新研究填补了生命起源理论的重要空白

同手性难题

生物分子通常具有一种被称为手性的不对称性，这意味着它们都能以镜像的形式存在，就像人类的左手和右手一样。尽管在生命起源之前，地球上应该拥有同样丰富的左旋分子和右旋分子，但在生物学中，大多数基本的生物分子都只以左旋手性的形式出现。

生物分子的这种“同手性”是生命的标志。虽然“生命起源”一直是个活跃的研究领域，科学家也已经发现了许多可能在“前生命地球”上，产生了第一批维持生命的DNA、RNA、糖、氨基酸等分子的关键反应，但是鲜少有研究探讨生物分子的同手性的出现。

现在，来自斯克利普斯研究所的一组化学家在《美国国家科学院院刊》和《自然》杂志上发表了两篇论文，为这个谜团提供了极具说服力的可行解释。

反演转氨基作用

通常情况下，涉及到手性分子的普通化学反应倾向于产生左旋和右旋手性相等的外消旋混合物。这种混合物通常在生物学之外无关紧要，因为无论是左旋还是右旋，它们都具有相似或相同的特性。

但是在生物学中，分子的手性就至关重要了：手性分子通常只在某种手性下（要么左、要么右）才具有功能性；在另一种手性形式下可能是惰性的，甚至是有毒的。因此，细胞经常要使用高度演化的酶，来引导反应产生特定的手性形式。

然而，这样的酶并不存在于生命起源前的早期地球上。那么，生物分子的同手性最初是如何产生的？在发表于《美国国家科学院院刊》的那项研究中，研究人员解决了氨基酸的这个问题。

我们知道，氨基酸是所有地球生物的蛋白质的基石，这些小小的有机分子在生物学中仅以左旋的手性形式存在。在这项研究中，研究人员试图通过一种相对简单的、可能发生于生命出现之前的、不涉及复杂的酶的化学反应，在一个被称为转氨基作用的过程（产生氨基酸的核心过程）中，重现同手性。

在早期的一些测试中，这些反应成功地产生了丰富的具有单一手性的氨基酸——但问题是，这些氨基酸大多为右旋手性。这个问题困扰了研究人员一段时间，直到他们意识到，可以将部分反应反演。

在这样做之后，新的化学反应不再优先产生右旋氨基酸，而是会优先消耗并耗尽右旋氨基酸，留下更多可被生物学利用的左旋氨基。他们发现，这种同手性的出现，是由一种被称为动力学拆分的化学现象导致的。在这种现象中，更快的产生和/或更慢的消耗，会使得一种手性分子比另一种手性分子更丰富。

研究人员认为，对于活细胞中使用的氨基酸来说，这是一条通向同手性的可行途径。

探索最早的短蛋白

在发表于《自然》杂志的那项研究中，研究人员探索了一个简单的反应。通过这种反应，最早生命形式中的氨基酸可能被连接成第一批短蛋白质（即肽）。研究人员想要知道，肽在这个反应中的形成速率。其实，在此之前，就有研究团队对这一反应进行过探索，但他们没有对其从氨基酸的外消旋或近外消旋混合物中产生同手性肽的能力进行过研究。

在新的研究中，研究人员一开始遇到了一个难以克服的障碍：在形成氨基酸肽链的过程中，相较于左旋-左旋、右旋-右旋，左旋-右旋氨基酸之间的连接反应更快。

在经过一系列研究之后，他们发现当一种氨基酸在起始氨基酸池中具有一定程度的左旋优势时，这种更快的让左旋与右旋氨基酸连接的反应速率，会优先耗尽右旋氨基酸，留下越来越多的左旋氨基酸。

此外，由左旋-右旋-左旋-右旋氨基酸相连形成的多肽，更倾向于聚集在一起，以固体形式从溶液中脱落。因此，这些与动力学拆分相关的现象，最终产生了一种几乎完全是左旋肽的纯溶液。

研究人员认为，这些机制为同手性的出现提供了第一个令人信服的广义解释，这种解释可能不仅适用于氨基酸，也适用于其他的基本生物分子，如DNA和RNA。

#创作团队：

编译：糖兽

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.scripps.edu/news-and-events/press-room/2024/20240228-blackmond-molecules.html

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2315447121

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07059-y

#图片来源：

封面图&首图：原理