几何密铺能解开生命手性之谜吗？
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科学
2024-11-27 08:00
北京
生命为何偏好某一手性这个深邃的科学问题，长时间以来吸引了生物化学、细胞生物学、演化生物学等各个不同学科的科学家来一探究竟。近期，由旧金山Chan Zuckerberg生物中心的生物物理学家Greg Huber教授领导的团队又给出了一个非常有趣的解题思路：借助古埃及狮身人面“神兽”的形象，建立“狮身人面学说”，尝试解释生物体有限空间内的手性偏好之谜，研究论文发表在《物理评论研究》（PRR）上。
在遥远的尼罗河畔，忒拜城的山崖之上，有一只怪兽斯芬克斯（又称为狮身人面兽）守在入城的必经之路上，它会拦下路人，提出一道谜题：什么动物，早晨用四条腿走路，中午用两条腿走路，晚上又改用三条腿？斯芬克斯谜题家喻户晓，让我们从哲学角度思考并认识人类自身：我们是谁，从哪里来，生命如何开始……最近，现代科学家创建了有趣的“狮身人面学说”（Sphinxology），借助古老形象展开密铺，从自然科学角度尝试解开生物最基础也最重要的谜团：手性偏好。
当我们摊开手掌，我们的左右手互成镜像对称，但每只手无论如何旋转，都无法完全叠加重合，所以单只手本身不具对称性，这便是“手性”现象最直观的表现。人有左右手之分，以次为依据，不对称的手性结构亦可分为左手性（L型）与右手性（D型）。自然界中手性无处不在，小到微观分子，大到肉眼可见的生物体。例如，DNA螺旋结构极大部分具有右手性螺旋结构，构成生命的有机分子也绝大多数都是手性分子，氨基酸、天然糖类都有左右手性之分。在宏观世界，以人类为例，从头到脚、从前到后，在这两个体轴上也存在明显的不对称性：对于发育正常的人类来说，主要脏器的位置总会偏向身体轴线的某一侧，肝脏偏右，胃总是在左侧，而心脏略微偏左等。另外，器官本身的结构也不对称。只有当人体发育过程发生错误，才会产生左右异常对称或者左右位置完全颠倒的情况。尽管手性左右分明，但在微观分子层面，科学家还发现了另一个奇特现象：同手性（homochirality），即构成生命的同类型分子中某一手性构型占大多数。例如，组成蛋白质的a-氨基酸几乎都是L型，核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）中的核糖全是D型。几乎所有生物在合成与代谢过程中，都无一例外地选择左手性的氨基酸和右手性的糖类。从DNA螺旋结构（左）、组成蛋白质的氨基酸（中）到RNA以及DNA中的D型核糖（右）无不显示出明显的手性偏好 | 图源：pixabay、wikipedia
由此引发了关于同手性的重要问题：为什么生命偏好某一手性呢？不同科学家试图从不同角度回答这个问题，生物化学、细胞生物学、演化生物学等等……但最近，一支由旧金山Chan Zuckerberg生物中心（Chan Zuckerberg Biohub）的生物物理学家Greg Huber（中文名：胡伯光）教授领导的团队给出了一个非常有趣的解题思路：借助古埃及狮身人面“神兽”的形象，建立“狮身人面学说”，尝试解释生物体有限空间内的手性偏好之谜，研究论文发表在《物理评论研究》（PRR）上[1]（下图）。
2018年，胡教授在旧金山组建了自己的生物物理理论课题小组，引入理论物理学工具，创建复杂的生物过程模型以展开研究。但具体的研究对象诞生得更早些，早在胡教授在加利福尼亚大学圣芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所（KITP）担任副主任的时候，他注意到了狮身人面几何图像的手性特征。尽管长久以来不为学界所关注，但他相信如果将这一古老几何形象用于密铺问题，兴许能揭示生物学中的手性偏好问题。真实的狮身人面雕像与狮身人面几何图形 | 图源：danielharper.org
实际上，几何学与生物学之间的联系自上世纪中叶就被科学家所发现，尤其在病毒学领域。1956年，剑桥大学的James Watson和Francis Crick（后因建立DNA双螺旋结构模型而成为1962年的诺贝尔奖得主）就预言了[2]等面体病毒颗粒应该有相同的亚基，以立方体对称的方式排列而成。到了60年代，病毒衣壳被结构生物学家Donald Caspar和生物物理学家Aaron Klug采用几何框架对病毒进行分类[3]，他们的灵感来自著名建筑师R.Buckminster Fuller设计的测地线圆顶，并在俩人撰写《常规病毒构建中的物理学原理》（Physical principles in the construction of regular viruses）[4]的一文中描述了病毒衣壳被中蛋白质分子排列的美妙物理几何学理论。有志于将几何学与手性问题相结合，Huber和自己在密歇根大学（University of Michigan）的好友Robert Ziff教授讨论的这一想法，Ziff随后拉来了同事Craig Knecht和Walter Trump，这两位也对狮身人面课题研究兴趣浓厚。四人一拍即合，课题小组随即成立。从2018年底开始，团队开始从狮身人面二维图像密铺入手，步步深入探讨手性问题。虽然2019年全球新冠疫情也影响了团队，研究脚步曾一度放缓，但功夫不负有心人。经过近5年多的潜心钻研，Huber团队的“狮身人面学说”终得发表。
具体来说，团队从最基本的三角形几何图像开始，使用6块等边三角形拼出最小的狮身人面二维图像（见下图），也成为1阶狮身人面像，表现出固有手性：头部向左即左手性（L-狮身人面像），头部向右便是右手性（R-狮身人面像）。接下来，四块1阶狮身人面像可以密铺成一个2阶狮身人面像，九块1阶狮身人面像可以密铺成一个3阶狮身人面像。以此类推，n阶狮身人面像由n x n个1阶狮身人面像密铺而成。上图左上角为1阶狮身人面像，左下角为2阶狮身人面像，中间和右边为四个3阶狮身人面像。| 图源：参考文献[1]
由于1阶狮身人面像为不对称形状，那么若干1阶狮身人面像密铺便可能存在多种组合方式，例如仅两块1阶狮身人面像便可以通过46或47种不同方式成对，而简单的对称形状如正方形只能以一种方式组合。而更高阶的狮身人面像，如上图所示，3阶狮身人面像密铺就拥有4种不同的组合方式。而随着密铺过程中1阶狮身人面像数量的增加，可能的组合方式也相应地呈指数增长：5阶狮身人面像有153种不同组合方式而形成，6阶是狮身人面像有近7.2万种组合方式，13阶狮身人面像内的组合方式更是达到惊人的1030种，呈指数级方式增长。5阶狮身人面像的153种拼贴组合方式 | 图源：参考文献[1]除了密铺出更高阶的狮身人面像以外，1阶狮身人面像也能以各种组合方式密铺出其他对称或不对称的多边形。基于这样的多边形（包括狮身人面像在内），研究人员开发出一套蒙特卡罗计算方法，通过给定的密铺图形生成给新的密铺图形，进而方便从更加庞大、更加复杂的图形入手，结合手性能量和图形框架来探索其手性特征。
回顾科学史，神秘的同手性问题相关研究断断续续超过100年了，最早可以追溯回1848年，法国化学家Louis Pasteur通过分离酒石酸盐镜像晶体，首次提出分子手性的概念。有趣的是，英国牛津大学数学讲师Lewis Carroll在自己的《爱丽丝梦游仙境》（1865）和《爱丽丝镜中奇遇记》（1871）两本书中也透过镜子描述了神秘的手性现象。进入20世纪初，英国数学物理学家Baron Kelvin男爵正式创造出“手性”这一术语[5]。不过直到50年代，尤其在1953年这一生命起源相关可研报告大丰收年份，英国布里斯托大学（University of Bristol）H.H.Wills物理实验室的F.C.Frank才提出了同手性演化的数学模型[6]，这一理论研究吸引了后面好几代化学家，并在40多年后才获得了实验验证[7]。同样在50年代，同手性问题在物理学领域取得了重大突破。1956年，理论物理学家李政道和杨振宁提出了弱相互作用下是否同手性的问题，即怀疑弱作用下宇称是否守恒。随后，李政道联系了β衰变方面的专家、实验物理学家吴健雄，他们讨论了很多可能的实验验证方案。据吴健雄后来的回忆录讲述，她认为虽然这是一个挑战，但也是“黄金机会”，她提出了使用60Co来检验β衰变下宇称是否守恒的实验[8]，并与美国国家标准局低温研究组合作[9]，最终证明了弱相互作用中的宇称不守恒（李政道和杨振宁后来凭此获得1957年的诺贝尔物理学奖，虽然吴健雄与诺贝尔奖擦身而过，但1978年她获得了首届沃尔夫物理学奖）。一个多世纪以来，从微观粒子到生物分子，同手性问题始终吸引着各领域的科学家前来挑战。在接受《返朴》采访时，Huber教授说，他始终认为宇宙不应该偏爱一种手性，随着尺度的扩大，手性偏好逐渐显现出来，手性可能非常神秘。Huber的团队在仔细研究了狮身人面像千变万化的密铺方式之后，下一步就是将其与手性特征关联起来。为了更直观的呈现密铺图形内局部区域的手性分布情况，团队将L-狮身人面像设定为蓝色，R-狮身人面像设定为红色，以7阶狮身人面像为例，将所有可能密铺方式重叠起来，意外发现图形边界形状与左（或右）手性偏好相关：如上图所示，7阶狮身人面像中，边角处不同区域明显偏蓝或者偏红，而且这一规律也能在狮身人面像密铺形成的对称图形中看到，如下图所示的12阶钻石图形。随后，研究人员引入手性相互作用能量（interaction energy），模拟了高能量与低能量，类似于高温与低温条件下手性狮身人面像的相互作用情况，当两块相同手性的1阶狮身人面像拼贴在一起，便视作低相互作用能量，而当两块手性相对的狮身人面像拼贴在一起，则视为高相互作用能量。研究人员因此假设，考虑到上述图形边界对手性偏好的影响，处于更低温度下的系统（n阶狮身人面像）会表现出唯一手性相态或者某一手性占据大部分图像的相态。通过蒙特卡洛算法，以23阶L-狮身人面像为例（见下图），发现在高温条件下，相同手性的1阶狮身人面像几乎无法相互作用，左右手性杂乱贴合，相互作用能量越高，最后越容易形成左右手性混乱分布的图像（右边的狮身人面像）。而随着温度的降低，更多1阶L-狮身人面像相互贴合，占据了图像中大部分的位置，相互作用变得更为有序，相互作用能量也偏低，使得更多相同的手性拼贴在一起，形成以左手性为主要手性偏好的最终图像（左边的狮身人面像）。而且研究人员预计，随着系统尺寸的变大，手性可能发生急剧变化，这也是团队未来的研究课题。毕竟，该研究提供了一个简化的基本手性模型，表明混乱中能产生秩序，相似的手性分子更会被与自己相似的分子所吸引。在这个意义上，Huber教授团队提出的狮身人面几何模型为解决手性之谜提供了一个出发点。Huber还对《返朴》透露，自己的团队除了在《物理评论研究》上发表的论文结果之外，还有许多建立在狮身人面学说基础上的其他发现，不过尚未正式发表。例如，狮身人面密铺的热动力学，密铺边界波动时发生的现象等等，随着未来更多成果的发表，狮身人面学说的内容将愈加丰富，从中发现任何规律都有助于推动诸多科学领域的进展，例如病毒衣壳的结构，或者磁性如何引发链式反应，最终都有可能解开生命分子同手性谜题。今年10月，Huber团队“移师”加利福尼亚大学旧金山分校（University of California San Francisco ），“狮身人面像”在21世纪的科学领域延续自己的传说……* 感谢Greg Huber教授对本篇文章不遗余力的指导和修改意见。
[1] https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.6.013227
[2] https://www.nature.com/articles/177473a0[3] https://www.chinacdc.cn/gwxx/201910/t20191010_206060.html[4] https://symposium.cshlp.org/content/27/1[5] Kelvin WT. 1904. Baltimore lectures on molecular dynamics and the wave theory of light. C.J. Clay, London[6] https://cshperspectives.cshlp.org/content/11/3/a032540[7] https://waseda.elsevierpure.com/ja/publications/d-and-l-quartz-promoted-highly-enantioselective-synthesis-of-a-ch[8] http://www.ihep.cas.cn/xh/gnwlxh/cgb/201604/t20160430_4593956.html[9] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%90%B4%E6%B0%8F%E5%AE%9E%E9%AA%8C
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