矛盾的机制?同期两篇文章化学家填补了生命起源的重大空白


  发布日期: 2024年04月12日

  来源:Nature

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矛盾的机制?同期两篇文章化学家填补了生命起源的重大空白

斯克里普斯研究中心(Scripps Research)的化学家们提出了一个解决方案,以解释为什么生命的基本分子只以一种手性形式出现,这表明动力学分解是一个关键机制。他们的研究证明了益生元化学是如何倾向于一种手性形式而不是另一种手性形式的,为生物同手性的出现提供了一般理论。

分子通常具有一种被称为手性的不对称结构,这意味着它们可以以不同的镜像形式出现,类似于人类的左手和右手。地球上生命起源的一大谜团是,几乎所有的基本生物分子,如蛋白质和DNA的组成部分,都只以一种手性形式出现。

斯克里普斯研究中心(Scripps Research)的化学家们在两项备受瞩目的研究中,提出了一个优雅的解决方案来解开这个谜团,展示了这种单手性或“同手性”是如何在生物学中建立起来的。

这些研究分别发表在2024年2月5日的《PNAS》和2024年2月28日的《Nature》杂志上。总之,他们认为,同手性的出现主要是由于一种称为动力学分解的化学现象,其中一种手性形式比另一种手性形式更丰富,这是由于更快的产生和/或更慢的消耗。

“关于同手性是如何在特定分子中出现的,比如特定的氨基酸,已经有很多建议,但我们真的需要一个更普遍的理论,”Donna Blackmond博士说,研究生于Jinhan Yu和博士后助理研究员Min Deng博士是这两项研究的第一作者。

同手性的难题

在过去一个世纪的大部分时间里,“生命的起源”化学一直是一个繁忙的领域。它的实践者已经发现了几十种关键的反应,这些反应似乎发生在早期的“益生元”地球上,产生了第一批维持生命的DNA、RNA、糖、氨基酸和其他分子。然而,在这些工作中缺失的是一个似是而非的同质手性出现的益生元理论。

Blackmond说:“在寻找可能产生第一个生物分子的合理反应时,该领域有一种忽视手性问题的趋势这很令人沮丧,因为如果没有有利于同手性的反应,我们就不会有生命。”

产生手性分子的普通化学反应倾向于产生相等的(“外消旋”)左旋和右旋形式的混合物。在生物学之外,这种混合通常无关紧要,因为两种形式通常具有相似或相同的特性。然而,在生物学中,由于广泛的同手性,通常情况下,手性分子只有左手或右手形式具有有用的特性,而另一种形式可能是惰性的,甚至是有毒的。因此,细胞经常使用高度进化的酶来引导反应产生特定的手性形式。

然而,生命起源前的地球不会有这样的酶——那么同手性是如何产生的呢?

自相矛盾的结果

Blackmond和她的团队在《PNAS》上发表的研究中,解决了氨基酸的这个问题。这些小的有机分子被地球上所有生物用作蛋白质的基石,但在生物学中仅以左手手性形式存在。

研究人员特别寻求在被称为转胺作用的氨基酸生产的中心过程中重现同手性,方法是使用一种相对简单、似乎是益生元的化学方法,不包括复杂的酶。

在早期的测试中,该团队的实验反应起作用了,并产生了一种手性形式的氨基酸,而不是另一种。问题是,最受欢迎的形式是右手形式——生物学上不使用右手形式。

“我们被困了一段时间,但后来灵光一现——我们意识到我们可以做部分反向反应,”Blackmond说。

当他们这样做时,反应不再优先产生右手性氨基酸。在一个引人注目的动力学分解的例子中,它优先消耗和耗尽了右旋氨基酸,留下了更多所需的左旋氨基酸。因此,对于活细胞中使用的氨基酸来说,这是一条通向同手性的合理途径。

把它们联系在一起

在《Nature》杂志的研究中,化学家们探索了一个简单的反应,在这个反应中,最早的生命形式中的氨基酸可能被连接在一起,形成了第一个短蛋白质(也被称为肽)。该反应早前已由另一位研究人员发表,但从未对其从外消旋或近外消旋氨基酸混合物中产生同手性肽的能力进行过研究。

化学家们又一次遇到了一个似乎无法克服的障碍:他们发现,在形成氨基酸肽链时,左手和右手氨基酸的连接反应更快——与期望的同手性肽相反。

尽管如此,团队还是坚持了下来。最终,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手型优势时——正如他们的另一项研究所证明的那样——左手到右手键更快的反应速率优先耗尽右手氨基酸,留下越来越多的左手型氨基酸。此外,左-右-左-右多肽更倾向于聚集在一起并以固体形式从溶液中脱落。因此,这些与动力学分辨率相关的现象最终产生了一种令人惊讶的纯溶液,几乎完全是左旋肽。

对Blackmond来说,这些看似矛盾的研究机制为同手性的出现提供了第一个令人信服的广泛解释——她说,这种解释可能不仅适用于氨基酸,也适用于其他基本的生物分子,如DNA和RNA。

参考文献

“Prebiotic access to enantioenriched amino acids via peptide-mediated transamination reactions” by Jinhan Yu, Andrea Darú, Min Deng and Donna G. Blackmond, 5 February 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Symmetry breaking and chiral amplification in prebiotic ligation reactions” by Min Deng, Jinhan Yu and Donna G. Blackmond, 28 February 2024, Nature.


 

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