科学家发现了新的“生命起源”化学反应

诸平

Credit: CC0 Public Domain

据美国斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）2022年7月28日提供的消息，科学家发现了新的“生命起源”化学反应（Scientists discover new 'origins of life' chemical reactions）。

40亿年前，地球看起来与今天大不相同，没有生命，被浩瀚的海洋所覆盖。经过数百万年的时间，在这种原始的汤中，生命出现了。长期以来，研究人员一直在从理论上解释分子是如何聚集在一起引发这种转变的。现在，斯克里普斯研究所的科学家们发现了一组新的化学反应，这些反应使用氰化物（cyanide, CN^-）、氨(ammonia, NH₃)和二氧化碳(CO₂)，所有这些都被认为是早期地球上常见的物质，来生成氨基酸(amino acids)和核酸（nucleic acids），这是蛋白质和DNA的组成部分。相关研究结果于2022年7月28日已经在《自然化学》（Nature Chemistry）杂志网站发表——Sunil Pulletikurti, Mahipal Yadav, Greg Springsteen, Ramanarayanan Krishnamurthy. Prebiotic synthesis of α-amino acids and orotate from α-ketoacids potentiates transition to extant metabolic pathways. Nature Chemistry, 2022. DOI: 10.1038/s41557-022-00999-w. Published: 28 July 2022. www.nature.com/articles/s41557-022-00999-w

参与此项研究的除了来自斯克里普斯研究所的研究人员之外，还有美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA）以及福尔曼大学（Furman University, Greenville, SC, USA）的研究人员。

此论文的通讯作者、斯克里普斯研究所化学副教授拉马纳拉亚南·克里希纳穆尔西（Ramanarayanan Krishnamurthy）博士说：“我们提出了一种新的范式来解释这种从益生元（prebiotic）到生物化学（biotic chemistry）的转变。我们认为，我们所描述的那种反应可能是地球早期（early earth）可能发生的。”

除了让研究人员深入了解早期地球的化学之外，新发现的化学反应在某些制造过程（manufacturing processes）中也很有用，例如从廉价的起始材料生成定制标记的生物分子。

今年早些时候（Earlier this year），拉马纳拉亚南·克里希纳穆尔西的研究小组展示了氰化物如何使化学反应能够将益生元分子（prebiotic molecules）和水转化为生命所需的基本有机化合物。与之前提出的反应不同，这一反应在室温和较宽的pH范围内起作用。研究人员想知道，在相同的条件下，是否有办法生成氨基酸，即在所有已知活细胞中组成蛋白质的更复杂分子（complex molecules）。

在今天的细胞中，氨基酸是由称为α-酮酸（α-keto acids）的前体利用氮和称为酶的特殊蛋白质生成的。研究人员发现，有证据表明，α-酮酸很可能存在于地球历史的早期。然而，许多人假设，在细胞生命出现之前，氨基酸一定是由完全不同的前体醛类（aldehydes）而非α-酮酸生成的，因为进行转化的酶尚不存在。但这一想法引发了关于如何以及何时从醛类转变为α-酮酸作为制造氨基酸的关键成分的争论。

拉马纳拉亚南·克里希纳穆尔西和他的同事成功地利用氰化物驱动其他化学反应（chemical reactions）后，怀疑氰化物，即使没有酶，也可能有助于将α-酮酸转化为氨基酸。因为他们知道需要某种形式的氮，所以他们加入了氨——一种早期地球上存在的氮。然后，通过反复试验，他们发现了第三种关键成分：二氧化碳。有了这种混合物，他们很快开始看到氨基酸的形成。

拉马纳拉亚南·克里希纳穆尔西说：“我们原以为很难弄明白这一点，结果比我们想象的还要简单。”如果你只混合酮酸（keto acid）、氰化物和氨，它就呆在那里。只要你加入二氧化碳，甚至微量二氧化碳，反应就会加快。”

研究人员说，由于这一新反应与今天细胞内发生的反应相对类似，只是由氰化物而不是蛋白质驱动，因此它似乎更可能是早期生命的来源，而不是截然不同的反应。这项研究还有助于将长期以来关于二氧化碳对早期生命重要性的争论的两个方面汇集在一起，得出结论，二氧化碳（carbon dioxide）是关键，但只能与其他分子结合。

在研究他们的化学汤（chemical soup）的过程中，拉马纳拉亚南·克里希纳穆尔西的团队发现，同一反应的副产物是乳清酸盐（orotate），是构成DNA和RNA的核苷酸（nucleotides）的前体。这表明，在适当的条件下，同一原始汤（primordial soup）可能会产生大量的生命关键要素所需的分子。

拉马纳拉亚南·克里希纳穆尔西说：“我们下一步要做的是继续探索这种混合物会产生什么样的化学反应。氨基酸能开始形成小蛋白质吗？这些蛋白质中是否有一种会回来并开始作为一种酶来制造更多的氨基酸（amino acids）？”

此研究由美国国家科学基金会（NSF）和美国宇航局（NASA）天体生物学项目（NSF and the NASA Astrobiology Program）联合支持，该项目隶属于NSF化学进化中心（NSF Center for Chemical Evolution），CHE-1504217, NASA的外层生物学（NASA Exobiolog）资助（NSF and the NASA Astrobiology Program under the NSF Center for Chemical Evolution, CHE-1504217, NASA Exobiology grant, 80NSSC18K1300），以及西蒙斯基金会（Simons Foundation）的资助（Simons Foundation grant, 327124FY19）。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

氰化物在早期地球和搜寻地外生命中的新作用（New role for cyanide in early Earth and search for extraterrestrial life）

Abstract

The Strecker reaction of aldehydes is the pre-eminent pathway to explain the prebiotic origins of α-amino acids. However, biology employs transamination of α-ketoacids to synthesize amino acids which are then transformed to nucleobases, implying an evolutionary switch—abiotically or biotically—of a prebiotic pathway involving the Strecker reaction into today’s biosynthetic pathways. Here we show that α-ketoacids react with cyanide and ammonia sources to form the corresponding α-amino acids through the Bucherer–Bergs pathway. An efficient prebiotic transformation of oxaloacetate to aspartate via N-carbamoyl aspartate enables the simultaneous formation of dihydroorotate, paralleling the biochemical synthesis of orotate as the precursor to pyrimidine nucleobases. Glyoxylate forms both glycine and orotate and reacts with malonate and urea to form aspartate and dihydroorotate. These results, along with the previously demonstrated protometabolic analogues of the Krebs cycle, suggest that there can be a natural emergence of congruent forerunners of biological pathways with the potential for seamless transition from prebiotic chemistry to modern metabolism.