在繁殖季節惹惱一隻雄性鴨嘴獸，你可能會最終被它粗短的後腿困住，並受到一組鋒利毒刺的威脅，這些毒刺充滿了毒液。這種痛苦的毒液會使雄性競爭對手跛行，並且是防禦討厭的人類和狗的便利武器。它也是一種有點奇怪的混合物，正如人們可能從這種以產卵、鴨嘴怪異而聞名的哺乳動物身上預期的那樣。鴨嘴獸毒液包含一類分子，生物學家曾經認為這類分子不會自然存在於細菌的微觀世界之外。
這些分子是氨基酸的映象，細胞通常將氨基酸串聯起來以製造所有生命蛋白質，這些蛋白質對正常功能至關重要。映象由構成生物學工具包中大約 20 種標準氨基酸的相同原子組成，並且原子以相同的順序相互連線。然而，連線的方向略有不同，導致結構與經典氨基酸略有不同，就像右手與左手不同一樣。然而，這兩種形式在生物反應中是不可互換的。事實上，經典氨基酸現在被稱為左手性，而它們的映象被稱為右手性。
右手性氨基酸曾經被認為在高等生物中作用甚微，因為它們與大多數植物和動物的分子機制不匹配，因此無法在其中工作。然而，近年來，具有生物活性的右手性氨基酸開始出現在各種意想不到的地方——從龍蝦產生以啟動性行為的物質，到秘魯土著獵人使用的致幻藥物。最有趣的是，右手性氨基酸已被發現可以在人類生理學中發揮重要作用，並且它們為開發包括囊性纖維化、精神分裂症和黃斑變性在內的新療法提供了令人興奮的潛力。
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約翰·霍普金斯大學的神經科學家所羅門·斯奈德 (Solomon Snyder) 在右手性氨基酸在大腦中的功能方面做了許多早期研究，他說當他試圖發表關於該主題的第一批論文時，遇到了相當大的阻力。然而，對他來說，這些化學物質之所以引人入勝，恰恰是因為它們似乎“打破了哺乳動物生物學的第一條規則”，正如他所說的那樣。 “像大多數科學一樣，每當出現真正新的或不同的東西時，有些人會說，‘那太荒謬了。’”
碰巧的是，從生物化學的角度來看，將左手性氨基酸翻轉成其映象通常只需要幾個簡單的步驟。因此，進化可能不可避免地會嘗試製造右手性氨基酸。哈佛醫學院的細胞生物學家理查德·洛西克 (Richard Losick) 說：“大自然非常聰明，多年來一直在使用它們。“我們只是反應遲鈍才意識到這一點。”
有用的意外
為什麼左手性氨基酸會比它們的右手性同胞佔據優勢——以至於儘管右手性氨基酸分子在 19 世紀後期就被表徵出來，但其多樣化的生物學功能長期以來一直沒有受到重視？一些科學家認為，左手性氨基酸的優勢源於宇宙學中相當於擲硬幣的結果。能夠成功複製自身的第一批化學實體恰好使用了左手性氨基酸，這種偏見被“祖父化”了，喬治梅森大學的地球物理學家和生命起源研究員羅伯特·黑曾 (Robert Hazen) 認為。另一種流行的理論認為，來自我們原始星系中快速旋轉的恆星的偏振光以某種方式選擇性地破壞了右手性氨基酸，從而提高了左手性氨基酸作為生命基石出現的機率。這兩種形式也分別被稱為 l-氨基酸和 d-氨基酸，分別以拉丁語中表示左 (laevus) 和右 (dexter) 的詞命名。
斯克裡普斯研究所位於加利福尼亞州拉霍亞的生命起源研究專家傑拉爾德·喬伊斯 (Gerald Joyce) 解釋說，一旦這種選擇確立，進化就有明確的動機來延續顯性氨基酸。 “打個比方，西方國家的慣例是透過握右手來問候人們。 如果我們都同意握左手，效果也會一樣好，但是如果沒有慣例，就會有很多尷尬的相遇。” 因此，大多數活細胞機制，從產生氨基酸的酶到將氨基酸串聯成蛋白質的複雜結構核糖體，都只與 l-氨基酸相容，而不與其 D 對映體相容。
事實上，生命早期決定偏愛左手性氨基酸可能影響了另一類有機化合物——碳水化合物的“手性”。過去十年中的許多研究小組已經證明，在模擬四十億年前可能存在於地球上的原始湯的實驗溶液中，某些簡單的左手性氨基酸的優勢傾向於因複雜的化學原因而有利於右手性碳水化合物的形成，而這實際上是整個生物領域中觀察到的方向。
在 20 世紀 90 年代，斯奈德表明某些右手性化合物充當人腦中的神經遞質後，天然氨基酸的左手性規則的例外情況受到了更廣泛的關注。 2002 年，悉尼大學的化學家菲利普·庫切爾 (Philip Kuchel) 確定鴨嘴獸毒液含有 d-氨基酸。 2009 年，哈佛大學和霍華德·休斯醫學研究所的研究人員報告稱，幾種 d-氨基酸在細菌細胞壁中發揮了新的和意想不到的功能。 到 2010 年，研究人員發現，在從溫泉到醫療裝置等各種表面以薄膜形式擴散的複雜細菌群似乎正在使用 d-氨基酸作為生物膜何時應該分散的線索。
在人類中，d-天冬氨酸已被證明是一種神經遞質，參與正常的大腦發育。 同時，d-絲氨酸與 l-氨基酸穀氨酸結合，共同啟用對神經科學家所說的突觸可塑性至關重要的神經元分子——這種特性反過來又是學習和形成記憶的關鍵。 d-絲氨酸似乎也是多方面疾病精神分裂症的重要因素。 患有這種疾病的人大腦中 d-絲氨酸的含量較低，這一發現促使製藥公司尋找提高 d-絲氨酸水平的方法，以作為一種可能的治療方法。 然而，在其他情況下，過多的 d-絲氨酸可能會導致問題。 對於中風患者來說，過量會導致腦損傷加重。 因此，研究人員也在嘗試開發降低 d-絲氨酸水平的藥物，以減輕中風的有害後果。
我們的細胞工廠只生產 l-氨基酸，那麼，研究人員想知道，我們最終是如何也擁有 d-氨基酸的呢？ 斯奈德發現腦細胞不是從頭開始構建 d-絲氨酸。 相反，它們製造一種酶，將氨基酸絲氨酸的手性從其 L 形翻轉為 D 形。 這是一種巧妙的方式，可以利用細胞中已經存在的豐富水平的 l-氨基酸。
當 d-氨基酸是肽（一種小鏈氨基酸）的一部分時，例如在鴨嘴獸毒液中，生命採用相同的策略。 在這些情況下，可靠的核糖體從常規 l-氨基酸構建肽。 然後，一種酶調整鏈中的單個氨基酸，將 L 形翻轉為其 D 替代形式。 奧地利科學院位於維也納的化學家岡瑟·克雷爾 (Günther Kreil) 解釋說，透過利用製造或連線 l-氨基酸的機制，大自然不需要進化整個右手性生物合成酶團隊，而這些酶通常是構建右手性分子所必需的。克雷爾在 2005 年發現了一種酶，有毒的南美洲樹蛙使用這種酶來製造在其毒液中發現的 d-氨基酸。
克雷爾第一次聽說秘魯的一個土著民族馬茨 (Matsés) 利用在一種名為 Phyllomedusa bicolor 的樹蛙皮膚上發現的含有 d-氨基酸的肽作為其狩獵儀式中的強效致幻劑時，他對樹蛙毒液產生了興趣。 馬茨人首先燒傷胸部，然後將蛙皮提取物塗抹在他們燒焦的傷口上，這會立即引起他們的腹瀉和心悸，然後短暫地擊暈他們。 當他們醒來時，他們的感官增強，並感到擁有超人的力量。 克雷爾說，蛙肽幾乎完全由 l-氨基酸組成，但如果沒有肽中的單個 d-氨基酸，這種藥物就沒有致幻效果。
影子世界
儘管 d-氨基酸出現在各種生物的毒液中，但在其他生物中，這些分子具有更和平的用途。 例如，龍蝦使用 d-氨基酸來催化浪漫並保持其鹽分水平有序。
然而，d-氨基酸的最大使用者仍然是微生物——儘管即使在這裡，研究人員也在發現右手性分子的新功能。 大多數細菌用一種稱為肽聚糖的粘性糖蛋白基質構建細胞壁，該基質用 d-丙氨酸和其他 d-氨基酸進行修飾。 2009 年，哈佛大學和霍華德·休斯的馬修·沃爾德 (Matthew Waldor) 發現，細菌還用包括 d-蛋氨酸和 d-亮氨酸在內的砂漿來加固肽聚糖。 這些 d-氨基酸還可以重塑細菌鄰居（甚至跨物種）的肽聚糖——沃爾德說，這一發現表明，微生物可能使用這些分子來協調活動，例如開啟熒光或構建生物膜。 對於那些希望開發破壞牙齒、囊性纖維化患者的肺部、燃料管道和導管等醫療裝置上的生物膜的藥物或產品的人來說，瞭解這些細菌如何利用 d-氨基酸進行交流具有誘人的意義。
細菌和有毒生物使用 d-氨基酸的原因之一是，當它們存在於肽或更大的蛋白質中時，它們不易被宿主或敵人的酶分解。 所有生物都有蛋白酶，其工作是快速降解和回收 l-氨基酸蛋白質，但不降解 d-氨基酸蛋白質。 事實上，藥物開發人員已嘗試在治療性肽和蛋白質中新增 d-氨基酸，以避開這些清潔蛋白酶，從而使藥物在體內持續更長時間。
現在，研究人員正在積極探索這個奇怪的右手性氨基酸新世界，他們正在探索 d-氨基酸可能發揮的其他作用。 例如，洛西克和其他人推測，我們皮膚、消化道和身體其他部位居住的數萬億細菌細胞產生的至少一些 d-氨基酸可能對人類的福祉、健康甚至行為很重要。
現在 d-氨基酸研究中的一個大問題是，除了大腦之外，人體其他任何部位是否會主動製造 d-氨基酸。 初步證據具有啟發性。 東京日本大學的永田洋子 (Yoko Nagata) 小組報告稱在人類唾液中發現了 d-氨基酸，而由日本九州大學的濱瀨健二 (Kenji Hamase) 領導的研究人員觀察到在大鼠胰腺分泌胰島素的 β 細胞中富含高濃度的 d-丙氨酸。 此外，在澳大利亞庫切爾的實驗室最近進行的初步實驗中，他發現在小鼠和人類心臟中存在酶，可以將 l-氨基酸轉化為類似於鴨嘴獸毒液中的 d-氨基酸。
庫切爾說，這些酶可能在人類生理學中發揮什麼確切作用，但仍然“完全是個謎”。 至少它們可能具有重要功能的想法不再顯得荒謬。