中科院广州地化所蚁瑞钦合作团队JACS：原始地球的化学火花激活氨基酸的成肽过程

生命从何而来，这是人类最古老也最深邃的问题之一。我们已知，核酸与蛋白质分别由核苷酸和氨基酸构成。但在没有酶、没有细胞的原始地球上，这些小分子如何在水相环境中克服热力学与动力学障碍， 相互连接并聚合为稳定的分子链条，进而演化为更高阶的分子结构？科学界一直在寻找答案。近年来，一个看似普通却可能“身兼多职”的小分子进入我们的视野—氯氰（NCCl）。它可由氰根（−CN）与次氯酸（HOCl）在温和条件下迅速生成，而HOCl在早期地球并不稀缺，可由辐射、放电或氧化过程产生。因此，我们提出：NCCl可能是原始环境中普遍存在的化学活化剂，能够推动生命分子前体迈出关键一步。

近日，中国科学院广州地球化学研究所特任研究员蚁瑞钦博士与新南威尔士大学Albert C. Fahrenbach教授，在《美国化学会志》(JACS)发表了题为“Rapid Activation of Amino Acids with Cyanide and Hypochlorite”的最新研究。Luke K. Marshall蚁瑞钦博士为共同一作，Albert C. Fahrenbach教授为通讯作者。

我们的前期研究显示，NCCl能活化核糖核苷酸：在水相中与咪唑共同作用，生成核糖核苷-5′-磷酰咪唑等活化物，从而降低成链门槛，为RNA形成提供路径（Yi et al. Chem Comm 2018）。更具启发性的是，NCCl在促进氨基酸成肽过程中的活化作用同样高效：除结构特殊的脯氨酸外，其余19种标准氨基酸均能与NCCl快速反应，生成N-氨甲酰二肽，分离收率可达89%–98%，且副反应极少。机理上，如图1所示，DFT计算给出与实验吻合的图景：氨基对NCCl进行亲核加成后，迅速形成 2-亚氨基-噁唑烷-5-酮中间体，随后发生互变异构，转化为更稳定的2-氨基-5(4H)-噁唑酮。环化步骤的活化能较低（约40 kJmol⁻¹），为反应迅速进行提供了动力学保障。其后，第二分子氨基酸对该环状中间体的羰基碳发起亲核进攻，经“加成—消除”路径生成N-氨甲酰二肽。更重要的是，甘氨酸在这条路径中扮演“双角色”。除了作为成肽底物，它还能与HOCl反应原位生成NCCl，对自身实施“牺牲性活化”，进而推动N-氨甲酰二甘氨酸的形成。

图 1 丙氨酸与NCCl反应的DFT计算反应坐标示意图

我们进一步的研究发现，N-氨甲酰三甘氨酸在加热条件下会优先水解，生成 N-氨甲酰甘氨酸（CAA）与未取代的二肽。早期已有学者提出，CAA可能是重要的前生命中间体，它们可与氮氧化物反应生成 N-羧酸酐（NCA），而NCA在水溶液中能迅速聚合形成多肽。氯氰驱动的反应与这一设想高度契合，甚至可能正是其中长期缺失的一环。与许多已知的前生命反应相比，氯氰的优势尤为突出：它的反应迅速、高效，并且能在温和的水相条件下进行；它既能推动核酸前体的生成，又能促进肽的合成，是少有的“双功能”分子，因此在生命起源的叙事中极具吸引力。更重要的是，氯氰具有潜在的普遍性：无论是通过氰根与次氯酸的反应、通过氨基酸本身的“牺牲性活化”，还是在辐射条件下的无机过程，都有可能生成这种分子。它既不需要极端环境，也不依赖稀有原料，与早期地球的化学环境高度吻合。

如果把40亿年前的潮间带想象成一座天然化学反应器：阳光、闪电与辐射不断输入能量，海盐与矿物调节着离子环境，氰化物与次氯酸在浅水中相遇，氯氰便由此诞生。它像一位无形的“化学串联者”，在RNA的世界与肽的世界之间搭建起桥梁，再通过水解与再活化的循环不断重排组合，逐步走向复杂的化学网络。生命的起源从不是一蹴而就，而是无数“小步”逐渐累积的结果—而氯氰可能是这些“小步”中的加速器，提供了速度、方向与连续性。或许生命起源的答案并不在遥远的星辰，而就在这些简单分子彼此协作的瞬间：一个微小的化学活化剂，可能就是地球生命最初的幕后推手。

来源：高分子科学前沿

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