无机结晶过程对氨基酸的手性识别：非平衡态下的动力学手性

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

矿物往往被赋予神秘的色彩和神奇的功能，也被认为是地球生命起源的重要因素。最近，浙江大学化学系的唐睿康教授（点击查看介绍）课题组提出，自然界中一种非手性矿物可以通过结晶或溶解动力学过程实现对手性氨基酸的识别和分离。这一发现颠覆了化学家对于手性现象的传统认识，提出了非平衡态下动力学手性的新概念，为地球生命演变过程中氨基酸单一手性的形成提出了新假说。

氨基酸的形成被认为是生命起源最重要的起点。氨基酸是手性分子，每一种氨基酸都存在左旋（L）和右旋（D）两种结构，然而在自然界中却只能产生和存在L-氨基酸。著名的“米勒实验”虽然成功模拟原始地球环境获得了氨基酸，但所得到的氨基酸拥有等量的L和D结构，未能反映地球生物化学单一手性这一基本现象。如何获得单一手性的氨基酸始终是生命起源研究的难点，手性的起源更是美国Science 杂志公布的125个重大科学问题之一。过去，人们发现手性矿物可以对氨基酸进行手性分离，但由于这些手性矿物在地球中以L与D等量共存，因此这一假说仍然无法解释地球中生物化学单一手性现象的产生。

浙江大学唐睿康教授课题组发现，手性特征与行为不仅来源于材料的自身结构，而且还可以来源于材料在非平衡状态下的动力学过程。实验结果表明，作为非手性矿物的透磷酸钙（CaHPO₄·2H₂O）在其溶液生长和溶解过程中能够分别表现出对D-和L-天冬氨酸的选择性结合：（1）在过饱和溶液中处于生长状态的透磷酸钙会在其晶体优先富集D-天冬氨酸；（2）在不饱和溶液中处于溶解状态的透磷酸钙则在晶体表面优先富集L-天冬氨酸；（3）在饱和溶液中处于平衡状态的透磷酸钙则不能区分D-和L-天冬氨酸。他们通过原位原子力显微镜观测在纳米尺度证实了透磷酸钙晶体表面在其生长和溶解这两个不同阶段中原有结构对称性出现破损，能够出现相反的手性特征，原因是透磷酸钙在非平衡状态下晶体动力学台阶在前进（生长）或后退（溶解）中会交替出现两种中间态结构（Step-A和Step-B），这两种台阶拥有不同的迟豫寿命，这样在时间维度造成了它们出现几率不对称，诱发形成基于动力学的手性行为。由于这两种中间态分别倾向与D-或L-天冬氨酸优先结合，因此在宏观现象上体现出透磷酸钙晶体在动力学过程中对天冬氨酸具有选择性手性识别与吸附的能力。研究还证实了通过改变晶体动力学状态（溶液的饱和度）就可以在同一透磷酸钙晶体上实现对不同手性选择的切换。该课题组通过大量的重复及对照实验证实了这一现象的可靠性，先后排除了透磷酸钙晶体、氨基酸自身组成以及可能的外部因素等干扰，还基于上述模型体系通过计算模拟成功拟合了实验结果，证实了动力学手性。

巧合的是，透磷酸钙被认为是地球原始海洋环境中最早形成的矿物，曾经大量存在于原始地球环境。但随着原始海洋从酸性向弱碱性的转化，地球上的透磷酸钙在43亿年前到38亿年前一直处于脱矿溶解状态。一般认为，地球上的氨基酸也正是在这一时期开始出现。因此该课题组提出假说，认为处于溶解状态的透磷酸钙矿通过漫长的地质演变过程选择了L-氨基酸，进而可能诱发地球上氨基酸的单一手性现象。

该工作第一次大胆提出了动力学手性的概念，发现非手性晶体材料在动力学过程中会出现对称性破损，促进人们对非平衡态下的手性研究进行重新认识与思考，也为手性分离提供了基于动力学手段的新策略。相关成果发表于Journal of the American Chemical Society，论文的第一作者是浙江大学的江文革博士和潘海华副教授。来自美国Lawrence Livermore国家实验室及Rutgers大学的研究者参与了部分研究。该工作得到国家自然科学基金委的资助(1625105)。

该论文作者为：Wenge Jiang, Haihua Pan, Zhisen Zhang, S. Roger Qiu, J. Dongun Kim, Xurong Xu and Ruikang Tang

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Switchable Chiral Selection of Aspartic Acids by Dynamic States of Brushite

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8562, DOI: 10.1021/jacs.7b03116

唐睿康教授简介

唐睿康，浙江大学化学系教授、教育部长江学者奖励计划特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、中国青年科技奖获得者；1995年获得南京大学基础学科教学强化部学士学位，1998年在南京大学化学化工学院取得博士学位，随后在美国纽约州立大学布法罗分校化学系工作，2005年起就职于浙江大学。研究领域为生物矿化与生物材料，研究工作强调了无机材料体系对有机生命体系的调控作用，代表研究成果有：构建矿化调控体系实现功能材料的仿生制备、基于仿生矿化利用材料开展对生物的功能改进以及利用仿生矿化为肿瘤治疗及传染性疾病防治提供新策略，为生物矿化研究开拓全新的领域；目前在PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. 和Nat. Commun. 等SCI学术刊物上发表论文近150篇，研究成果多次被学术机构及媒体作为研究亮点报道。

http://www.x-mol.com/university/faculty/14397

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：在最初的实验观察中，我们通过原子力显微镜发现透磷酸钙作为一种非手性晶体，其表面的台阶会出现单一取向且在生长和溶解过程中完全相反。我们认为其表面结构可能出现了意外的对称性破损。通过用手性氨基酸对透磷酸钙结晶和溶解进行研究，我们发现D-天冬氨酸对透磷酸钙晶体生长能产生明显的影响，但对其溶解过程的影响可以忽略。相反，L-天冬氨酸在透磷酸钙的溶解过程中起到了主导调控作用，而对其生长却不产生影响。上述实验现象从生物矿化研究角度很好地体现了有机体系对无机结晶的调控，但是逆向思维告诉我们，对无机结晶动力学状态的调控反过来也可以让手性现象“无中生有”，让晶体去区分识别手性氨基酸。其实，我们从一开始就意识到这个课题将是违背化学界传统认识并具有挑战性的，过程会很艰苦，但是我们愿意去接受挑战。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：这项研究的最大挑战就是创新，创新给我们的工作带来了巨大的困难。一个大胆的发现和新概念在最初的提出阶段很难被大家接受或认可。同样地，当我们提出手性行为可通过动力学而不是结构产生时，这一观点在很长时间内被认为是天方夜谭。正如地球上的矿物及生命演变都经历了极其漫长的过程，该论文从最初的投稿到最终发表也经历了长达六年的时间。评审意见从六年前全面质疑，到三年前认为实验结果基本可信，直至最终一致认为实验及分析合理可靠。期间作者、评审人和编辑都经历过反复与漫长的交流讨论乃至激烈的争论。为了排除可能的外来因素干扰，我们还组建国际团队开展了大量的重复和验证实验。从第一次投稿开始，这一工作就在手性研究界内部引发了很大争论，很多领域专家先后参与，有批判也有支持。但也正是通过争论，我们的工作得到了不断的完善和提升。虽然遇到太多困难与挫折，但我们一直秉承着不放弃的精神，坚信实验结果。正是由于这种坚持，我们最终迎来了大家对新概念的认可，实现了科学上的突破。

Q：该研究成果可能有哪些重要应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：我们所提出的动力学手性的概念将会颠覆传统化学对手性的认识，对于理解手性起源具有十分重要的科学价值。特别是我们的研究展示了在非平衡状态下非手性材料有可能会出现对称性破损现象引发的动力学手性，这一发现不仅可以帮助人们更好地探索和理解生命演变过程中的单一手性特征，更能为今后的分子手性分离提供全新的策略和手段。