Was ist „Spiegelleben“? Warum waren 38 Nobelpreisträger so erschrocken, dass sie gemeinsam die künstliche Synthese verboten?

Am 11. Dezember 2024 veröffentlichte das Magazin Science einen 299 Seiten langen Bericht mit dem Titel „Confronting risks of mirror life“ (Den Risiken des Spiegellebens entgegentreten). Der Bericht wurde von 38 Nobelpreisträgern und Industrieexperten aus neun Ländern verfasst und fordert ein weltweites Verbot der Forschung an Spiegelleben[1].

Bildquelle: www.science.org

Dies mag wie der Anfang eines Science-Fiction-Romans klingen, es handelt sich jedoch um eine echte wissenschaftliche Diskussion.

Was ist „Spiegelleben“? Warum macht es den Wissenschaftlern so viel Angst? Wir müssen zunächst mit dem seltsamen Phänomen des „Spiegelbildes“ im Leben beginnen.

01. Die Präferenz des Lebens : Protein links, DNA rechts

Wenn wir vor einem Spiegel stehen, sind wir immer noch unser eigenes Bild, aber alle Gesichtszüge sind umgekehrt.

Dieses Phänomen kann auch in der mikroskopischen Welt auf molekularer Ebene beobachtet werden. Einige Moleküle, wie beispielsweise die linke und die rechte Hand eines Menschen, können in Form ihrer eigenen Spiegelbilder existieren, das heißt, sie sind symmetrisch, überlappen sich jedoch nicht . Moleküle mit spiegelbildlicher Struktur werden als „chirale Moleküle“, „Enantiomere“ oder „optische Isomere“ bezeichnet.

Aminosäureverbindungen, die Spiegelbilder voneinander sind. Sie haben die gleiche chemische Zusammensetzung und Verbindungsmethode, aber eine unterschiedliche räumliche Anordnung. Quelle: cn.chem-station.com

Die meisten organischen Moleküle, aus denen lebende Organismen bestehen, sind chirale Moleküle. Chirale Moleküle werden in zwei Formen unterteilt: linkshändig (linkshändig) und rechtshändig (rechtshändig). L- wird normalerweise zur Darstellung von Linkshändern und D- zur Darstellung von Rechtshändern verwendet. Wenn Wissenschaftler im Labor organische Verbindungen synthetisieren, erhalten sie normalerweise etwa zur Hälfte links- und zur anderen Hälfte rechtshändige Moleküle.

Doch seltsamerweise bevorzugen Lebewesen in der Natur oft das eine oder das andere. Mit Ausnahme von Glycin, das nicht chiral ist, sind die übrigen Aminosäuren, aus denen Proteine ​​bestehen, fast alle linkshändig (L-Typ), während die Ribose in Ribonukleinsäure (RNA) und Desoxyribonukleinsäure (DNA) rechtshändig ist (D-Typ ) [2].

Warum die Natur eine bestimmte Chiralität bevorzugt, bleibt ein Rätsel, aber diese Wahl hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Wechselwirkungen lebender Moleküle. Beispielsweise bestimmt die Händigkeit eines Carvonmoleküls, ob es nach grüner Minze oder Kümmel riecht. Im Labor synthetisierte L- und D-Glucose schmecken gleich, aber nur D-Glucose kann vom menschlichen Körper zur Energiegewinnung verstoffwechselt werden, da die Enzyme in unserem Körper nur D-Glucose verarbeiten können[3].

Möchten Sie durch die Einnahme von L-Glucose abnehmen? Vergessen Sie es – es ist nicht nur teuer, sondern kann auch Durchfall verursachen, obwohl es als Abführmittel verwendet werden kann.[4]

02. Die duale Natur chiraler Arzneimittel

Chirale Merkmale kommen bei Arzneimittelmolekülen häufig vor. Unvollständigen Statistiken aus der Ausgabe 2010 des Chinesischen Arzneibuchs zufolge machten unter den 1.018 eingeschlossenen Arzneimitteln unterschiedlicher Struktur 43,22 % der Arzneimittel chirale Zentren aus. Unter ihnen werden für 31,34 % der Arzneimittel strenge Anforderungen an die chirale Konfiguration gestellt.

Beispielsweise ist Levofloxacin wirksamer als Ofloxacin, Dexibuprofen ist wirksamer und Levoesciprofloxacin erfordert eine geringere Dosis und hat weniger Nebenwirkungen ...

Doch chirale Medikamente haben auch Katastrophen verursacht. In den 1950er Jahren wurde Thalidomid (allgemein bekannt als Thalidomid) erstmals eingeführt, ein bekanntes Medikament zur Bekämpfung von Schwangerschaftsreaktionen. Die rechtshändige Verbindung hatte zwar die Wirkung, Schwangerschaftsreaktionen zu hemmen und eine beruhigende Wirkung zu erzielen, die linkshändige Verbindung konnte jedoch zu Missbildungen des Fötus führen[5].

Ein britisches „Robbenmissbildungsbaby“ und sein Vater｜Quelle: dailymail.co.uk

Allerdings war der damaligen Wissenschaft nicht bewusst, dass die Wirkungen spiegelbildlicher Verbindungen im menschlichen Körper so unterschiedlich sein würden, und dass es aufgrund fehlender Nachweismethoden unmöglich war, ihre Chiralität bei der Herstellung zu unterscheiden[6].

Heutzutage ist es in der Branche Konsens, unterschiedliche Konfigurationen chiraler Arzneimittel als unterschiedliche Verbindungen zu behandeln und ihnen mit Vorsicht zu begegnen . Die Regulierungsbehörden reagierten darauf mit geänderten Anforderungen an pharmakologische Tests und Sicherheitsbewertungen.

Mit der Weiterentwicklung der Medizin entwickeln sich auch Medikamente und Behandlungen ständig weiter. Wir werden mehr biologisch gewonnene Moleküle (wie etwa ein kleines Stück Protein) verwenden, um zielgerichtete Medikamente gegen Krebs herzustellen. Sie sind wirksam, werden aber auch leicht durch Enzyme im menschlichen Körper abgebaut, was ihre Wirksamkeit einschränkt.

Daher versuchten die Forscher, spiegelverkehrte Aminosäuremoleküle zur Synthese von Zielproteinen zu verwenden, da diese möglicherweise nicht so leicht von Enzymen im menschlichen Körper abgebaut werden könnten. Um dies zu veranschaulichen, können Sie davon ausgehen, dass das Enzym ein Baseballhandschuh für Linkshänder ist. Wenn das Protein, das wir in den Körper einführen, in der Form eines Rechtshänders vorliegt, kann der Baseballhandschuh nicht „übergestreift“ werden, um es einzufangen.

03. Risiken des Spiegellebens

Wissenschaftlern ist es nun gelungen, einige spiegelbildliche biologische Moleküle zu synthetisieren, etwa linkshändige DNA und voll funktionsfähige „Spiegelenzyme“. Angesichts der Entwicklung der synthetischen Biologie blicken die Wissenschaftler also mit Spannung auf die Frage: Können wir Spiegelleben erschaffen, etwa Spiegelbakterien?

Spiegelbildliches DNA-Molekül | Bildnachweis: theconversation.com; Mark Lorch Mark Lorch

Tatsächlich gibt es bereits einige Forschungsgruppen, die sich damit befassen. Sie synthetisieren Biomoleküle und versuchen, diese zu funktionsfähigen, sich vermehrenden Zellen zusammenzusetzen. Viele Menschen waren sich der Risiken jedoch bereits im Vorfeld bewusst.

Die häufigste Sorge besteht darin, dass diese spiegelbildlichen Bakterien, wenn sie erst einmal erzeugt sind und aus dem Labor in die natürliche Umwelt gelangen, aufgrund ihrer einzigartigen Struktur in der ökologischen Umwelt unbesiegbar sein und eine Epidemie auslösen könnten, die nur schwer unter Kontrolle zu bringen ist. Unabhängig davon, ob es sich bei dem Eindringling um andere Bakterien, Pflanzen, Tiere oder Menschen handelt.

Erinnern Sie sich an die Baseballhandschuh-Analogie von vorhin? Auch im Immunsystem von Organismen gibt es viele Mechanismen, die durch chirale Moleküle vermittelt werden. Gegenüber spiegelbildlichen Bakterien ist das Immunsystem wahrscheinlich hilflos, ebenso wie diese wahrscheinlich auch den natürlichen Fressfeinden chiraler Phagen entgehen können . Herkömmliche Medikamente werden mit ähnlichen Problemen konfrontiert sein.

Spiegelbakterien können der Erkennung durch das Immunsystem entgehen und die entsprechenden Immunzellen zu ihrer Beseitigung nicht aktivieren, sodass sie schließlich ins Blut gelangen und sich unkontrolliert vermehren. Bildquelle: Referenz [1]

Angesichts des aktuellen technologischen Fortschritts gehen Wissenschaftler davon aus, dass es mindestens zehn Jahre dauern wird, bis echte Spiegelbildbakterien entstehen. Doch dieser Prozess ist weitaus komplexer als das bloße Verpacken linkshändiger DNA in eine rechtshändige Proteinhülle. Wenn die Gefahr außer Kontrolle gerät, sind ihre Auswirkungen möglicherweise nur schwer vorherzusagen und können sogar zu ökologischen Katastrophen führen[7]. Viele Wissenschaftler sind daher der Ansicht, dass Vorsicht geboten sei.

Auch einige Wissenschaftler vertreten gegenteilige Ansichten. Andrew Ellington, ein synthetischer Biologe an der University of Texas in Austin, glaubt beispielsweise: „Das ist so, als würden wir jetzt die Verwendung von Transistoren verbieten, weil wir befürchten, dass es in 30 Jahren noch Cyberkriminalität geben könnte.“

Wie aus der Haltung des gemeinsamen Berichts hervorgeht, sind die Wissenschaftler jedoch nach wie vor der Ansicht, dass es sich nicht lohnt, solche Risiken einzugehen. Sie empfehlen ein vollständiges Verbot der Forschung zur Schaffung von Spiegelbakterien und fordern die Institutionen auf, die Finanzierung solcher Projekte einzustellen. Denn selbst wenn das Spiegelbakterium nicht so lebensfähig ist wie sein natürliches Gegenstück, kann es, sobald es den natürlichen Immunmechanismus umgehen kann, eine unkontrollierbare Bedrohung für die Biosicherheit darstellen, die verheerende Folgen für die ganze Welt hätte.

Verweise

[1] Adamala et al. Technischer Bericht über Spiegelbakterien: Machbarkeit und Risiken. Dezember 2024. https://doi.org/10.25740/cv716pj4036

[2] WANG Wenqing. Symmetriebrechung bei der Entstehung des Lebens[J]. Journal of Peking University (Naturwissenschaften), 1997, 33 (2): 265-272.

[3] Yue Kuiyuan. Chiralität, ein seltsames Phänomen im Leben [OL]. Chengdu-Zweigstelle der Chinesischen Akademie der Wissenschaften http://www.cdb.cas.cn/kyzc/kysb/201406/t20140625_4143907.html

[4] Michael Caswell, Edward Delaney, Mohammed Rahman. L-Zucker-Darmreiniger und seine Anwendung [P]. 2012, CN 102448976 A

[5] Zhang Weiguang, Zhang Shilin, Guo Dong, Zhao Ling, Yu Lajia, Zhang Hui, He Yujian. Fokus auf chirale Medikamente: Ausgehend vom „Contergan-Vorfall“. Universitätschemie[J], 2019, 34(9): 1-12 doi:10.3866/PKU.DXHX201904021

[6]Hoffmann, R. Das Gleiche und nicht das Gleiche; Columbia University Press: New York, 1995.

[7]Bob Service, Führende Wissenschaftler warnen vor der Entwicklung von „spiegelbildlichen“ Bakterien, doi: 10.1126/science.zmatxfw

Autor: Wan San

Planung & Bearbeitung: Little Dandelion

Danksagung: Dr. Hu Zhiguo vom Center for Excellence in Molecular Cell Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat diesen Artikel wissenschaftlich begleitet.

Quelle des Titelbildes: Nationales Institut für Allergien und Infektionskrankheiten