在繁殖季节惹恼一只雄性鸭嘴兽，你可能会最终被它粗短的后腿困住，并受到一组锋利毒刺的威胁，这些毒刺充满了毒液。这种痛苦的毒液会使雄性竞争对手跛行，并且是防御讨厌的人类和狗的便利武器。它也是一种有点奇怪的混合物，正如人们可能从这种以产卵、鸭嘴怪异而闻名的哺乳动物身上预期的那样。鸭嘴兽毒液包含一类分子，生物学家曾经认为这类分子不会自然存在于细菌的微观世界之外。
这些分子是氨基酸的镜像，细胞通常将氨基酸串联起来以制造所有生命蛋白质，这些蛋白质对正常功能至关重要。镜像由构成生物学工具包中大约 20 种标准氨基酸的相同原子组成，并且原子以相同的顺序相互连接。然而，连接的方向略有不同，导致结构与经典氨基酸略有不同，就像右手与左手不同一样。然而，这两种形式在生物反应中是不可互换的。事实上，经典氨基酸现在被称为左手性，而它们的镜像被称为右手性。
右手性氨基酸曾经被认为在高等生物中作用甚微，因为它们与大多数植物和动物的分子机制不匹配，因此无法在其中工作。然而，近年来，具有生物活性的右手性氨基酸开始出现在各种意想不到的地方——从龙虾产生以启动性行为的物质，到秘鲁土著猎人使用的致幻药物。最有趣的是，右手性氨基酸已被发现可以在人类生理学中发挥重要作用，并且它们为开发包括囊性纤维化、精神分裂症和黄斑变性在内的新疗法提供了令人兴奋的潜力。
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约翰·霍普金斯大学的神经科学家所罗门·斯奈德 (Solomon Snyder) 在右手性氨基酸在大脑中的功能方面做了许多早期研究，他说当他试图发表关于该主题的第一批论文时，遇到了相当大的阻力。然而，对他来说，这些化学物质之所以引人入胜，恰恰是因为它们似乎“打破了哺乳动物生物学的第一条规则”，正如他所说的那样。 “像大多数科学一样，每当出现真正新的或不同的东西时，有些人会说，‘那太荒谬了。’”
碰巧的是，从生物化学的角度来看，将左手性氨基酸翻转成其镜像通常只需要几个简单的步骤。因此，进化可能不可避免地会尝试制造右手性氨基酸。哈佛医学院的细胞生物学家理查德·洛西克 (Richard Losick) 说：“大自然非常聪明，多年来一直在使用它们。“我们只是反应迟钝才意识到这一点。”
有用的意外
为什么左手性氨基酸会比它们的右手性同胞占据优势——以至于尽管右手性氨基酸分子在 19 世纪后期就被表征出来，但其多样化的生物学功能长期以来一直没有受到重视？一些科学家认为，左手性氨基酸的优势源于宇宙学中相当于掷硬币的结果。能够成功复制自身的第一批化学实体恰好使用了左手性氨基酸，这种偏见被“祖父化”了，乔治梅森大学的地球物理学家和生命起源研究员罗伯特·黑曾 (Robert Hazen) 认为。另一种流行的理论认为，来自我们原始星系中快速旋转的恒星的偏振光以某种方式选择性地破坏了右手性氨基酸，从而提高了左手性氨基酸作为生命基石出现的几率。这两种形式也分别被称为 l-氨基酸和 d-氨基酸，分别以拉丁语中表示左 (laevus) 和右 (dexter) 的词命名。
斯克里普斯研究所位于加利福尼亚州拉霍亚的生命起源研究专家杰拉尔德·乔伊斯 (Gerald Joyce) 解释说，一旦这种选择确立，进化就有明确的动机来延续显性氨基酸。 “打个比方，西方国家的惯例是通过握右手来问候人们。 如果我们都同意握左手，效果也会一样好，但是如果没有惯例，就会有很多尴尬的相遇。” 因此，大多数活细胞机制，从产生氨基酸的酶到将氨基酸串联成蛋白质的复杂结构核糖体，都只与 l-氨基酸兼容，而不与其 D 对映体兼容。
事实上，生命早期决定偏爱左手性氨基酸可能影响了另一类有机化合物——碳水化合物的“手性”。过去十年中的许多研究小组已经证明，在模拟四十亿年前可能存在于地球上的原始汤的实验溶液中，某些简单的左手性氨基酸的优势倾向于因复杂的化学原因而有利于右手性碳水化合物的形成，而这实际上是整个生物领域中观察到的方向。
在 20 世纪 90 年代，斯奈德表明某些右手性化合物充当人脑中的神经递质后，天然氨基酸的左手性规则的例外情况受到了更广泛的关注。 2002 年，悉尼大学的化学家菲利普·库切尔 (Philip Kuchel) 确定鸭嘴兽毒液含有 d-氨基酸。 2009 年，哈佛大学和霍华德·休斯医学研究所的研究人员报告称，几种 d-氨基酸在细菌细胞壁中发挥了新的和意想不到的功能。 到 2010 年，研究人员发现，在从温泉到医疗设备等各种表面以薄膜形式扩散的复杂细菌群似乎正在使用 d-氨基酸作为生物膜何时应该分散的线索。
在人类中，d-天冬氨酸已被证明是一种神经递质，参与正常的大脑发育。 同时，d-丝氨酸与 l-氨基酸谷氨酸结合，共同激活对神经科学家所说的突触可塑性至关重要的神经元分子——这种特性反过来又是学习和形成记忆的关键。 d-丝氨酸似乎也是多方面疾病精神分裂症的重要因素。 患有这种疾病的人大脑中 d-丝氨酸的含量较低，这一发现促使制药公司寻找提高 d-丝氨酸水平的方法，以作为一种可能的治疗方法。 然而，在其他情况下，过多的 d-丝氨酸可能会导致问题。 对于中风患者来说，过量会导致脑损伤加重。 因此，研究人员也在尝试开发降低 d-丝氨酸水平的药物，以减轻中风的有害后果。
我们的细胞工厂只生产 l-氨基酸，那么，研究人员想知道，我们最终是如何也拥有 d-氨基酸的呢？ 斯奈德发现脑细胞不是从头开始构建 d-丝氨酸。 相反，它们制造一种酶，将氨基酸丝氨酸的手性从其 L 形翻转为 D 形。 这是一种巧妙的方式，可以利用细胞中已经存在的丰富水平的 l-氨基酸。
当 d-氨基酸是肽（一种小链氨基酸）的一部分时，例如在鸭嘴兽毒液中，生命采用相同的策略。 在这些情况下，可靠的核糖体从常规 l-氨基酸构建肽。 然后，一种酶调整链中的单个氨基酸，将 L 形翻转为其 D 替代形式。 奥地利科学院位于维也纳的化学家冈瑟·克雷尔 (Günther Kreil) 解释说，通过利用制造或连接 l-氨基酸的机制，大自然不需要进化整个右手性生物合成酶团队，而这些酶通常是构建右手性分子所必需的。克雷尔在 2005 年发现了一种酶，有毒的南美洲树蛙使用这种酶来制造在其毒液中发现的 d-氨基酸。
克雷尔第一次听说秘鲁的一个土著民族马茨 (Matsés) 利用在一种名为 Phyllomedusa bicolor 的树蛙皮肤上发现的含有 d-氨基酸的肽作为其狩猎仪式中的强效致幻剂时，他对树蛙毒液产生了兴趣。 马茨人首先烧伤胸部，然后将蛙皮提取物涂抹在他们烧焦的伤口上，这会立即引起他们的腹泻和心悸，然后短暂地击晕他们。 当他们醒来时，他们的感官增强，并感到拥有超人的力量。 克雷尔说，蛙肽几乎完全由 l-氨基酸组成，但如果没有肽中的单个 d-氨基酸，这种药物就没有致幻效果。
影子世界
尽管 d-氨基酸出现在各种生物的毒液中，但在其他生物中，这些分子具有更和平的用途。 例如，龙虾使用 d-氨基酸来催化浪漫并保持其盐分水平有序。
然而，d-氨基酸的最大用户仍然是微生物——尽管即使在这里，研究人员也在发现右手性分子的新功能。 大多数细菌用一种称为肽聚糖的粘性糖蛋白基质构建细胞壁，该基质用 d-丙氨酸和其他 d-氨基酸进行修饰。 2009 年，哈佛大学和霍华德·休斯的马修·沃尔德 (Matthew Waldor) 发现，细菌还用包括 d-蛋氨酸和 d-亮氨酸在内的砂浆来加固肽聚糖。 这些 d-氨基酸还可以重塑细菌邻居（甚至跨物种）的肽聚糖——沃尔德说，这一发现表明，微生物可能使用这些分子来协调活动，例如开启荧光或构建生物膜。 对于那些希望开发破坏牙齿、囊性纤维化患者的肺部、燃料管道和导管等医疗设备上的生物膜的药物或产品的人来说，了解这些细菌如何利用 d-氨基酸进行交流具有诱人的意义。
细菌和有毒生物使用 d-氨基酸的原因之一是，当它们存在于肽或更大的蛋白质中时，它们不易被宿主或敌人的酶分解。 所有生物都有蛋白酶，其工作是快速降解和回收 l-氨基酸蛋白质，但不降解 d-氨基酸蛋白质。 事实上，药物开发人员已尝试在治疗性肽和蛋白质中添加 d-氨基酸，以避开这些清洁蛋白酶，从而使药物在体内持续更长时间。
现在，研究人员正在积极探索这个奇怪的右手性氨基酸新世界，他们正在探索 d-氨基酸可能发挥的其他作用。 例如，洛西克和其他人推测，我们皮肤、消化道和身体其他部位居住的数万亿细菌细胞产生的至少一些 d-氨基酸可能对人类的福祉、健康甚至行为很重要。
现在 d-氨基酸研究中的一个大问题是，除了大脑之外，人体其他任何部位是否会主动制造 d-氨基酸。 初步证据具有启发性。 东京日本大学的永田洋子 (Yoko Nagata) 小组报告称在人类唾液中发现了 d-氨基酸，而由日本九州大学的滨濑健二 (Kenji Hamase) 领导的研究人员观察到在大鼠胰腺分泌胰岛素的 β 细胞中富含高浓度的 d-丙氨酸。 此外，在澳大利亚库切尔的实验室最近进行的初步实验中，他发现在小鼠和人类心脏中存在酶，可以将 l-氨基酸转化为类似于鸭嘴兽毒液中的 d-氨基酸。
库切尔说，这些酶可能在人类生理学中发挥什么确切作用，但仍然“完全是个谜”。 至少它们可能具有重要功能的想法不再显得荒谬。