Nature Reviews Chemistry水中生命的起源：化学能与聚合物合成的交汇！
文摘
2024-11-24 19:30
青海
水是生命的基础，因其在生物化学中的重要作用而成为研究热点。然而，水在生命起源研究中也带来了诸多挑战，特别是在缩合聚合物的合成过程中，水解的热力学压力使得蛋白质和核酸的形成变得复杂。面对这一问题，许多科学家质疑水是否适合于前生物化学反应，尤其是如何在水中实现有效的缩合反应以合成生物聚合物。有鉴于此，英国伦敦大学学院（University College London）Daniel Whitaker & Matthew W. Powner两个人在Nature Reviews Chemistry期刊上发表了题为“On the aqueous origins of the condensation polymers of life”的最新综述论文。本综述探讨了在水中合成生物聚合物的可能途径，重点关注如何平衡热力学激活与动力学稳定性，以实现有效的聚合物合成。具体而言，我们讨论了如何利用前生物分子（如氰基）中的化学能，直接进行聚合，而无需依赖完全水解的单体。此外，本综述还分析了核酸合成的关键步骤，探讨了如何在水中实现选择性磷酸化和核酸的复制。通过对这些问题的深入研究，我们发现，水不仅能够支持生物分子的形成，而且在某些条件下，它还可能选择性地促进重要生命分子的合成。这为理解生命起源提供了新的视角，也为未来的研究指明了方向。综上所述，本综述总结了当前的研究进展，强调了在水环境中进行生物聚合物合成的潜力及其生物学意义。![]()
【图文解读】
（1）综述探讨了水在生命起源中的关键作用，强调了水虽然是生命必需的溶剂，但也给缩合聚合物的形成带来了挑战，得出了水解与缩合反应之间的平衡是解决这些挑战的关键。（2）实验通过分析前生物化学反应，发现可以直接利用前生物分子（如氰基）中蕴含的能量来合成聚合物，而无需形成完全水解的单体。这表明，通过选择合适的化学途径，能够在水中有效合成核酸和肽等生物分子。此外，研究还提出了在水中实现选择性磷酸化和单体激活的可能性，强调了动能和热力学的平衡在这一过程中的重要性。![]()
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图4: 在没有α-氨基酸中间体的情况时，从α-氨基腈形成α-肽。![]()
图5: 通过益生元腈的内在反应性，Strecker途径自发分化为α-肽和辅酶A中的非蛋白原肽键。![]()
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在水中，核酸的无酶复制和核苷的磷酸化并不是不可克服的挑战。假设前生物化学在水中不可行，并不能解决生命核酸起源的其他问题，包括高产率的区位选择性磷酸化、选择性单体活化以及能够进化的核酸复制。这些问题的答案将在水相化学中找到。水相化学不仅与形成缩合聚合物相兼容，而且往往对生命的保守分子具有选择性。实现这种选择性的必要策略是找到合适的化学反应、热力学活化与动力学稳定之间的平衡，以及最关键的，选择性释放潜在能量以促进键合形成的机制。最优策略通常不是从最明显的水解逆合成分解中得出的。尽管在确定完全水相合成途径以获得生命功能所需聚合物方面仍有很长的路要走，但已取得了许多进展。在水中，核苷酸和特别是肽的缩合寡聚物的形成是可能的。一个关键的认识是，脱水的起始材料（如氰化氢、氰胺和氰乙炔）似乎倾向于选择性地形成（脱水）生物聚合物的单体，如果单体没有完全水解，它们含有驱动寡聚化所需的能量。例如，肽通过利用氰基键固有的能量来形成酰胺，而不是通过耗尽能量的全面水解。我们提出，更有效和选择性的核苷酸缩合的关键在于实现（脱水）单体底物的有效合成，这些底物与肽氰基一样，结合了动力学稳定性与热力学磷酸激活性。也许这些单体是环磷酸盐，或者也许缩合磷酸盐体现了这些特性，目前缺少的可能是合适的（简单）催化剂来释放它们的潜力。针对缩合磷酸激活的宏观酶和核酶催化剂有很多；然而，如何在大分子催化剂演化之前弥合这一激活差距仍然是一个问题。仍需要更多的工作来建立一个连贯的模型，以解释生命成分的形成过程，但稳步进展正在进行中。一个特别的挑战是理解生命不同化学如何相互作用并形成一个统一的整体。一个重要的例子是理解肽的合成如何能够融入初生的生物学中，或许是由能够复制和进化的核酸进行协调。虽然已经进行过多次尝试来复制核糖体的催化功能，但有趣的是（毫无例外）这些尝试都没有复制核糖体的核心战略方法。每种策略都使用分子识别或分子内转移来促进肽的合成，但这并不是核糖体的关键创新。核糖体并不是聚合物生长的锚定点或起始点，也不是固相肽合成中可能利用的连接点。核糖体通过插入机制构建肽，这一机制极为重要。肽合成的生长策略（如NCA聚合）导致正在生长的肽的活性氨基移离锚定点越来越远，因此远离（催化）连接点和起始点的影响。因此，这并不是控制多肽合成的好策略。核糖体则完全不同：正在生长的肽通过其活化的C末端锚定在肽基转移位点，因此催化位点随正在生长的肽的末端移动。这一策略要求N到C末端（仿生）的肽生长，但不易想象C到N末端的生长。理解这种催化策略的起源必须成为前生物化学的主要目标。这一策略很重要：它在核糖体和非核糖体肽合成中被生命所利用，证明生命不仅一次，而且至少两次独立选择了这一肽合成机制——一次可能是“冷冻的意外”，但不可能是两次。生命所采用的化学策略，如N到C末端肽生长，将继续作为理解生命起源的路线图，即使具体的前生物反应未必完全相同。文献信息：Whitaker, D., Powner, M.W. On the aqueous origins of the condensation polymers of life. Nat Rev Chem (2024). https://doi.org/10.1038/s41570-024-00648-5
