陈亚涵|韩洋洋|穆志霞|董思文|楚欣|卢健|钱昭慧
中国北京协和医学院病原体感染预防与控制教育部重点实验室
**摘要**
镜像生物学是合成生物学中的一个新兴前沿领域，它利用手性相反的生物分子（D-蛋白质和L-核酸）来构建正交的生物系统。生物医学、生物工程、环境保护和信息技术的快速发展为镜像生物学提供了广阔的应用前景。由于这些镜像分子天然具有抗降解性，因此开发出了Spiegelmers、D-肽治疗剂和L-DNA纳米设备等平台，用于长期药物输送、精确生物传感和持久信息存储等应用。然而，最近的研究进展（包括尝试组装D-核糖体）已将这一领域推向了一个新的阶段——可能创造出类似生命的镜像系统，这引发了重大的生物安全和生物安全问题。由于其分子层面的手性不兼容性，镜像生物体理论上可以规避自然生态系统中的生物相互作用和生态控制机制。如果这些生物体被释放到环境中，可能会对公共健康和生态系统稳定性造成不可逆的威胁。本文概述了镜像生物学的分子基础、技术进步和应用前景，评估了相关的好处和生物安全风险，指出了当前国际监管工作的不足，并提出了一个动态的、分级风险的框架，以指导这一变革性技术的 responsibly（此处“responsiblely”根据语境可译为“负责任地”或“有规划地”）发展。
**1. 引言**
分子不对称性（也称为手性）是指分子的三维结构与其镜像无法重叠的性质（图1）。19世纪，巴斯德在研究酒石酸时首次认识到这一现象。[1, 2, 3] 对映体（如L-氨基酸和D-氨基酸）具有相同的物理化学性质（包括自由能、溶解度和化学组成），但空间排列不同，导致它们与其他手性系统的相互作用存在显著差异。地球上所有已知的生物都使用L-氨基酸进行蛋白质合成，并以D-核糖作为核酸的骨架。我们的生命系统为何以及如何选择了这种单一的手性构型而非镜像构型，仍然是生物学和生命起源研究中的一个基本且未解之谜。[1, 4, 5]
**图1. D-丙氨酸与L-丙氨酸的镜像关系**
由于手性相反，镜像分子对天然酶具有抵抗力，因此在自然环境中表现出高度稳定性。镜像生物分子已经在制药、诊断生物传感、塑料降解酶和分子信息存储等方面展现出广阔的应用前景。因此，镜像生物学领域越来越受到关注。
镜像生物学致力于研究和构建那些手性完全反转的生物分子系统；在这些系统中，L-DNA充当遗传载体，通过镜像RNA聚合酶转录成L-RNA，最终由镜像核糖体翻译成D-蛋白质。[6] 自该领域诞生以来，已经取得了多项重大进展。1992年，Zawadzke和Berg首次化学合成了镜像蛋白质，并证明了它们能够正确折叠，证实了镜像生物分子的结构可行性。[7] 1996年，Klussmann及其同事开发了用于镜像核酸的Spiegelmer技术。[8] 2016年，朱婷团队成功合成了一种功能齐全的镜像DNA聚合酶（D-Dpo4，352个氨基酸），实现了镜像DNA的酶促复制。[6] 随后，2017年实现了镜像RNA的转录[9]，并开发了多种其他镜像酶工具[10]，标志着镜像生物学从概念验证阶段过渡到系统工程阶段。然而，这些进展也引发了关于生成镜像细胞可能带来的风险的担忧，包括免疫逃避和对自然生物控制系统的抵抗力（例如被变形虫Amoeba proteus捕食、细菌病毒感染以及宿主免疫受体TLR4的识别）。[6, 11] 2024年12月，包括诺贝尔奖得主在内的38位科学家在《科学》杂志上发表了一封公开信，警告镜像生命形式可能带来的潜在风险。[11]
本文系统总结了镜像生物学的进展、潜在应用和相关风险，并探讨了相关的治理和监管框架，旨在为研究人员、政策制定者和公众提供这一新兴领域的全面了解，促进科学创新与风险管理的平衡。
**2. 镜像生物学的最新进展**
镜像生物学的进展可以分为三个层面：
- **化学和结构层面**：可以可靠地合成结构稳定的镜像核酸和蛋白质。
- **遗传层面**：实现了镜像DNA的复制和RNA的转录。
- **工程层面**：日益丰富的镜像酶、核酸和分析方法使得这些系统不仅可合成，还可进行工程化改造。这三个层面共同构成了镜像生物学的技术基础和实际潜力（表1）。
**表1. 镜像生物学在化学、遗传和工程层面的最新进展**
| 层面 | 关键进展 |
| --- | --- |
| **化学和结构层面** | 合成和结构保真度 | L-DNA/L-RNA形成稳定的天然类似双链；化学合成全长D-蛋白质 [7, 12, 13, 14, 15, 16, 21, 22] |
| 早期功能化 | 抗核酸酶的Spiegelmers和稳定的L-核酸探针/纳米结构 [8, 17, 18, 19, 20] |
| **遗传层面** | DNA复制 | 化学合成功能性的镜像DNA聚合酶（D-Dpo4），实现L-DNA的忠实复制 [6] |
| **转录** | 完全镜像的转录系统，将L-DNA转化为功能性L-RNA（如适配体和核酶）[9, 24] |
| **翻译（不完整）** | 合成镜像核糖体蛋白质、长L-rRNA片段和用于D-蛋白质分析的蛋白酶 [24, 25, 26] |
| **工程层面** | 发现平台 | 利用镜像噬菌体展示和MI-RaPID平台系统地发现D-肽配体 [29, 30, 31, 32, 33] |
| **分析工具** | 开发镜像蛋白酶和核酸酶（如D-胰蛋白酶）[10, 22, 26] |
| **系统构建策略** | 新兴的自下而上和自上而下的策略，促进镜像遗传和原细胞系统的开发 [25, 36] |
**2.1. 化学和结构层面的进展：从概念验证到早期功能化**
在化学和结构层面，早期研究致力于确定是否能够合成并折叠出结构稳定的手性反转核酸和蛋白质。[12, 13] 20世纪90年代以来的热力学、光谱学和结构研究表明，L-DNA和L-RNA形成的双螺旋结构在碱基配对、热稳定性和杂交动力学方面与天然D-核酸几乎相同，仅在手性敏感信号（如圆二色性）上存在差异。[14] 这些发现表明，核酸双链的稳定性主要由非手性相互作用（如碱基堆积和氢键）决定。[15, 16] 固相合成的进步使得L-核酸的大规模生产成为可能；其对核酸酶的完全抗性促进了早期功能应用，如Spiegelmers、稳定的分子探针[18, 19] 和镜像纳米结构[20]。此外，随着固相肽合成、天然化学连接和多片段组装技术的成熟[7], [21]，已经高保真度地合成了数百个D-氨基酸组成的全长镜像蛋白质。[22] 结构和功能分析表明，这些蛋白质其折叠结果与其天然对应物完全相同，并具有相应的立体选择性活性，验证了Anfinsen的热力学假设。[12][23] 这些进展标志着从结构概念验证向功能验证和工程可扩展性的转变，为下一代药物开发奠定了基础。
**2.2. 遗传层面的突破：复制、转录和翻译**
构建包含复制、转录和翻译的镜像遗传系统是镜像生物学的核心，因为它标志着从化学分子向能够处理遗传信息的系统的转变。该领域的努力集中在三个相互关联的目标上：镜像DNA复制、镜像RNA转录和镜像翻译系统。2016年，朱婷团队化学合成了一种完全镜像的DNA聚合酶D-Dpo4（352个氨基酸），能够准确识别和处理镜像底物。[6] 这一成就将静态的化学实体转变为动态的遗传组装体，建立了复制作为镜像遗传系统的第一个功能组件。这一突破迅速扩展到了转录领域：化学合成了一个镜像RNA聚合酶，能够将L-DNA转化为L-RNA。[24] 该系统还能生成功能性镜像RNA，包括镜像适配体和核酶。值得注意的是，镜像RNA天然具有抗天然RN酶的能力，在细胞环境中表现出极高的稳定性，凸显了其在下游应用中的巨大潜力。尽管取得了这些进展，镜像翻译仍然是关键缺失的一环。[25] 此外，代谢可行性也是一个重大挑战。天然代谢网络依赖于高度特异性的酶-底物相互作用，涉及天然手性代谢物和辅因子。因此，镜像生物系统需要相应的镜像代谢底物、酶和辅因子来支持自主代谢。自然环境中缺乏兼容的镜像代谢物可能会对镜像生物体的代谢自主性造成严重限制。此外，合成镜像大分子的能量成本可能进一步阻碍其生存能力。[24, 25] 化学或酶法生产镜像蛋白质、核酸和辅因子需要大量能量投入，使得能量自给自足的镜像生物系统的出现极具挑战性。在这一背景下，重建一个功能性的镜像翻译装置将是一个具有重大意义的里程碑，因为它将使镜像生物系统实现自主运行并大幅扩展该领域的研究范围。然而，实现这一目标面临诸多技术挑战，包括合成、折叠和协调组装镜像核糖体组分、tRNA和氨基酰-tRNA合成酶。[25] 尽管如此，近年来仍取得了重大进展：化学合成了多种镜像核糖体蛋白质，生成了长链镜像rRNA片段，并开发了必要的酶工具（如镜像胰蛋白酶），实现了D-蛋白质的高保真质谱测序。[24][26] 结合早期镜像蛋白质保持其天然对应物的结构完整性和催化功能的进展，[12][21][27] 这些成就表明镜像翻译已从理论上不可行发展为逐步的组件级工程。未来在镜像tRNA、氨基酰-tRNA合成酶和核糖体自组装方面的突破对于完善镜像遗传系统至关重要。[28]
**2.3. 工程层面的进展：向镜像系统的系统工程化迈进**
在工程层面，镜像生物学已从证明化学可合成性发展到实现系统工程化。镜像肽和蛋白质的生产已从孤立的单个案例合成转变为基于平台的高通量发现策略。一个显著的例子是镜像噬菌体展示技术：化学合成的D-蛋白质作为筛选靶点，从天然L-肽库中识别高亲和力配体；随后的对映体转化生成能够选择性靶向天然L-蛋白质的D-肽抑制剂。[29, 30] 这些进展表明，手性反转不仅保留了基本的物理化学相互作用，还带来了额外的优势，如抗生物降解性和降低脱靶效应。除了保持天然酶的效率外，镜像蛋白质工程还能实现对反应立体化学的精确对称控制。例如，全合成的L-和D-肌红蛋白酶已被证明能够以相等但相反的对映选择性催化碳烯转移反应，实现了天然酶无法实现的立体选择性生物催化。[31] 此外，像Mirror-Image Random Nonstandard Peptides Integrated Discovery (MI-RaPID)这样的平台[32][33] 将灵活的体外翻译与mRNA展示相结合，进一步扩展了镜像分子工程的设计空间。[32] 通过使用Flexizyme将D-氨基酸、β-氨基酸和其他非典型残基加载到tRNA上，这些系统能够生成多样化的 macrocyclic 肽库，并实现高亲和力、选择性和稳定性的镜像肽的迭代筛选。[33] 此外，镜像蛋白酶和核酸酶（如D-胰蛋白酶）的开发使得基于质谱的序列分析、结构验证和质量控制成为可能，[10][22][26] 为迭代工程奠定了基础。同时， automated fast-flow 肽类合成的最新进展结合天然化学连接技术，使得全长功能性镜像蛋白质（包括肿瘤坏死因子α和环孢素A）的快速可扩展化学合成成为可能，进一步证明了D-蛋白质工程策略的成熟性和通用性。[34, 35] 在这些工具的支持下，镜像生物学正从单个分子向镜像细胞的系统构建迈进。已经出现了两种主要策略：一种是自下而上的方法，该方法从对映体成分（包括镜像核酸、酶、翻译机制和膜）组装出完整的遗传和代谢系统[25]；另一种是自上而下的方法，该方法试图逐步替换天然细胞中的手性分子机制，以实现镜像状态[36]。尽管尚未实现完全功能的镜像细胞，但已经展示了几个关键的子模块，包括复制[6]、转录[24]、氨基酰化[37]和无细胞翻译系统[25]。一种具有酶活性的镜像DNA连接酶完全由D-氨基酸构建，这表明合成的D-酶可以催化DNA连接，并为镜像遗传信息处理提供关键组件[38]。重要的是，这些研究表明，在自然环境中，镜像细胞的主要限制不是信息处理，而是内源性代谢底物的手性不兼容性[11]。为了克服这一瓶颈，新兴的研究重点在于使用非手性或外消旋底物的工程代谢途径，包括二氧化碳、甲酸和甲醇，并结合光驱动的能量再生系统[39]。然而，镜像系统的代谢自主性仍然受到很大限制。这些代谢和能量限制突显了实现完全自主的镜像生物系统所面临的重大挑战[39]。总体而言，筛选、合成、表征和系统整合方面的进步正在将镜像生物学从零散的分子演示转化为一个连贯的工程学科，现在正接近于构建镜像遗传系统和早期类细胞原型。
3. 应用和前景
由于具有相反的手性，镜像分子对酶降解和免疫识别具有抵抗力，因此在生物医学、工程学、环境科学和信息技术领域具有广泛的应用前景（表2）。
表2. 镜像生物学的关键应用概述
应用领域 具体应用
生物医学 Spiegelmers [8, 16, 41, 42]
D-肽 [30, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51]
生物工程 D-肽水凝胶 [65, 66, 67, 68]
D-蛋白纳米孔 [70, 71, 72, 73]
正交系统 [25]
环境保护 PET酶 [79, 80, 81]
信息技术 镜像DNA/蛋白质 [26, 34, 35]
3.1 生物医学
利用分子手性反转的镜像技术已成为开发具有卓越稳定性、特异性和寿命的药物及诊断设备的强大策略[8][40]。在医学上，最先进的镜像疗法是Spiegelmers，它们是设计用来高亲和力结合天然蛋白质目标的L-RNA或L-DNA适配体[8][16]。由于内源性核酸酶不能识别L-核酸，Spiegelmers表现出异常的血清稳定性和延长的循环时间。几种Spiegelmer药物候选物已经进入临床试验阶段，包括针对CXCL12的olaptesed pegol（NOX-A12）用于肿瘤学；针对CCL2的emapticap pegol（NOX-E36）用于炎症和代谢疾病；以及针对慢性病贫血的lexaptepid pegol（NOX-H94）[16][41, 42]。这些试验显示了良好的安全性和靶点结合效果，验证了镜像核酸作为临床相关药物形式的可行性[43]。与传统由天然核苷酸组成的RNA或DNA适配体相比，Spiegelmers表现出显著增强的核酸酶抗性和更长的体内半衰期，使其尤其适用于需要长期系统稳定性的治疗应用。
另一类重要的镜像药物是D-肽。完全由D-氨基酸组成的肽对蛋白酶具有高度抵抗力，并且通常表现出延长的生物活性。值得注意的例子包括针对gp41融合机制的HIV-1进入抑制剂D-肽，这些抑制剂具有高效力和改善的药代动力学[30][44]。最近，借助机器学习辅助发现镜像肽的方法使得识别用于癌症免疫治疗的生物活性D-肽成为可能，从而扩展了D-肽的治疗潜力，超出了抗病毒应用的范围[45]。在神经退行性疾病研究中，D-对映体肽（如D3及其衍生物）可以破坏淀粉样β聚集，减少斑块负担，并在动物模型中改善认知表现，其中一些候选物已进展到临床开发阶段[46, 47]。临床批准的肽类药物进一步强调了D-氨基酸的实用性；例如，主要由D-氨基酸组成的etelcalcetide通过静脉注射作为钙调激素治疗需要血液透析的慢性肾病患者中的继发性甲状旁腺功能亢进症，其增强的稳定性和抗蛋白水解性是关键优势[48, 49, 50, 51]。镜像抗菌肽也因其增强的稳定性和对细菌蛋白酶的降低敏感性而在对抗耐药性病原体方面显示出前景。
除了治疗应用外，镜像技术还越来越多地应用于诊断和分子检测平台。L-核酸适配体和D-肽探针在复杂的生物样本中表现出高稳定性，允许在无降解的情况下可靠地检测目标。这些分子的生物正交性最小化了非特异性相互作用，提高了生物传感器和基于亲和力的检测中的信噪比。Spiegelmers和D-肽配体已被研究用于检测细胞因子、趋化因子、错误折叠的蛋白质和微生物生物标志物，特别是在需要长保质期和耐受恶劣条件的情况下[52, 53, 54, 55]。例如，Hayashi实验室使用TRAP显示（转录-翻译与嘌呤霉素连接器耦合）鉴定了对D型MCP-1具有高亲和力的L-单体结合物，并随后合成了一个有效的D-氨基酸镜像单体抑制剂，该抑制剂能够抑制MCP-1诱导的细胞迁移[56]，表现出强蛋白酶抗性和降低的免疫原性[16][57]。与传统L-肽治疗剂相比，D-肽对蛋白水解的敏感性要低得多，这显著提高了它们的药代动力学稳定性和治疗持久性。这些结果强调了镜像蛋白结合体作为新型治疗模式的潜力，并提示其在糖尿病、癌症和炎症性疾病等领域的广泛应用[37][58, 59, 60, 61, 62]。
3.2 生物工程
镜像生物分子也非常适合需要长期稳定性、生物相容性和持续功能完整性的组织工程应用[63, 64]。D-氨基酸自组装肽水凝胶具有出色的生物相容性，由于其镜像手性，可以逃避免疫检测和宿主蛋白酶的降解[65]。这些免疫不可见的支架为细胞生长提供了稳定的长期微环境，并减少了炎症反应[66]。在神经修复和软骨再生等应用中，D-肽水凝胶比传统材料具有明显优势[67]。重要的是，通过引入特定的酶响应基序，这些支架可以在组织修复完成后被外源提供的镜像酶选择性地降解，从而对治疗干预的持续时间进行精确的时间控制[68]。传统的药物输送纳米载体通常存在靶向效率低和与载体本身相关的毒性问题[69]。基于镜像生物分子的输送系统提供了一个有吸引力的替代方案。L-DNA纳米结构可以设计为仅在遇到特定目标microRNA时发生构象变化，从而释放其治疗载荷[20]。因为L-DNA对内源性核酸酶具有抵抗力，这些系统在系统循环过程中保持完整，并且仅在目标部位被激活，从而显著提高了治疗效果，同时最小化了脱靶毒性[8]。
最近的研究报道了首个由D-氨基酸构建的功能性镜像纳米孔（DpPorA）[70]。与广泛用于测序应用的天然蛋白纳米孔相比，DpPORA对蛋白水解具有完全的抵抗力，并在复杂的生物环境中保持高稳定性[22]。通过对其内表面的电荷工程，这种纳米孔能够实现高灵敏度、高通量的单分子检测，范围从短肽到内在无序的蛋白质[71]。值得注意的是，带正电的镜像纳米孔可以通过静电相互作用选择性地插入带负电的癌细胞膜中，破坏膜同时不损害正常细胞，这提示了一种基于物理膜破坏的潜在抗癌策略[72, 73]。与此同时，上海交通大学研究团队开发的原子级精确的纳米机器构建策略为结构精确的镜像蛋白设备的合理设计和制造提供了重要指导[74]。
镜像生物工程旨在创建完全正交的生物制造系统，这些系统可以在与自然生物系统并行运行的同时保持分子隔离。这些系统仅共享基本的能量来源和简单的前体，在大分子合成和信息流方面独立运作；这种独立性使得可以在没有交叉干扰的情况下进行并行生产，通过遗传隔离实现固有的生物安全性，并能够编程制造出传统生物学无法到达的高价值非天然手性分子[25]。
3.3 环境保护
环境污染——特别是持久性有机污染物和微塑料——构成了一个紧迫的全球性挑战[75]。使用微生物或酶的生物修复策略被视为环保和可持续的解决方案，但它们的实际性能往往有限[76]。天然酶在开放环境中不稳定，容易因温度和pH值波动或蛋白水解而迅速失去活性[77]。工程菌株在复杂生态系统中的存活率和竞争力通常较差，许多污染物（如高结晶塑料）对天然酶的生物利用度低[78]。镜像生物学为环境修复提供了新的机会。由于其相反的手性，镜像酶不会被天然存在的蛋白酶识别，这种抗性显著增强了镜像酶的稳定性，延长了它们在复杂环境（如土壤和水生系统）中的功能寿命[7]。重要的是，尽管抵抗生物降解，镜像酶仍能保持对非手性底物（如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的催化活性，其活性水平可与天然酶相当[79]。值得注意的是，化学合成的镜像酶D-Fast-PETase在37°C下的PET降解活性明显高于其天然对应物[80, 81]。这些发现表明，镜像PET酶是解决全球塑料污染和微塑料带来的健康风险的有希望的候选者。
3.4 信息技术
全球数据的快速增长加剧了对更高密度和耐用性存储介质的寻找。随着基于硅的技术接近物理极限，DNA数据存储由于其卓越的理论密度和长期稳定性而成为一种有前景的替代方案[82, 83]。然而，天然DNA容易被环境核酸酶降解，限制了其在严格控制条件下的使用[84]。相比之下，镜像DNA和镜像蛋白质表现出显著的化学稳定性和抗生物降解性，使其成为长期分子信息存储的理想平台。Zhu及其同事在这一领域取得了重要进展[6][10][26][85]。他们成功地将选定的文本编码到镜像DNA中，并在标准实验室条件下展示了长期稳定性和准确的检索能力。值得注意的是，当这种镜像DNA放置在天然池塘水样中时，信息在一年后仍可完全恢复，而天然DNA对照组在一个天内就降解失效[26]。这些结果确立了镜像DNA作为一种适用于开放和复杂环境的稳健存储介质。此外，该团队还化学合成了迄今为止最大的功能性镜像蛋白质——一种能够组装千碱基长度镜像DNA链的镜像Pfu DNA聚合酶。结合兼容的测序技术，这为高保真度的分子信息书写和读取提供了完整的工具包[85]。
虽然DNA和其他生物分子提供了显著的存储密度和稳定性，但在数据容量和读出效率方面仍存在局限性。为了克服这些挑战，镜像蛋白质作为一种有前景的替代存储介质应运而生。在这种方法中，信息直接编码到设计的镜像蛋白质序列中。镜像蛋白质具有高存储密度和优异的稳定性，其可逆性便于高效地写入和检索信息[86]。未来，基于镜像蛋白质的系统可能会克服现有技术的限制，在分子数据存储方面实现进一步的突破（图2）。
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图2. 镜像生物学的主要应用及其比较优势。镜像生物分子对自然酶降解具有抵抗力，从而在多个领域提高了稳定性和耐用性。(a) 生物医学：稳定性提高和半衰期延长。(b) 生物工程：材料耐用性和抗生物降解性增强。(c) 环境应用：在恶劣或开放环境条件下保持催化活性。(d) 信息存储：抗降解性和超长期保存。
4. 风险评估
尽管镜像生物学在药物开发、材料科学、环境修复和信息技术领域具有巨大潜力，但其定义特性（手性正交性、不可识别性和抗降解性）也引入了新的生物安全问题。镜像系统与天然酶、免疫防御和生态调节机制之间的内在不兼容性意味着这些系统可能在现有生物安全框架之外运作[87]。因此，系统地评估潜在风险对于确保这一新兴领域的负责任和可持续发展至关重要[11]（表3）。
表3. 基于风险评估的镜像生物学分级治理框架
风险等级 关键监管措施
治理级别
低风险 机构审查；严格禁止环境释放；专门的废物管理[96]
中等风险 政府许可和实验的强制报告[96]
高风险 在没有可靠物理和生物控制证据的情况下禁止使用[94, 96, 97]
国际协调
4.1 分子层面的风险
镜像生物分子（如L-核酸和D-肽/D-蛋白质）在医疗、诊断、环境应用和分子信息存储方面提供了显著的优势。然而，赋予它们增强稳定性和生物正交性的特性也引入了必须仔细评估的独特分子层面的风险[81][88, 89]。
主要担忧之一是对自然降解的抵抗力。镜像分子本质上不受内源性酶（包括蛋白酶和核酸酶）的识别，使它们比传统生物分子持续存在的时间长得多[10][88]。虽然这一特性对于稳定的治疗或耐用的分子设备是有利的，但它也可能导致在组织或环境基质中的生物积累，从而可能导致与宿主细胞或其他生物分子的意外相互作用[90, 91]。
另一个潜在的关键风险是免疫逃避。免疫系统主要通过手性依赖性相互作用来识别外来分子。[37] 镜像生物分子可能逃脱先天性和适应性免疫系统的检测；虽然这在治疗环境中降低了免疫原性，但也带来了关于它们在复杂生物系统中的行为的不确定性，因为未被检测到的持续存在可能会导致意外的细胞或生化效应。[92, 93] 镜像分子还有可能破坏自然的分子识别网络。正交相互作用可能会干扰细胞途径、蛋白质-蛋白质相互作用或酶调节。[33][94, 95] 尽管当前的研究主要集中在分子或小规模应用上，但引入更大或更复杂的镜像系统可能会放大脱靶效应，特别是如果这些系统被释放到环境中。
4.2. 系统级风险
随着鏡像DNA复制和鏡像RNA转录等核心过程的逐步实现，鏡像系统正在从单纯的化学工具箱发展成类似生命的实体，增加了新的复杂性和潜在风险。[96] 一旦部分自我维持的信息流（例如L-DNA → L-RNA）建立起来，这些系统可能变得不受自然微生物生态压力的影响，包括噬菌体捕食、营养竞争和抗生素抑制。[11][93] 镜像实体将对噬菌体感染具有抵抗力，不受天然抗菌机制的影响，并且与自然微生物群落的进化动态脱节，实际上构成了生态上正交的类似生命的系统。此外，传统的生物安全策略，如营养缺陷限制、基因杀伤开关和生物封闭系统，都是基于天然的手性酶途径。[94, 95] 在镜像系统中，这些策略可能完全失效。因此，镜像生物学可能会产生一个超出现有监管和封闭范式范围的生物领域，从而在治理上留下重大空白。
4.3. 生态风险
镜像生物分子的环境稳定性远超过天然核酸和蛋白质，引发了潜在的生态担忧。在自然生态系统中，不存在镜像核酸酶或蛋白酶，这意味着镜像生物分子可以在土壤、水生系统甚至活体内持续存在，实际上像“生物微塑料”一样。[80] 相关的生态风险可以总结为三个方面：(i) 难以预测的长期累积效应，可能导致生态系统层面上的持续环境残留；(ii) 营养循环的破坏，因为镜像材料不能被微生物群落代谢或吸收；(iii) 在假设镜像实体获得自我复制能力的情况下，可能不受自然生态网络控制的扩散，导致在自然生态系统中的长期积累。虽然这些风险目前主要是理论上的，但随着镜像系统变得更加复杂和自主，其相关性将增加。
4.4. 滥用和恶意利用的风险
与上述生物和生态风险相比，由于镜像系统的潜在滥用而产生的生物安全风险引起了国际上的广泛关注。大多数当前的核酸检测技术，包括PCR、LAMP和下一代测序，都依赖于能特异性识别D-DNA的天然聚合酶。因此，镜像核酸在很大程度上可以逃避现有分子监测技术的检测。[80][87, 92] 同样，基于抗体的检测平台无法识别D-蛋白质，从而为镜像生物分子创造了基本的检测缺口。这些限制代表了镜像生物学治理的重大挑战。解决这一挑战可能需要开发专门针对镜像生物分子的检测技术。几种方法可能是可行的，包括手性敏感的生物传感器、对映体特异性结合试剂以及不依赖生物识别方法的物理化学检测方法，如质谱或光谱学。[22, 92] 环境监测策略也可能需要开发能够选择性检测镜像核酸的镜像聚合酶系统或正交扩增平台。[6, 93] 如果未来的技术能够构建出类似病毒的镜像颗粒或镜像细胞，这些实体可能同时表现出免疫逃逸和对抗生素及噬菌体的抵抗力，从而构成一个完全新的生物威胁类别，超出当前生物安全框架的覆盖范围。认识到这一潜在风险，2024年的《科学》公开信强调，必须在这些技术成熟之前主动解决与镜像生命相关的滥用风险。
5. 治理框架和监管建议
镜像生物学是合成生物学中的一个新兴前沿，从分子层面的手性合成发展到具有系统级功能的正交生物系统。其定义特征——与自然生命的完全立体化学对立——引入了足够新颖的风险，使得现有生物安全和生物安全框架的假设显得不充分。最近的科学评估和国际讨论[40] 都指出，镜像生物系统可能逃避自然酶、免疫反应和生态控制，从而具有不可检测性、失去控制以及不可逆转的传播潜力（表3）。因此，镜像生物学的治理不能依赖于对现有监管框架的逐步扩展，这些框架是基于天然分子手性的。相反，需要一个专门针对手性正交性风险的、具有前瞻性的治理框架。这样的框架应该是分层的，监管严格程度应与所开发系统的复杂性及其自主复制能力成比例。[96] 在最低风险层次，涵盖分子化学合成（例如镜像寡核苷酸）时，监管应侧重于机构审查、严格禁止环境释放和专门的废物管理。涉及镜像酶和生物合成系统的中等风险研究，这代表了向自我复制的关键过渡，应限制在经过认证的设施中进行，并需经过政府许可和强制报告。在没有令人信服的安全证据的情况下，应禁止构建完整的镜像细胞或生物体的高风险研究。[94][96, 97] 有效的治理必须在机构、国家和国际层面运作。机构应建立专门的风险评估机构、材料分类方案和可追溯系统。国家当局应将核心镜像技术置于监管控制之下，对高风险工作实施许可，并在必要时保留暂停的能力。在国际上，协调治理需要共享登记册、跨境生态风险评估和能够定义共同安全阈值和伦理底线的常设咨询机构。[98] 总之，镜像生物学提出了一个独特的全球治理挑战。应对这一挑战需要早期、协调的行动，建立一个明确考虑手性正交性风险的分层监管架构，确保科学进步以透明、可控和共同负责的方式进行。
除了生物安全和治理考虑之外，镜像生物学还引发了更广泛的伦理和社会问题。作为一种新兴技术，公众的看法和社会信任在决定这些技术如何开发和应用方面起着重要作用。围绕转基因生物的先前辩论表明，公众参与和沟通不足可能会导致广泛的公众抵制，从而限制了本应有益技术的实施。[99, 100] 此外，镜像生物学还引发了关于从事该领域科学家的社会责任的基本伦理问题。随着该领域的发展，透明度和积极公众参与的需求将变得越来越重要。尽管这些问题超出了生物安全和生物安全的主要关注范围，但实质性地应对这些问题对于促进负责任的创新和维持公众对新兴生物技术的信任至关重要。
6. 结论
本综述总结了镜像生物学的最新进展、应用和新兴风险，强调了其在生物医学、生物工程、环境修复和分子信息存储方面的潜在变革性。然而，使这些应用成为可能的相同特性——特别是镜像系统与天然免疫和酶系统的生物正交性——也引入了新的生物安全挑战，包括在环境中的长期存在、逃避自然生物控制机制以及可能逃避生态限制。由于镜像系统可能超出为天然手性生命设计的生物安全框架的范围，建立一个分层次且国际协调的治理框架对于确保该领域的负责任发展至关重要。
**作者贡献声明**
Yahan Chen：撰写——原始草稿、方法学、调查、形式分析、数据管理。
Yangyang Han：撰写——原始草稿、方法学、调查、形式分析、数据管理。
Zhixia Mu：调查、形式分析。
Siwen Dong：方法学、数据管理。
Hin Chu：形式分析。
Jian Lu：形式分析。
Zhaohui Qian：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、形式分析、概念化。
**资助**
本项目得到了中国国家重点研发计划（2023YFC2307800）、国家自然科学基金（32470140、32270174和32370181）、北京自然科学基金（L222009）、中国科学院医学科学创新基金（2023-I2M-2-001）、中国科学院非营利性中央研究院基金（2023-PT310-04）和中央高校基本科研业务费（3332024176）的支持。
