生命元件氨基酸手性的起源

生命的核心存在一种偏见，其起源一直是个谜。如今蛋白质中几乎所有的氨基酸构建模块都以镜像形式存在，就像左手和右手的手套一样。但是生命只使用左手性的氨基酸，尽管在地球早期两种形式都应该同样丰富，并且在实验室中可以轻易地连接起来。在原始汤中一定有某种东西使得平衡倾向于左手性，并且自那时以来一直保持这种偏见。

现在，三位美国研究人员提出了一种新的解释。今天在《自然》杂志上，他们报告说，通过监测称为二肽的氨基酸对的形成速率，他们发现了多种机制，最终促进了具有相同手性的二肽的形成。

“这是相当令人信服的，”未参与该研究的索尔克生物研究所创始生命化学家兼总裁杰拉尔德·乔伊斯说。研究人员接下来希望了解是否同样的机制会使更大的肽和蛋白质偏向左手性——以及它是否可以解释RNA和DNA中的相反偏见，它们的碱基含有不可避免是右手性的糖。如果是这样，这些新机制可能解释了生命本身为何采取了一种镜像形式而不是另一种。

近几十年来，已经提出了几种关于生命手性的假设。例如，可能为早期地球播种的陨石被发现富含左手性手性的氨基酸，可能是因为它们的内容暴露于偏振光。或者早期地球上的磁场可能给早期生物分子带来了扭曲。但即使某种外部力量赋予了一个初始偏见，是什么传播了它？

来自伦敦大学学院的生命化学家马修·波纳及其同事的最近工作提供了一个线索。在过去的5年中，波纳的小组发现了一系列可能在早期地球上存在的基于硫的分子，并展示了它们如何轻松地将个别氨基酸与称为氨基腈的氨基酸前体连接起来，形成二肽。因为这些反应在水中进行，并且适用于生物体中发现的所有氨基酸，它们提供了一条合理的途径，说明第一批蛋白质可能是如何形成的。

波纳的团队没有检查其基于硫的催化剂是否具有手性偏见。这是斯克里普斯研究所的生命化学家唐娜·布莱克蒙及其同事闵登和金汉宇接过接力棒的地方。他们测试了波纳的两种硫化合物，看看这些催化剂在形成二肽时是否对手性敏感。它们是敏感的，但不是布莱克蒙所期望的方式。催化剂产生大约四倍多的“异手性”二肽——那些将左手性氨基酸（L）与右手性（D）氨基酸配对的二肽——作为完全手性产物。“我们认为这是坏消息，”布莱克蒙说，因为这表明即使在早期地球上氨基酸开始时有偏见，它也会在蛋白质形成时被搅乱。

但随着布莱克蒙及其同事更深入地研究，消息变得更好。在一系列实验中，斯克里普斯的研究人员以倾斜的L和D氨基酸比例开始——例如，60% Ls和40% Ds。L,D和D,L异手性二肽最快形成，当它们形成时，它们从混合物中拉出相等数量的L和D氨基酸。由于基线偏见，最终在未反应的氨基酸池中留下了更多的Ls，增加了形成全左手性二肽的可能性。“这就像一个多米诺骨牌效应，”波纳说。第一次异手性反应最终鼓励更多同手性形成。“这是一个适用于所有氨基酸的普遍过程，”波纳说。乔伊斯补充说：“这只是数学。”

后续实验表明了第二种偏见，放大了这种效应。该团队发现，异手性二肽比同手性二肽更快地从溶液中沉淀出来，加速了相对丰富的L,L或D,D同手性对的形成，取决于起始混合物。为什么会出现这种沉淀偏见尚不清楚，布莱克蒙说。然而，乔伊斯说，与其他效应一起，“它完美地符合[实验]数据。”布莱克蒙补充说：“错误的答案变成了让我们达到同手性的正确答案。”

目前，这种推向特定手性的推动仅在二肽中得到了证明。但是布莱克蒙说，初步工作表明，当硫催化剂将短肽缝合成更长的肽链时，同样的偏见过程也在展开。

乔伊斯认为，同样的数学也可能有助于解释生命的遗传分子是如何获得它们的手性的。“这可能发生在所有其他事情上，比如RNA，”他说。也许只是一个统计上的硬币翻转导致了一种原始偏见，形成了一种手性的构建块，乔伊斯说。“但一旦那枚硬币翻转了，它就导致其他硬币翻转。”