王曉課題組Chem：“枕石漱流” — 破解核糖起源之謎
在生命起源研究中，“RNA世界”（RNA World）是目前影響最大的假說之一。RNA被認(rèn)為是第一種同時(shí)具有催化活性和承載遺傳編碼的分子。RNA以核糖（Ribose）為骨架，在漫長(zhǎng)的分子進(jìn)化過程中，核糖演化成了脫氧核糖，而DNA逐漸取代了RNA，成為大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)。但是，無(wú)論“RNA世界”還是其它假說，都需要解釋一個(gè)核心問題：為什么RNA的骨架是核糖，而不是其它任何一種糖？
無(wú)論是聯(lián)系現(xiàn)代生物學(xué)，還是從前生物化學(xué)（Prebiotic Chemistry）的角度，都很難解釋RNA中核糖的專有性。聚糖反應(yīng)（Formose Reaction）是被學(xué)術(shù)界普遍接受的天然糖合成反應(yīng)：甲醛（或其它低碳羥醛）在堿的作用下，生成異常復(fù)雜的單、多糖混合物。其中核糖的產(chǎn)率極低，不具有任何選擇性。此外，核糖在堿性溶液中極不穩(wěn)定，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間存在以生成核苷。因此，核糖的自然選擇是整個(gè)生命起源研究中一項(xiàng)懸而未決的重大難題。
為此，著名生物化學(xué)家Steven Benner教授于2004年首次提出了硼酸鹽假說（Science2004, 303, 196）。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，相比其它三種五碳糖（阿拉伯糖、木糖、來(lái)蘇糖），核糖能和硼酸鹽形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物。西北大學(xué)Joseph Lambert教授于2010年提出了硅酸鹽假說（Science2010, 327, 984）。這兩種假說在當(dāng)時(shí)引發(fā)了廣泛的關(guān)注和爭(zhēng)議。Benner假說的缺陷在于硼在地殼中儲(chǔ)量很低，無(wú)法有效推動(dòng)化學(xué)進(jìn)化；而Lambert團(tuán)隊(duì)未能證明核糖-硅酸鹽絡(luò)合物比其它五碳糖絡(luò)合物穩(wěn)定。兩者另有一個(gè)共性問題，即生成的絡(luò)合物過于穩(wěn)定，無(wú)法參與后續(xù)的核苷酸合成。在Benner和Lambert的研究之后，尚未有對(duì)該問題的報(bào)道。
近日，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院王曉課題組報(bào)道了一種更為普適的新假說，提出并證明了含有金屬離子的黏土物質(zhì)（Metal-Doped-Clay; MDC）可以促成核糖的自然選擇。作者最初受到現(xiàn)代糖分析技術(shù)的啟發(fā)，考察了各種單糖在離子色譜或配體交換色譜中的保留行為，發(fā)現(xiàn)核糖具有異于其它所有單糖的保留時(shí)間。在對(duì)大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行元分析后，作者推測(cè)：（1）核糖的自然選擇很有可能由分離過程決定，而不是化學(xué)過程；（2）決定核糖這一特殊性質(zhì)的，可能是它和金屬離子間較強(qiáng)的配位作用。由這一猜想出發(fā)，作者構(gòu)想了一類史前化學(xué)模型：遍布地殼的黏土物質(zhì)及其吸附（或交換）的金屬離子，可以作為一個(gè)“天然固定相”，將核糖從混合糖中分離出來(lái)。
?
圖1.“黏土–金屬”模型（MDC）對(duì)核糖自然選擇的解釋
在實(shí)驗(yàn)階段，作者制備了吸附有二價(jià)鐵或銅離子的高嶺土，發(fā)現(xiàn)其對(duì)于核糖（R）顯示出優(yōu)異的選擇性吸附，而不易吸附其它三種五碳糖（A、L、X）。隨后測(cè)試了多種黏土（高嶺土、蒙脫石、云母）和金屬離子（鐵、銅、鈣、鎂、錳）的組合，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)MDC對(duì)R都存在選擇性吸附。除五碳糖外，對(duì)于含有十種C4–C6單糖的混合物，R依然是富集在MDC上最多的糖。為模擬MDC在水流中動(dòng)態(tài)吸附核糖的行為，作者采用了模塊化的連續(xù)流微反應(yīng)系統(tǒng)，將MDC填充在固定床微反應(yīng)器中。流動(dòng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，MDC在動(dòng)態(tài)的水流下對(duì)R有著極高的選擇性、極快的吸附速率和很高的吸附容量。此外，作者用密度泛函理論（DFT）計(jì)算模擬了四種五碳糖和MDC的配合物，闡明了核糖和MDC結(jié)合的特殊穩(wěn)定性。
圖2.?核糖在MDC上的選擇性吸附及用來(lái)模擬這一過程的流動(dòng)化學(xué)裝置
為進(jìn)一步驗(yàn)證MDC模型的普適性，作者嘗試在Formose類反應(yīng)中加入MDC。結(jié)果顯示，對(duì)于復(fù)雜的Formose混合物，核糖依然是停留在MDC上最多的C5–C7單糖。也就是說，傳統(tǒng)Formose反應(yīng)對(duì)核糖沒有任何選擇性，而一旦加入MDC，就能使其成為一個(gè)對(duì)核糖具有高選擇性甚至特異性的反應(yīng)。同時(shí)，核糖在堿性溶液中的不穩(wěn)定性也可由MDC模型解決；解吸附實(shí)驗(yàn)表明，MDC吸附的核糖具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。雖然單次Formose反應(yīng)的核糖產(chǎn)率有限，但核糖可以通過在MDC上選擇性吸附和穩(wěn)定化，最終實(shí)現(xiàn)富集。作者隨后驗(yàn)證了MDC吸附的核糖對(duì)于各類堿基的反應(yīng)活性，發(fā)現(xiàn)其活性與游離核糖沒有差異。最后，作者研究了MDC存在下的核苷磷酸化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)核苷酸的產(chǎn)率和5’位選擇性均高于已報(bào)道的最佳條件。這一系列實(shí)驗(yàn)表明，“黏土–金屬”作為一種新模型，適用于制備核苷酸乃至RNA的全過程，包括核糖的生成（Formation）、選擇（Selection）和后續(xù)反應(yīng)（Downstream Syntheses）。作者認(rèn)為，富含黏土–金屬的環(huán)境可能形成于冥古宙（Hadean）晚期至太古宙（Archaean）早期。在這一時(shí)期，海底熱液流體（Hydrothermal Fluid）帶出的大量二價(jià)金屬離子和海底超基性巖作用，生成了黏土–金屬。而從太古宙中期開始，陸地出現(xiàn)，海洋面積減小，因此這種作用幾率減小。
|
綜上所述，王曉課題組首次提出了一種普適的史前化學(xué)模型，能夠合理解決核糖的自然選擇這一生命起源領(lǐng)域中的重要難題。成果以“A Plausible Prebiotic Selection of Ribose for RNA – Formation, Dynamic Isolation and Nucleotide Synthesis Based on Metal-Doped-Clays”為題，發(fā)表于Chem。文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.09.002?；?/span>2020級(jí)博士研究生趙澤潤(rùn)為論文第一作者，王曉副教授為通訊作者。文章發(fā)表以來(lái)，被多個(gè)平臺(tái)和媒體跟蹤報(bào)道。
http://www.mittrchina.com/news/detail/9962
Cell Press 對(duì)話科學(xué)家欄目
Cell Press：核糖的自然選擇一直是生命起源研究中懸而未決的重大難題，目前已有的假說包括哪些？他們各自存在著怎樣的問題？
Wang：核糖、堿基、磷酸組成了核苷酸，進(jìn)而生成RNA。“RNA世界”（RNA World）是生命起源研究中影響最大的假說之一，RNA被認(rèn)為是第一種同時(shí)具有催化活性和承載遺傳編碼的分子。我時(shí)常會(huì)想，為什么RNA的骨架是核糖？為什么不是其它任何一種糖？從化學(xué)角度解釋，已有的假說包括Benner的硼酸鹽假說、?Lambert的硅酸鹽假說、Sutherland和Joyce等人的氰胺衍生化策略等。從生物學(xué)角度出發(fā)，有Eschenmoser的進(jìn)化假說、Szostak的囊泡（原始膜）假說等。我們主要從化學(xué)角度研究，因此只評(píng)價(jià)幾種化學(xué)假說。硼酸鹽假說的問題在于硼在地殼中儲(chǔ)量很低，無(wú)法有效推動(dòng)化學(xué)進(jìn)化。硅酸鹽假說的問題在于其未能證明核糖-硅酸鹽絡(luò)合物比其它五碳糖絡(luò)合物穩(wěn)定。兩者另有一個(gè)共性問題，即生成的絡(luò)合物過于穩(wěn)定，無(wú)法參與后續(xù)的核苷酸合成。氰胺衍生化策略目前更多適用于嘧啶核苷，對(duì)于解釋嘌呤核苷有些困難。
Cell Press：您和您的團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)工作中提出了一種更為普適的新假說，證明了含有金屬離子的黏土物質(zhì)（Metal-Doped-Clay, MDC）可以促成核糖的自然選擇。請(qǐng)問您這項(xiàng)工作的源頭是什么？是什么啟發(fā)了您朝分離過程決定的核糖自然選擇性這一方向進(jìn)行研究的？
Wang：我們起初接受最多的觀點(diǎn)是，自然界的糖最有可能源自Formose反應(yīng)（聚糖反應(yīng)）。但Formose反應(yīng)對(duì)于核糖沒有任何選擇性，產(chǎn)率極低，且生成的核糖很快就分解。人們一直在努力改進(jìn)Formose反應(yīng)，或者干脆探索其它成糖反應(yīng)，旨在提高核糖的產(chǎn)率，但收效不明顯，產(chǎn)物依然是混合糖。在生命起源領(lǐng)域里，有些非常漂亮的工作，在攻克了很多艱難的步驟后依然會(huì)強(qiáng)調(diào)：核糖生成的問題還是一個(gè)謎。這是個(gè)令人沮喪的難題。終于有一天，我決定把這個(gè)問題放下，轉(zhuǎn)而開始了一段“懶人邏輯”：會(huì)不會(huì)核糖在各種成糖反應(yīng)中并不具備動(dòng)力學(xué)或熱力學(xué)的優(yōu)勢(shì)，而是它自身有什么特殊的理化性質(zhì)，導(dǎo)致反應(yīng)后和其它糖分開了？這種性質(zhì)或許是熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、極性、溶解度等等。如果核糖真的具有某種特性，那我們根本不用在乎它是由什么反應(yīng)生成的。我們當(dāng)時(shí)最渴望的，是得到核糖和其它糖的橫向?qū)Ρ葦?shù)據(jù)，不管是哪方面的性質(zhì)，越充分越好。這方面數(shù)據(jù)量最大的，是有關(guān)測(cè)定混合糖成分的文獻(xiàn)。目前檢測(cè)糖類常用的方法有氣相色譜、離子色譜和配體交換色譜等，相關(guān)文獻(xiàn)也最豐富。由于氣相色譜需要將糖衍生化后再測(cè)定，它反映的不是糖本身的物理性質(zhì)，被我們排除。離子色譜和配體交換色譜測(cè)定的是糖分子本身，是我們考察的重點(diǎn)。我們查閱了各種行業(yè)的大量文獻(xiàn)，包括分析化學(xué)、海洋化學(xué)、發(fā)酵學(xué)、釀酒行業(yè)、儀器公司的資料等，發(fā)現(xiàn)一個(gè)有意思的現(xiàn)象：核糖是所有單糖里，保留時(shí)間最長(zhǎng)的糖。
??????? 以上是一個(gè)現(xiàn)代化學(xué)方法對(duì)生命起源研究的“逆向啟示”。在這個(gè)過程中，思維是發(fā)散性的。而我們后一階段的工作，是一個(gè)思維逐漸收斂的過程。生命起源研究的難點(diǎn)在于，你不能想用什么條件，就用什么條件。你設(shè)想的條件一定要符合當(dāng)時(shí)的地球環(huán)境，對(duì)材料、溶劑、反應(yīng)物有太多限制。由于離子色譜的流動(dòng)相常需調(diào)至堿性，而堿性下糖易分解，我們把更為溫和的配體交換色譜作為研究的重點(diǎn)。配體交換色譜的固定相中需要含有金屬離子來(lái)“吸引”糖分子配位，所以我想到了黏土，因?yàn)轲ね猎谠缙诘厍蛏戏植己軓V，而黏土的一大特性就是吸附（或交換）金屬離子。高嶺土的工業(yè)用途之一就是吸附重金屬離子。有了黏土和金屬離子，就有了一個(gè)可能選擇吸附核糖的“天然固定相”。這就是我們提出“黏土-金屬”模型的由來(lái)。我們推測(cè)，富含黏土–金屬的地球環(huán)境可能形成于冥古宙（Hadean）晚期至太古宙（Archaean）早期。在這一時(shí)期，海底熱液流體（Hydrothermal Fluid）帶出的大量二價(jià)金屬離子和海底超基性巖作用，生成了黏土–金屬。原始生命誕生于太古宙早期，這一過程應(yīng)該不會(huì)重復(fù)發(fā)生，因?yàn)閺奶胖嬷衅陂_始，陸地出現(xiàn)，海洋面積減小，因此我們認(rèn)為黏土–金屬形成的幾率也隨之減小。
Cell Press：您和您的團(tuán)隊(duì)通過哪些手段驗(yàn)證了您提出的MDC促進(jìn)核糖自然選擇這一假說？
Wang：最初，我們通過紅外光譜對(duì)四種五碳糖（阿拉伯糖、來(lái)蘇糖、核糖、木糖）的吸附情況進(jìn)行初步考察，隨后用高效液相色譜（HPLC）測(cè)量固相和液相中各種糖的含量。并用密度泛函理論（DFT）計(jì)算模擬了四種五碳糖和MDC的配合物，闡明了核糖和MDC結(jié)合的特殊穩(wěn)定性。我們又將研究范圍擴(kuò)大至四碳糖和六碳糖，并利用連續(xù)流微反應(yīng)器模擬動(dòng)態(tài)吸附的過程。上述實(shí)驗(yàn)中，我們均觀測(cè)到MDC對(duì)于核糖有著特異性的吸附作用。我把這個(gè)過程比作“枕石漱流”：核糖吸附在黏土–金屬（MDC）上（“枕石”），經(jīng)過水流的滌蕩（“漱流”），成為唯一被富集的糖類，完成了自然選擇。
??????? 最后，為進(jìn)一步驗(yàn)證MDC模型，我們嘗試在Formose類反應(yīng)中直接加入MDC。結(jié)果顯示，對(duì)于復(fù)雜的Formose混合物，核糖依然是停留在MDC上最多的C5–C7單糖。也就是說，雖然單次Formose反應(yīng)的核糖產(chǎn)率有限，但核糖可以通過在MDC上選擇性吸附和穩(wěn)定化，最終實(shí)現(xiàn)富集。我們開始是因?yàn)椤巴春蕖?/span>Formose反應(yīng)，才想著跳出核糖合成的桎梏，從而發(fā)展出一種新模型；而現(xiàn)在又借助這種新模型，反過來(lái)發(fā)現(xiàn)Formose的問題是可以解決的。這是一個(gè)奇妙的過程。
Cell Press：MDC的構(gòu)成（黏土種類和金屬離子種類）對(duì)核糖的特異性吸附是否有影響？
Wang：我們考察了三種黏土（高嶺土、蒙脫石、云母），發(fā)現(xiàn)黏土的種類對(duì)核糖吸附影響不大，但金屬離子對(duì)結(jié)果有些影響。我們選擇了地殼中儲(chǔ)量較多或分布較廣的五種金屬（鐵、銅、鈣、鎂、錳），發(fā)現(xiàn)銅、鈣、二價(jià)鐵的MDC對(duì)核糖都存在選擇性吸附。三價(jià)鐵在地球的大氧化事件（Great Oxidation Event）之后才大量出現(xiàn)，不是我們研究的主要對(duì)象，但我們還是測(cè)試了它和三種黏土的組合，效果也很明顯。鎂和二價(jià)錳的MDC對(duì)核糖沒有選擇性吸附，原因尚不清楚。
Cell Press：經(jīng)MDC吸附富集的核糖是否還能進(jìn)行后續(xù)的生命過程所必須的生物和化學(xué)反應(yīng)？我們知道這對(duì)核糖自然選擇假說的合理性十分重要。
Wang：確實(shí)非常重要，這也是前幾種假說的不足之處，是我們開展這項(xiàng)研究的動(dòng)力之一。硼酸鹽假說和硅酸鹽假說的共同問題，是生成的共價(jià)鍵絡(luò)合物過于穩(wěn)定。而MDC和核糖通過配位作用結(jié)合，這種作用相比硼氧鍵和硅氧鍵，具有更好的可逆性，因此MDC吸附富集的核糖可以進(jìn)行后續(xù)化學(xué)反應(yīng)。我們測(cè)試了MDC吸附的核糖對(duì)于各類堿基的反應(yīng)活性，發(fā)現(xiàn)其活性與游離核糖沒有差異。同時(shí)對(duì)MDC吸附核糖的穩(wěn)定性進(jìn)行了跟蹤，發(fā)現(xiàn)至少六周以后，吸附的核糖依然存在。這表明，MDC吸附的核糖在穩(wěn)定性和反應(yīng)性之間，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)非常好的平衡，同時(shí)解決了這兩方面的問題。這是之前的假說沒能實(shí)現(xiàn)的。除了糖苷化反應(yīng)外，我們還研究了MDC存在下的核苷磷酸化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)核苷酸的產(chǎn)率和5’位選擇性均高于已報(bào)道的最佳條件，這也是非常可喜的。
Cell Press：您認(rèn)為這一模型是否具有普適性？或者說，您提出的MDC模型是否能與史前地球地質(zhì)演化的過程相符合？
Wang：我只能說，我們非常期待它和這一過程相符。由于缺乏“化學(xué)化石”（Chemical Fossil）的佐證，生命起源的研究是很難有定論的，人們只可能無(wú)限接近真相。一個(gè)假說或理論要經(jīng)得住考驗(yàn)，除了它能解決的核心問題外，需要遵循幾個(gè)要素：符合原始地球環(huán)境、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、能和現(xiàn)代生物學(xué)接軌。我們會(huì)努力做到這幾點(diǎn)。
Cell Press：基于MDC的模型有望合理解決核糖的自然選擇這一重要難題，請(qǐng)問您接下來(lái)的研究重點(diǎn)是什么？期待在哪些方面取得突破？
Wang：在短期內(nèi)，我們還將繼續(xù)探索“RNA世界”中的各種難題，比如核糖和堿基的糖苷化反應(yīng)能否選擇性地生成N9嘌呤核苷，能否直接生成嘧啶核苷。這些挑戰(zhàn)將是我們研究的重點(diǎn)。
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁(yè)的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái)，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com