się to stąd, że stronę lewą uważano kiedyś za złą/pechową, a prawą za dobrą/szczęśliwą. A wszystko przez to, że większość ludzi jest praworęczna (też ciekawy przykład utrwalonej asymetrii).
Ciekawe, czy jak się stworzy tych lustrzanych ludzi z D-aminokwasów, to większość z nich będzie leworęczna.
Chyba powinno tak być?
Dziękuję za glosę filologiczną! A jeszcze w tym temacie, jak się ma podział na rectus i sinister do podziału na prawicę i lewicę? Prawica lubi używać argumentu że jest prawa, czyli właściwa.
To terminologia z czasów rewolucji francuskiej, kiedy w Zgromadzeniu Narodowym (1789) konserwatyści/rojaliści zasiedli po prawej stronie sali obrad, a radykałowie/rewolucjoniści po lewej. Oczywiście to sprawa względna (zależy, z której strony patrzeć).
Jeśli ktoś wyciąga daleko idące wnioski z naiwnej „etymologii ludowej”, można mu uświadomić, że po łacinie prāvus oznaczało 'krzywy, zdeformowany’, a także 'skrzywiony moralnie’ (stąd deprawacja).
Patrz też:
https://eksperymentmyslowy.pl/2023/01/26/przerywnik-deprawacja-czyli-falszywi-przyjaciele-i-etymologia-ludowa/
A propos prawy versus lewy, czyli właściwy (=prawidłowy) versus niewłaściwy (zły): Jeżeli prawosławie jest prawe (słuszne, bo ortodoksyjne, czyli prawowierne), to czy katolicyzm jest lewy? czyli niesłuszny? w końcu chrześcijaństwo powstało na Wschodzie, czyli tamtejsze jest pierwotną, ortodoksyjną wiarą, i nie było żadnej Wielkiej Schizmy Wschodniej (czyli odszczepienia się Kościoła wschodniego), o której nas uczono w szkole, tylko, przeciwnie, Wielka Schizma Zachodnia!