38 Wissenschaftler veröffentlichten gemeinsam einen Artikel mit dem Titel „Spiegelbakterien“: Stellen sie eine „Herausforderung“ für das Leben auf der Erde dar?

Am 11. Dezember veröffentlichte die führende internationale Fachzeitschrift Science einen wichtigen Artikel mit dem Titel „Umgang mit den Risiken des ‚Spiegelbildlebens‘“, in dem die „beispiellosen Risiken“ eingehend untersucht werden, die die Erforschung und Schaffung von Mikroorganismen des ‚Spiegellebens‘ für das Leben auf der Erde mit sich bringen kann.

Dieser Artikel wurde von 38 Spitzenwissenschaftlern aus neun Ländern weltweit gemeinsam verfasst. Zum Team gehören zwei Nobelpreisträger und international führende Experten auf dem Gebiet der synthetischen Biologie, Immunologie, Pflanzenpathologie, Ökologie, Evolutionsbiologie und Planetenwissenschaft. Dem Artikel liegt ein ausführlicher, 300 Seiten starker technischer Bericht bei, der umfassende technische Unterstützung für die Analyse bietet.

Den Risiken von „Spiegelwesen“ begegnen (Quelle: Dokument 1)

Wird dieses „Spiegelleben“ angesichts des Ausmaßes der Situation großen Schaden anrichten? Lassen Sie mich Sie hier beruhigen. Dieser Artikel ist sehr zukunftsorientiert. Ziel ist es, die Branche daran zu erinnern, bei der Erforschung des „Spiegellebens“ die Risiken umfassend zu berücksichtigen. Allerdings ist das „Spiegelleben“ noch weit vom Leben der normalen Menschen entfernt, sodass man sich darüber keine Sorgen machen muss.

Was genau ist also „Spiegelleben“ und welche Risiken können damit verbunden sein? Dies muss beim „Spiegelmolekül“ beginnen.

Spiegelbildliche Moleküle im Leben

Die linke und die rechte Hand einer Person spiegeln sich im Spiegel wider, sie dürfen sich jedoch niemals überlappen. Auch einige Moleküle, die eng mit dem Leben verbunden sind, besitzen diese Eigenschaft. Je nach ihren Eigenschaften unterscheidet man zwischen linkshändigen und rechtshändigen Molekülen, was diesen Molekülen völlig unterschiedliche Funktionen verleihen kann.

Im pharmazeutischen Bereich beispielsweise kann der Unterschied in der Chiralität zwischen links- und rechtshändigen Molekülen die Wirksamkeit und sogar den Zweck eines Arzneimittels bestimmen. Levodopa ist ein zentrales Medikament zur Behandlung der Parkinson-Krankheit, da es vom menschlichen Körper effizient in Dopamin umgewandelt werden kann, während Dextrodopa nahezu wirkungslos ist. Dextromethorphan ist ein Hustenstiller, sein linkshändiges Enantiomer hat jedoch eine schmerzstillende Wirkung und zeigt völlig andere physiologische Effekte. Darüber hinaus gibt es Amlodipin, dessen linksdrehende Form nicht nur eine stärkere blutdrucksenkende Wirkung, sondern auch weniger Nebenwirkungen hat, während die rechtsdrehende Form die vaskuläre Endothelfunktion verbessern und so die kardiovaskuläre Gesundheit schützen kann.

In dieser Hinsicht gab es auch schmerzhafte Lektionen im Zusammenhang mit einem Medikament namens „Thalidomid“ (Handelsname „Thalidomid“), das früher häufig zur Verringerung von Schwangerschaftsreaktionen eingesetzt wurde. Von den beiden Enantiomeren kann eines schwangeren Frauen helfen, Schwangerschaftsreaktionen zu reduzieren, während das andere Missbildungen beim „Seehundfötus“ verursachen kann. Aufgrund des unzureichenden Verständnisses der Wirkung von Arzneimitteln und des Fehlens von Nachweis- und Trennmethoden enthielt das Arzneimittel damals beide Enantiomere gleichzeitig. Dies hatte zur Folge, dass viele schwangere Frauen, die Thalidomid einnahmen, missgebildete Babys zur Welt brachten.

Bild aus Dokument 9

Auch die Chiralität von Arzneimitteln unterliegt in unterschiedlichen Umgebungen interessanten Veränderungen. Ephedrin verhält sich in wässriger Lösung linkshändig und wird in Ethanollösung rechtshändig. Obwohl die chemischen Strukturen linkshändiger und rechtshändiger Moleküle nahezu identisch sind, kann ihr Verhalten in vivo völlig unterschiedlich sein, was die Chiralität zu einer wichtigen Forschungsrichtung in der Arzneimittelentwicklung macht.

Im Bereich Lebensmittel und Ernährung ist Glukose einer der am häufigsten vorkommenden Zucker in unserer täglichen Ernährung. Es handelt sich um eine rechtshändige Form, die vom menschlichen Körper aufgenommen und als Energiequelle genutzt werden kann. Das Spiegelbildmolekül L-Glucose hat zwar die gleiche chemische Struktur, kann vom menschlichen Körper jedoch nicht verstoffwechselt werden und darf Lebensmitteln daher nur als Süßungsmittel zugesetzt werden.

Spiegelbildliche Glucose- und Alaninmoleküle (Quelle: Referenz 2)

Milchsäure weist auch eine chirale Diversität auf. L-Milchsäure ist ein wichtiger Stoffwechselprodukt im menschlichen Körper, das vor allem in den Muskeln produziert wird und zur Energiebereitstellung beiträgt. D-Milchsäure hingegen kommt in großen Mengen in fermentierten Lebensmitteln wie Joghurt und Kimchi vor, wo sie mit dem menschlichen Körper koexistieren und diesen Lebensmitteln ihren einzigartigen Geschmack verleihen kann.

Geht man noch einen Schritt weiter, ist der Chiralitätsunterschied bei manchen Pestiziden sogar noch lebensbedrohlicher …

Nachdem wir nun „Spiegelmoleküle“ verstehen, können wir darüber sprechen, was „Spiegelleben“ ist.

Was ist Spiegelleben und wo liegt die Gefahr?

Spiegelleben ist eine hypothetische Lebensform, deren Molekularstruktur eine spiegelbildliche Version der Moleküle des Lebens auf der Erde ist . Die molekulare Chiralität des Spiegellebens ist das genaue Gegenteil derjenigen des gegenwärtigen Lebens auf der Erde. Diese Eigenschaft stellt für das Immunsystem bestehender Organismen eine große Herausforderung dar.

Das Immunsystem ist auf die präzise Erkennung und Interaktion chiraler Moleküle angewiesen. Beispielsweise können Antigene, die aus natürlichen Aminosäuren und Zuckern bestehen, vom Immunsystem effizient verarbeitet werden. Spiegelbildliche Proteine ​​und Nukleinsäuren können jedoch durch vorhandene Immunmechanismen nicht effektiv abgebaut werden, da die Chiralität ihrer Molekülstrukturen vollständig umgekehrt ist.

Experimente haben beispielsweise gezeigt, dass Spiegelbildproteine ​​dem Abbau durch herkömmliche Enzyme widerstehen können und nicht in der Lage sind, kurze Peptidfragmente für die Präsentation durch den Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC) zu produzieren, was direkt zu Hindernissen bei der Antigenerkennung führt. Darüber hinaus sind T-Zellen und B-Zellen im adaptiven Immunsystem für ihre Aktivierung auf Antigensignale angewiesen. Wenn sie jedoch mit Spiegelmolekülen konfrontiert werden, können sie diese Signale nicht erkennen, was die Antikörperproduktion und die zellulären Immunreaktionen behindert.

Von KI generiertes Bild

Wenn spiegelbildliche Mikroben in den menschlichen Körper oder andere Organismen eindringen, könnten sie die Immunabwehr umgehen und sich schnell im Wirt ausbreiten, da ihre Struktur für das Immunsystem fast völlig unerkennbar ist. Das Immunsystem eines gesunden Menschen ist in der Lage, eindringende natürliche chirale Bakterien zu eliminieren, doch spiegelbildliche Mikroorganismen sind in der Lage, zahlreichen Abwehrmechanismen auszuweichen, darunter der angeborenen Immunität (wie etwa dem Komplementsystem) und der adaptiven Immunität. Spiegelbildbakterien aktivieren beispielsweise weder den klassischen noch den alternativen Weg des Komplementsystems und vermeiden dadurch die Lyse oder werden für die Phagozytose markiert. Darüber hinaus reagieren viele antimikrobielle Peptide sehr empfindlich auf Chiralität und können nicht wirksam mit spiegelbildlichen Mikroorganismen interagieren, was die Schutzfunktion der angeborenen Immunität weiter schwächt.

In diesem Fall könnte das Überleben und die Vermehrung spiegelbildlicher Mikroorganismen dem Wirt ernsthaften Schaden zufügen. Insbesondere wenn Barrieregewebe wie Haut, Darm und Atemwege beschädigt sind, können Spiegelmikroorganismen diese natürlichen Barrieren leicht überwinden und in tiefere Körpergewebe eindringen. Sobald sie diese Stellen erreichen, nutzen die Spiegelmikroben wahrscheinlich Nährstoffe aus dem Wirt, um sich schnell zu vermehren. Ohne eine wirksame Immunreaktion zur Eindämmung der Infektion kann ihre Ausbreitung im Körper zu einer tödlichen Erkrankung führen.

In dem Science-Artikel heißt es außerdem, dass Spiegelmikroorganismen nicht nur eine direkte Bedrohung für die Gesundheit einzelner Wirte darstellen, sondern auch zu einer größeren Ausbreitung der Infektion auf Bevölkerungsebene führen können. Aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeit, das Immunsystem zu umgehen, können Spiegelmikroben, sobald sie sich verbreiten, zu einem erheblichen Risiko im Bereich der Bioabwehr werden, das nur schwer zu kontrollieren ist. Dieses Phänomen unterstreicht auch, wie wichtig es ist, das Spiegelleben im Hinblick auf Ethik, Sicherheit und Steuerung bei der Invasion und Zerstörung von Ökosystemen zu untersuchen.

Da einige Nährstoffmoleküle in unserem Körper ebenfalls chiral sind, und die linke Hand nicht bequem in den rechten Handschuh passt, können Spiegelmikroorganismen diese Nährstoffe möglicherweise nicht normal verwerten. Aus dieser Perspektive wird möglicherweise die Reproduktionsrate von Spiegelmikroorganismen reduziert, die oben genannten Risiken können jedoch nicht ignoriert werden.

Spiegelbild Leben, wo ist die wissenschaftliche Gemeinschaft bisher angekommen?

Spiegelleben besteht aus linkshändigen Nukleotiden zur Bildung von DNA und rechtshändigen Aminosäuren zur Bildung von Proteinen. Diese Lebensform wurde in der Natur auf der Erde bisher nicht gefunden, könnte aber im Labor mithilfe der synthetischen Biologie erreicht werden.

Die erste ist die chemische Synthese spiegelbildlicher Biomoleküle. Im Jahr 2022 gelang es Forschern, eine spiegelbildliche T7-RNA-Polymerase mit etwa 100 Kilodalton (kDa) chemisch zu synthetisieren. Dieses Enzym kann die vollständigen 2.900 Basen umfassenden spiegelbildlichen 5S-, 16S- und 23S-ribosomalen RNAs, die die Struktur des spiegelbildlichen Ribosoms bilden, effizient und genau transkribieren und hat auch Durchbrüche bei der Katalyse der Synthese von spiegelbildlichen Kernproteinen erzielt.

Mit Spiegel-RNA und Ribosomen ist es an der Zeit, Proteine ​​zu synthetisieren. Die Immunogenität ist eine der größten Herausforderungen im Bereich der Proteintherapeutika. Insbesondere die langfristige Anwendung von Proteintherapeutika kann zur Bildung von Anti-Medikamenten-Antikörpern (ADAs) führen, die die Wirksamkeit von Medikamenten verringern und Nebenwirkungen hervorrufen können. Ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieses Problems ist die Verwendung spiegelbildlicher Proteine ​​aus D-Aminosäuren, die gegenüber dem Abbau durch Proteasen in Immunzellen resistent sind. Jüngste Studien haben die chemische Synthese enantiomerer Formen variabler Regionen schwerer Ketten von Antikörpern (d-VHH) und den potenziellen Anwendungswert dieser neuen d-VHH-Screening-Plattform bei der Entwicklung von Proteintherapeutika mit reduzierter Immunogenität und höherer Wirksamkeit gezeigt.

Da wir spiegelbildliche RNA, Proteine ​​und andere Lebensmoleküle synthetisieren können, ist es dann weit davon entfernt, spiegelbildliche Zellen synthetisieren zu können? Aktuelle Projekte der synthetischen Biologie versuchen, vollständig künstliche Zellen aus nicht lebender Materie zu bauen. Wissenschaftler versuchen, komplette synthetische Zellen mithilfe spiegelbildlicher Moleküle wie spiegelbildlicher DNA, Proteine ​​und Lipide zusammenzusetzen. Darüber hinaus gibt es Studien, in denen versucht wird, natürliche Bakterien so zu modifizieren, dass sie in vivo spiegelbildliche Moleküle produzieren können, als Übergangsstadium bei der allmählichen Umwandlung in spiegelbildliches Leben. Die größten Hindernisse für die Entwicklung eines Spiegellebens liegen in der Synthese komplexer Molekülsysteme und der Lösung kostenintensiver Probleme.

Zusammenfassen

Die Erforschung des Spiegellebens hat zweifellos neue Grenzen in der Wissenschaft aufgedeckt, bringt aber auch enorme ethische, sicherheitstechnische und ökologische Herausforderungen mit sich. Der Fortschritt dieser Forschung von den molekularen Grundlagen bis hin zur Systemkonstruktion zeigt die menschliche Begeisterung für die Erforschung unbekannter Lebensformen, mahnt die Wissenschaftler aber auch dazu, mit Vorsicht vorzugehen.

Diese Erforschung könnte zu revolutionären Durchbrüchen in Bereichen wie der Medizin und Biotechnologie führen, sie könnte jedoch auch zu unvorhergesehenen Risiken durch Missbrauch oder Nachlässigkeit der Technologie führen. Wie im Science-Artikel gefordert, sollten wir einen soliden Regulierungsrahmen schaffen und gleichzeitig die Forschung öffnen, um ein Gleichgewicht zwischen wissenschaftlichem Fortschritt und sozialer Sicherheit zu gewährleisten.

Das Spiegelleben mag eine Büchse der Pandora sein, doch der Schlüssel zum Öffnen dieser Büchse liegt immer noch in der gemeinsamen Weisheit und dem rationalen Denken der Wissenschaftler und der gesamten Gesellschaft. Die gute Nachricht ist, dass die Lebensdauer des Spiegels kurzfristig keine Bedrohung darstellt, da die derzeitige Technologie noch nicht ausreicht, um eine vollständige Lebensdauer des Spiegels zu erreichen. Da sich die wissenschaftliche Gemeinschaft seit langem der möglichen Risiken bewusst ist, haben wir Zeit, entsprechende Vorbereitungen zu treffen, bevor die Spiegellebenstechnologie tatsächlich realisiert wird (was 10 bis 30 Jahre dauern kann).

Verweise

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Planung und Produktion

Autor: Denovo Popular Science Writer

Rezension von Hu Qiwen, außerordentlicher Professor, Abteilung für Mikrobiologie, School of Basic Medical Sciences, Army Medical University

Planung – Ding Zong

Herausgeber: Ding Zong

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin