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生命的同手性如何起源?RNA前体在磁性物质表面的结晶很关键

在现代地球上的生命体内,绝大多数的氨基酸为L型氨基酸,而核苷酸为D型核苷酸,这被称为生命的手性均一性或生命的同手性(homochirality)。那么生命体同手性是如何起源的呢?针对这一问题,最近Science Advances 在线发表了美国哈佛大学Dimitar Sasselov教授课题组与英国剑桥分子生物学实验室(MRC – Laboratory of Molecular Biology)John Sutherland教授课题组合作的研究论文。他们揭示了在磁铁矿的表面,由于手性诱导自旋选择性效应(CISS effect),不同的磁场方向可以选择性的结晶不同手性的核苷前体。从而,核苷前体的前生源结晶具有手性均一性,利用手性均一的核苷前体继续合成的核酸也能够具有手性均一性,而以核酸为基础的与氨基酸的反应可以得到手性均一的氨基酸,进而达到生命的同手性起源。


在之前的研究中,为了解释生命的同手性起源,人们研究了不同的对称性破缺机制引起的同手性起源,例如由于宇称破缺能量差引起的对称性破缺、表面选择性吸附引起的对称性破缺、圆偏振光引起的对称性破缺等其他因素引起的对称性破缺。但是,这些对称性破缺机制所导致的同手性起源的物质与生命起源相距甚远,或者对称性破缺机制能够引起的差异太小,无法达到一个宏观上的同手性起源。除此之外也有人提出了各种不同的同手性扩大机制。还有人综合两者,例如Viedma熟化通过引入对称性破缺元素并且结合同手性扩大机制达到同手性起源,但是这一机制只对在溶液中可消旋的化合物且该化合物可自发得到单一手性的晶体起作用。Blackmond课题组利用引入单一手性的脯氨酸来引导RNA前体的同手性结晶,但是她并没有提出一个很好的机制得到单一手性的脯氨酸。


电子自旋与分子的手性可以通过手性诱导自旋选择性效应紧密的联系在一起。早期的研究表明,当电子穿过手性分子时,电子的自旋会发生极化,而根据手性分子的手性不同,电子的自旋极化方向也不同。反之亦然,当物体表面存在一定极化方向的电子时,在物体表面会累积特定手性的手性分子。最新的研究结果表明,在物质的表面如果存在不同极性的磁场,因此物质表面的电子就会存在一定的极化方向,手性诱导自旋选择性效应便会影响手性分子在此磁性表面的累积,而这种影响并不需要电子的转移。更有意思的是,即使是在非手性物质的表面依然有此现象(Sci. Adv.20228, eabq2727)。另外,在早期地球表面的闭合盆地内的湖泊中,随着水分的蒸发会留下大量亚铁磁性的沉积岩,例如磁铁矿、硫复铁矿。这些矿物可以提供一个稳定的磁性表面(PNAS2022119, e2204765119),从而可以存在手性诱导自旋选择性效应,进而影响手性分子在磁性表面的富集。


核糖核酸(RNA)在生命起源过程中起到了很重要的作用。第一,RNA的碱基序列顺序可以作为遗传信息通过复制延续到后代。第二,RNA的碱基序列顺序可以影响RNA的折叠及其二级结构,进而影响它的催化能力。由于不同手性的RNA无法相互通过碱基配对,所以混合手性的RNA是不能够作为遗传信息复制的。也就是说,实现同手性糖骨架RNA的前生源合成是这两者的基础。并且由于之前的研究表明,一旦RNA的手性固定了,氨基酸的手性可以通过氨基酸与RNA的相互反应所确定(JACS2021143, 11836; JACS2022144, 4254)。因此,生命的同手性起源问题就可以简化为如何得到手性均一的核苷。


Sanchez和Orgel在50年前通过试验证明了D-核糖氨基噁唑啉(D-RAO, D-ribo-aminooxazoline)作为前生源核苷前体可以合成α-胞苷,但是无法高产率的翻转成为自然界所利用的β-胞苷(J. Mol. Biol., 197047, 531)。他们利用核糖和氨基氰作为原料,但到目前为止,并没有任何一种前生源合成的合成方式可以得到大量的手性单一且高产率的核糖。有趣的是,他们发现RAO是一种很容易结晶的物质,随后Joyce课题组报道了RAO的结晶行为。从外消旋的RAO水溶液中,RAO可以结晶出簇状的孪晶,并且每一簇都是手性均一的(JACS2004126, 9578)。随后Sutherland课题组展示了高产率的RAO前生源合成。在这一合成中,可以得到8种不同的五碳糖氨基噁唑啉,而其中D-和L-RAO的溶解度为最低,很容易通过结晶的方式与其他物质分离(Angew. Chem. Int. Ed.200645, 6176)。更重要的是,D-RAO是四种核糖核苷及两种脱氧核糖核苷的共同前体(Nat. Chem., 20179, 303; Nature2020582, 60; JACS2021143, 14482)。综合以上所有信息,对于生命的同手性起源这一问题,需要解决的就是如何从外消旋的五碳糖氨基噁唑啉混合物中选择性地得到D-RAO这最后的问题了。

图1. 在磁铁矿表面的RAO结晶的实验装置


为了从实验上证明手性诱导自旋选择性效应可以解决D-RAO选择性结晶的问题,本文作者在硅基底上合成了磁铁矿。之后将合成好的磁铁矿置于培养皿内,培养皿内放置待结晶的母液。在培养皿的下方放置一块磁铁。通过对磁铁极性的控制可以控制磁铁矿与母液接触面的磁场方向,进而影响不同手性RAO的结晶(图1)。当作者在这一装置中放置了65 mM的外消旋RAO水溶液并静置一段时间之后,在磁铁矿的表面得到了很多RAO晶体,其中有针状晶体也有钻石形晶体。当放置时间较短时,主要是钻石形晶体。而随着时间的延长,这些晶体表面出现孪晶,并生成更多的针状晶体。通过对这些晶体进行圆二色谱以及X射线单晶衍射检测,发现每一个单一的钻石形晶体都是单一手性的RAO。但是针状晶体的每一个单独的臂都是手性单一的,而整体却并不是。随后作者对所有的晶体进行整体的圆二色谱检测,结果表明从外消旋的RAO出发,随着磁铁矿表面磁极的不同,可以得到很明显的不同手性的RAO的结晶。当不放置额外磁铁时,此时的RAO晶体并没有显示出手性富集,当外置磁铁北极朝上时(表1,试验1~4),得到的RAO晶体中含有平均25%过量的D-RAO晶体;而外置磁铁南极朝上时(表1,试验5~7),得到的RAO晶体中含有平均20%过量的L-RAO晶体。如果在培养皿内部不放置磁铁矿,只放置无法被磁化的单晶硅时,因为单晶硅的电子并不会产生自旋极化现象,所以也不存在手性诱导自旋选择性效应,因此无论培养皿下方的磁极如何放置,均无法得到很明显的某一种手性富集的RAO晶体(表1,试验8~11)。由于在磁铁矿表面上对外消旋RAO溶液进行结晶可以得到手性不均一的RAO晶体,作者进而利用同一的磁铁矿表面,对刚得到的手性不均一的RAO晶体进行了重新溶解并重新结晶。这一次得到了ee%接近100%的单一手性的RAO晶体(表1,试验12~13)。

表1. 不同磁场方向中,磁铁矿或硅表面上外消旋RAO水溶液的结晶行为。


在前生源化学条件下,最有效的RAO的合成是以甘油醛和2-氨基噁唑作为原料进行的。这一反应会得到8种五碳糖氨基噁唑啉,其中有D-、L-阿拉伯糖氨基噁唑啉(D-、L-AAO),D-、L-核糖氨基噁唑啉(D-、L-RAO),D-、L-木糖氨基噁唑啉(D-、L-XAO),以及D-、L-来苏糖氨基噁唑啉(D-、L-LAO)。在这个混合物中,两种构型的RAO的总产率可以达到42%。将这一混合物放在磁铁矿表面进行结晶,可以得到单一手性的RAO棒状晶体,莲座状(rosette-shape)RAO晶体,以及外消旋的碎屑状(flaky)RAO晶体(图2)。由于对每个单一的莲座状的晶体进行整体的圆二色谱分析,并没有得到一个确定结论,因此作者推断莲座状的RAO晶体的每一个单独的臂的手性均不相同。随后作者将得到的莲座状晶体的每一个单独的针状臂取下进行X射线衍射分析,发现莲座状晶体每一个单独的针状臂都是单一手性的RAO晶体,由于D-和L-针状臂的比例在每个莲座状晶体上都不一样,因此导致莲座状晶体整体的手性无法确定(图3)。针对于莲座状晶体出现的原因,作者推断是由于其他的某一种或者几种五碳糖氨基噁唑啉引起了RAO结晶行为的改变。随后作者将各种五碳糖氨基噁唑啉和RAO进行单独的混合,最终发现XAO可以改变同手性RAO的结晶行为。并且随着氨基噁唑啉整体浓度的提高,莲座状晶体的数量也会增多,因此,当甘油醛和2-氨基噁唑浓度较低时,在磁铁矿表面并不会出现的莲座状晶体,因而可以得到更多的单一手性的RAO晶体。这些单一手性的RAO晶体可以通过在磁铁矿表面的重结晶而达到同手性起源。

图2. RAO在磁铁矿表面结晶的示意图以及不同形貌的RAO晶体。


图3. 莲座状RAO晶体以及通过X射线晶体衍射确定的每一个单独臂的手性


虽然之前的文章中同样有人利用手性诱导自旋选择性效应来实现氨基酸的同手性结晶。但是为了解决同手性起源问题,必须同时解决至少19种氨基酸同手性结晶,这是无法做到的,因为并不是所有的氨基酸都可以从混合溶液中得到单一手性的晶体(conglomerate)。另外,对于氨基酸的结晶,之前的报道中只有天冬酰胺和谷氨酸的盐酸盐在高浓度的盐酸溶液中才能得到ee值很小的混合手性晶体。这并没有从根本上解决生命的同手性起源问题。在这篇文章中,作者展示出了一个非常有效的地球上同手性起源的路径。地球自身的磁场可以影响磁铁矿的磁场方向,RAO作为RNA的前体,在手性诱导自旋选择性效应的影响下,在磁铁矿表面选择性结晶,得到手性单一的RAO(图4),进而通过一系列化学反应得到手性单一的核苷,最终聚合成为单一手性的RNA。而单一手性的RNA又可以影响同手性多肽的合成。最终达到地球上生命体的同手性起源。

图4. 在蒸发湖附近形成的磁铁矿沉积表面可以在地球磁场的影响下产生手性诱导自旋选择性效应,进而影响核酸前体的选择性结晶。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Origin of biological homochirality by crystallization of an RNA precursor on a magnetic surface

S. Furkan Ozturk, Ziwei Liu, John D. Sutherland, Dimitar D. Sasselov

Sci. Adv., 2023, DOI: 10.1126/sciadv.adg8274


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