在生命起源研究中,“RNA世界”(RNA World)是目前影响最大的假说之一。RNA被认为是第一种同时具有催化活性和承载遗传编码的分子。RNA以核糖(Ribose)为骨架,在漫长的分子进化过程中,核糖演化成了脱氧核糖,而DNA逐渐取代了RNA,成为大多数生物的遗传物质。但是,无论“RNA世界”还是其它假说,都需要解释一个核心问题:为什么RNA的骨架是核糖,而不是其它任何一种糖?
无论是联系现代生物学,还是从前生物化学(Prebiotic Chemistry)的角度,都很难解释RNA中核糖的专有性。聚糖反应(Formose Reaction)是被学术界普遍接受的天然糖合成反应:甲醛(或其它低碳羟醛)在碱的作用下,生成异常复杂的单、多糖混合物。其中核糖的产率极低,不具有任何选择性。此外,核糖在碱性溶液中极不稳定,无法长时间存在以生成核苷。因此,核糖的自然选择是整个生命起源研究中一项悬而未决的重大难题。
为此,著名生物化学家Steven Benner教授于2004年首次提出了硼酸盐假说(Science2004, 303, 196)。该团队发现,相比其它三种五碳糖(阿拉伯糖、木糖、来苏糖),核糖能和硼酸盐形成较稳定的络合物。西北大学Joseph Lambert教授于2010年提出了硅酸盐假说(Science2010, 327, 984)。这两种假说在当时引发了广泛的关注和争议。Benner假说的缺陷在于硼在地壳中储量很低,无法有效推动化学进化;而Lambert团队未能证明核糖-硅酸盐络合物比其它五碳糖络合物稳定。两者另有一个共性问题,即生成的络合物过于稳定,无法参与后续的核苷酸合成。在Benner和Lambert的研究之后,尚未有对该问题的报道。
近日,南京大学化学化工学院王晓课题组报道了一种更为普适的新假说,提出并证明了含有金属离子的黏土物质(Metal-Doped-Clay; MDC)可以促成核糖的自然选择。作者最初受到现代糖分析技术的启发,考察了各种单糖在离子色谱或配体交换色谱中的保留行为,发现核糖具有异于其它所有单糖的保留时间。在对大量文献数据进行元分析后,作者推测:(1)核糖的自然选择很有可能由分离过程决定,而不是化学过程;(2)决定核糖这一特殊性质的,可能是它和金属离子间较强的配位作用。由这一猜想出发,作者构想了一类史前化学模型:遍布地壳的黏土物质及其吸附(或交换)的金属离子,可以作为一个“天然固定相”,将核糖从混合糖中分离出来。
图1.“黏土–金属”模型(MDC)对核糖自然选择的解释
在实验阶段,作者制备了吸附有二价铁或铜离子的高岭土,发现其对于核糖(R)显示出优异的选择性吸附,而不易吸附其它三种五碳糖(A、L、X)。随后测试了多种黏土(高岭土、蒙脱石、云母)和金属离子(铁、铜、钙、镁、锰)的组合,发现绝大多数MDC对R都存在选择性吸附。除五碳糖外,对于含有十种C4–C6单糖的混合物,R依然是富集在MDC上最多的糖。为模拟MDC在水流中动态吸附核糖的行为,作者采用了模块化的连续流微反应系统,将MDC填充在固定床微反应器中。流动化学实验表明,MDC在动态的水流下对R有着极高的选择性、极快的吸附速率和很高的吸附容量。此外,作者用密度泛函理论(DFT)计算模拟了四种五碳糖和MDC的配合物,阐明了核糖和MDC结合的特殊稳定性。
图2. 核糖在MDC上的选择性吸附及用来模拟这一过程的流动化学装置
为进一步验证MDC模型的普适性,作者尝试在Formose类反应中加入MDC。结果显示,对于复杂的Formose混合物,核糖依然是停留在MDC上最多的C5–C7单糖。也就是说,传统Formose反应对核糖没有任何选择性,而一旦加入MDC,就能使其成为一个对核糖具有高选择性甚至特异性的反应。同时,核糖在碱性溶液中的不稳定性也可由MDC模型解决;解吸附实验表明,MDC吸附的核糖具有长期稳定性。虽然单次Formose反应的核糖产率有限,但核糖可以通过在MDC上选择性吸附和稳定化,最终实现富集。作者随后验证了MDC吸附的核糖对于各类碱基的反应活性,发现其活性与游离核糖没有差异。最后,作者研究了MDC存在下的核苷磷酸化反应,发现相应核苷酸的产率和5’位选择性均高于已报道的最佳条件。这一系列实验表明,“黏土–金属”作为一种新模型,适用于制备核苷酸乃至RNA的全过程,包括核糖的生成(Formation)、选择(Selection)和后续反应(Downstream Syntheses)。作者认为,富含黏土–金属的环境可能形成于冥古宙(Hadean)晚期至太古宙(Archaean)早期。在这一时期,海底热液流体(Hydrothermal Fluid)带出的大量二价金属离子和海底超基性岩作用,生成了黏土–金属。而从太古宙中期开始,陆地出现,海洋面积减小,因此这种作用几率减小。
综上所述,王晓课题组首次提出了一种普适的史前化学模型,能够合理解决核糖的自然选择这一生命起源领域中的重要难题。成果以“A Plausible Prebiotic Selection of Ribose for RNA – Formation, Dynamic Isolation and Nucleotide Synthesis Based on Metal-Doped-Clays”为题,发表于Chem。文章链接:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.09.002。化院2020级博士研究生赵泽润为论文第一作者,王晓副教授为通讯作者。文章发表以来,被多个平台和媒体跟踪报道。
http://www.mittrchina.com/news/detail/9962
Cell Press 对话科学家栏目
Cell Press:核糖的自然选择一直是生命起源研究中悬而未决的重大难题,目前已有的假说包括哪些?他们各自存在着怎样的问题?
Wang:核糖、碱基、磷酸组成了核苷酸,进而生成RNA。“RNA世界”(RNA World)是生命起源研究中影响最大的假说之一,RNA被认为是第一种同时具有催化活性和承载遗传编码的分子。我时常会想,为什么RNA的骨架是核糖?为什么不是其它任何一种糖?从化学角度解释,已有的假说包括Benner的硼酸盐假说、 Lambert的硅酸盐假说、Sutherland和Joyce等人的氰胺衍生化策略等。从生物学角度出发,有Eschenmoser的进化假说、Szostak的囊泡(原始膜)假说等。我们主要从化学角度研究,因此只评价几种化学假说。硼酸盐假说的问题在于硼在地壳中储量很低,无法有效推动化学进化。硅酸盐假说的问题在于其未能证明核糖-硅酸盐络合物比其它五碳糖络合物稳定。两者另有一个共性问题,即生成的络合物过于稳定,无法参与后续的核苷酸合成。氰胺衍生化策略目前更多适用于嘧啶核苷,对于解释嘌呤核苷有些困难。
Cell Press:您和您的团队在这项工作中提出了一种更为普适的新假说,证明了含有金属离子的黏土物质(Metal-Doped-Clay, MDC)可以促成核糖的自然选择。请问您这项工作的源头是什么?是什么启发了您朝分离过程决定的核糖自然选择性这一方向进行研究的?
Wang:我们起初接受最多的观点是,自然界的糖最有可能源自Formose反应(聚糖反应)。但Formose反应对于核糖没有任何选择性,产率极低,且生成的核糖很快就分解。人们一直在努力改进Formose反应,或者干脆探索其它成糖反应,旨在提高核糖的产率,但收效不明显,产物依然是混合糖。在生命起源领域里,有些非常漂亮的工作,在攻克了很多艰难的步骤后依然会强调:核糖生成的问题还是一个谜。这是个令人沮丧的难题。终于有一天,我决定把这个问题放下,转而开始了一段“懒人逻辑”:会不会核糖在各种成糖反应中并不具备动力学或热力学的优势,而是它自身有什么特殊的理化性质,导致反应后和其它糖分开了?这种性质或许是熔点、沸点、极性、溶解度等等。如果核糖真的具有某种特性,那我们根本不用在乎它是由什么反应生成的。我们当时最渴望的,是得到核糖和其它糖的横向对比数据,不管是哪方面的性质,越充分越好。这方面数据量最大的,是有关测定混合糖成分的文献。目前检测糖类常用的方法有气相色谱、离子色谱和配体交换色谱等,相关文献也最丰富。由于气相色谱需要将糖衍生化后再测定,它反映的不是糖本身的物理性质,被我们排除。离子色谱和配体交换色谱测定的是糖分子本身,是我们考察的重点。我们查阅了各种行业的大量文献,包括分析化学、海洋化学、发酵学、酿酒行业、仪器公司的资料等,发现一个有意思的现象:核糖是所有单糖里,保留时间最长的糖。
以上是一个现代化学方法对生命起源研究的“逆向启示”。在这个过程中,思维是发散性的。而我们后一阶段的工作,是一个思维逐渐收敛的过程。生命起源研究的难点在于,你不能想用什么条件,就用什么条件。你设想的条件一定要符合当时的地球环境,对材料、溶剂、反应物有太多限制。由于离子色谱的流动相常需调至碱性,而碱性下糖易分解,我们把更为温和的配体交换色谱作为研究的重点。配体交换色谱的固定相中需要含有金属离子来“吸引”糖分子配位,所以我想到了黏土,因为黏土在早期地球上分布很广,而黏土的一大特性就是吸附(或交换)金属离子。高岭土的工业用途之一就是吸附重金属离子。有了黏土和金属离子,就有了一个可能选择吸附核糖的“天然固定相”。这就是我们提出“黏土-金属”模型的由来。我们推测,富含黏土–金属的地球环境可能形成于冥古宙(Hadean)晚期至太古宙(Archaean)早期。在这一时期,海底热液流体(Hydrothermal Fluid)带出的大量二价金属离子和海底超基性岩作用,生成了黏土–金属。原始生命诞生于太古宙早期,这一过程应该不会重复发生,因为从太古宙中期开始,陆地出现,海洋面积减小,因此我们认为黏土–金属形成的几率也随之减小。
Cell Press:您和您的团队通过哪些手段验证了您提出的MDC促进核糖自然选择这一假说?
Wang:最初,我们通过红外光谱对四种五碳糖(阿拉伯糖、来苏糖、核糖、木糖)的吸附情况进行初步考察,随后用高效液相色谱(HPLC)测量固相和液相中各种糖的含量。并用密度泛函理论(DFT)计算模拟了四种五碳糖和MDC的配合物,阐明了核糖和MDC结合的特殊稳定性。我们又将研究范围扩大至四碳糖和六碳糖,并利用连续流微反应器模拟动态吸附的过程。上述实验中,我们均观测到MDC对于核糖有着特异性的吸附作用。我把这个过程比作“枕石漱流”:核糖吸附在黏土–金属(MDC)上(“枕石”),经过水流的涤荡(“漱流”),成为唯一被富集的糖类,完成了自然选择。
最后,为进一步验证MDC模型,我们尝试在Formose类反应中直接加入MDC。结果显示,对于复杂的Formose混合物,核糖依然是停留在MDC上最多的C5–C7单糖。也就是说,虽然单次Formose反应的核糖产率有限,但核糖可以通过在MDC上选择性吸附和稳定化,最终实现富集。我们开始是因为“痛恨”Formose反应,才想着跳出核糖合成的桎梏,从而发展出一种新模型;而现在又借助这种新模型,反过来发现Formose的问题是可以解决的。这是一个奇妙的过程。
Cell Press:MDC的构成(黏土种类和金属离子种类)对核糖的特异性吸附是否有影响?
Wang:我们考察了三种黏土(高岭土、蒙脱石、云母),发现黏土的种类对核糖吸附影响不大,但金属离子对结果有些影响。我们选择了地壳中储量较多或分布较广的五种金属(铁、铜、钙、镁、锰),发现铜、钙、二价铁的MDC对核糖都存在选择性吸附。三价铁在地球的大氧化事件(Great Oxidation Event)之后才大量出现,不是我们研究的主要对象,但我们还是测试了它和三种黏土的组合,效果也很明显。镁和二价锰的MDC对核糖没有选择性吸附,原因尚不清楚。
Cell Press:经MDC吸附富集的核糖是否还能进行后续的生命过程所必须的生物和化学反应?我们知道这对核糖自然选择假说的合理性十分重要。
Wang:确实非常重要,这也是前几种假说的不足之处,是我们开展这项研究的动力之一。硼酸盐假说和硅酸盐假说的共同问题,是生成的共价键络合物过于稳定。而MDC和核糖通过配位作用结合,这种作用相比硼氧键和硅氧键,具有更好的可逆性,因此MDC吸附富集的核糖可以进行后续化学反应。我们测试了MDC吸附的核糖对于各类碱基的反应活性,发现其活性与游离核糖没有差异。同时对MDC吸附核糖的稳定性进行了跟踪,发现至少六周以后,吸附的核糖依然存在。这表明,MDC吸附的核糖在稳定性和反应性之间,实现了一个非常好的平衡,同时解决了这两方面的问题。这是之前的假说没能实现的。除了糖苷化反应外,我们还研究了MDC存在下的核苷磷酸化反应,发现相应核苷酸的产率和5’位选择性均高于已报道的最佳条件,这也是非常可喜的。
Cell Press:您认为这一模型是否具有普适性?或者说,您提出的MDC模型是否能与史前地球地质演化的过程相符合?
Wang:我只能说,我们非常期待它和这一过程相符。由于缺乏“化学化石”(Chemical Fossil)的佐证,生命起源的研究是很难有定论的,人们只可能无限接近真相。一个假说或理论要经得住考验,除了它能解决的核心问题外,需要遵循几个要素:符合原始地球环境、逻辑严谨、能和现代生物学接轨。我们会努力做到这几点。
Cell Press:基于MDC的模型有望合理解决核糖的自然选择这一重要难题,请问您接下来的研究重点是什么?期待在哪些方面取得突破?
Wang:在短期内,我们还将继续探索“RNA世界”中的各种难题,比如核糖和碱基的糖苷化反应能否选择性地生成N9嘌呤核苷,能否直接生成嘧啶核苷。这些挑战将是我们研究的重点。
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