“枕石漱流” — 破解核糖起源之谜

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（Science, 2004, 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（Science, 2010, 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，海底热泉（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。

图3. “黏土–金属”模型对应的地球化学环境

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。成果发表于Chem，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。