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生命起源新发现 | 早期的“多肽”竟可以在没有氨基酸的情况下形成

伦敦大学学院(UCL)的一项新研究发现,多肽作为生命的基本组成部分之一,可以由氨基酸的原始前体在类似于原始地球的条件下形成。


艺术化的肽链分子


这个发表在《自然》杂志上的发现,可能是生命最初形成之谜中缺失的一块。


“多肽是氨基酸链,是地球上所有生命不可或缺的元素。它们形成蛋白质结构,作为生物过程的催化剂,但它们本身需要酶来控制氨基酸的形成。”该研究的主要作者,伦敦大学学院化学教授Matthew Powner解释说。


“所以我们遇到了一个典型的先有鸡还是先有蛋的问题——最初的酶是如何产生的?”


Matthew Powner和他的团队已经证明,氨基酸的前体(称为氨腈),利用它们自身固有的反应活性,以及原始环境中其他分子的帮助下,可以很容易地有针对性地在水中转化为多肽。


鲍纳博士说:“许多研究人员都试图了解多肽最初是如何形成以帮助生命发展的,但几乎所有的研究都集中在氨基酸上,导致它们前体的反应性被忽视了。”


前体(氨基腈),需要严酷的条件,通常是强酸或强碱,才能形成氨基酸。随后氨基酸必须充满能量才能合成多肽。研究人员发现了一种方法来绕过这两个步骤,直接从富含能量的氨基腈中制造多肽。


他们发现氨基腈类化合物具有天然的反应活性,比氨基酸更容易地在水中形成肽键。该团队确定了一系列简单的反应,将硫化氢与氨基腈和另一种化学底物铁氰化物结合,生成多肽。


硫化氢介导氨基腈形成肽链 (via doi:10.1038/s41586-019-1371-4)


“控制合成,以应对环境或内部刺激,是代谢调节的一个重要的元素,因此我们认为多肽合成可能是参与生命早期进化的自然循环的一部分。” 该研究的第一作者、伦敦大学学院的Pierre Canavelli教授说。


在实验中,作为底物帮助形成酰胺键的分子在火山活动中被释放出来,这些分子很可能存在于早期地球上。论文共同作者伦敦大学化学学院Saidul Islam教授表示:“这项研究首次证实了,多肽的形成不需要使用水中的氨基酸,而是在原始地球上可能存在的相对温和的条件下进行的。”


由于酰胺键的形成对许多具有重要商业价值的合成材料、生物活性化合物和药物都至关重要,这一发现可能对化学合成领域也有帮助。这项研究中使用的方法在化学上是非常规的,但它遵循的是一种连接多肽的途径,这些多肽模仿生物过程,而不像化学实验室中更常用的多肽生成途径,它们运行在相反的方向,需要浪费许多昂贵的试剂。


研究小组正在进一步研究,利用氨基腈寻找其它合成多肽的途径,并研究他们的实验所产生的多肽的功能特性,以便更好地理解40亿年前这些多肽是如何帮助生命开始的。


参考文献:


1. Origin of life insight: Peptides can form without amino acids. https://www.sciencedaily.com/releases/2019/07/190710132019.htm

2. Pierre Canavelli, Saidul Islam, Matthew W. Powner. Peptide ligation by chemoselective aminonitrile coupling in water. Nature, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1371-4.

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