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南京大学王晓课题组CRPS:N9嘌呤核苷的前生物合成及其绿色化学启示

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,即在生命出现之前,原始RNA可同时作为催化剂和遗传物质。原始RNA的前生物合成(Prebiotic Synthesis)包括核糖的形成、碱基的合成、糖苷键的生成、磷酸化以及核苷酸的聚合。在所有步骤中,糖苷键的生成是一个近五十年来悬而未决的难题。它的挑战在于,所有经典的核糖-嘌呤缩合条件都无法选择性地生成N9核苷,因N9位的亲核性远弱于6-氨基(腺嘌呤)或2-氨基(鸟嘌呤)。


意大利化学家Saladino和Di Mauro于2015年报道了质子辐照引发的自由基糖苷化,得到了数量较多的N9嘌呤核苷。然而,质子辐照在原始地球上是否具有普遍性尚未被证实。如存在更普适的、能够引发自由基的自然条件,则嘌呤核苷的N9选择性问题将会得到合理的解释。空化(Cavitation)是液体内局部压力降低时,空泡形成并随即溃灭的现象。在溃灭的瞬间,最高可产生5000 K的高温和500 atm的高压,足以引发水分子的均裂,生成H和OH自由基。在水高速流经尖锐物体时,如受到较大剪切力的作用,即可发生空化。这种现象在自然界非常普遍,如瀑布、降雨、海浪冲击礁石等(图1)。

图1. 原始地球上可能引发空化效应的场景


南京大学化学化工学院王晓点击查看介绍)课题组以生命起源研究和仿生合成为基础,以流动化学(Flow Chemistry)等前沿技术为工具,关注并发展含C–N键官能团的绿色合成,如催化酰胺化反应(Nat. Catal., 20192, 98-102)。近期,该课题组深入研究了嘌呤类核苷的前生物合成,发现了空化效应对于嘌呤糖苷化N9选择性的促进作用。相关成果以发表于Cell Press旗下期刊Cell Reports Physical Science


这项工作首先通过测定不同功率超声作用下的N9核苷总产率、6-amino(即N10)缩合产物总产率以及两者比值,揭示了空化强度对产物分布的影响(图2)。机理研究方面,借助羟基自由基荧光探针TA,证明了空化作用下OH自由基的存在,并通过对比实验证实了糖苷化的自由基机理。此外,还模拟了原始地球的季节性干湿循环。在超声的作用下,一个干湿循环后的N9/6-amino比值已高达0.45;如此高的产物比例尚属首次报道。

图2. 不同空化强度对嘌呤核苷产物分布的影响(红:无超声;蓝:800W超声池;绿:1000W超声振子)


为探索更为普适的前生物合成条件,王晓团队借助连续流化学技术和微通道反应器,模拟水力空化(Hydrodynamic Cavitation)作用下空泡的形成和溃灭,同样观测到了N9产率的提高。水力空化效应虽然不及超声显著,但通过长年累月的不断作用,依然会相当可观(图3)。这项研究对于生命起源的意义在于,它首次证明了N9嘌呤核苷可以在一类普遍而不太苛刻的自然条件下形成并富集。同时,它也是一个以水分子作为“催化剂”的反应,为实现绿色糖苷化提供了新思路。

图3. 借助连续流技术和微反应器模拟水力空化作用


王晓副教授为本文通讯作者,研究助理叶尔森•帕特合别克、2020级博士研究生赵泽润、2017级硕士研究生王苏为并列第一作者。团队特别感谢南京大学化学化工学院张志炳教授在空化效应方面的建议和指导,同时感谢诺贝尔生理学或医学奖得主、哈佛大学医学院Jack Szostak教授在RNA World假说方面的建议和帮助,感谢以色列本古里安大学Yehuda Zeiri教授在空化作用理论计算方面的建议。


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):

Cavitation as a plausible driving force for the prebiotic formation of N9 purine nucleosides

Yeersen Patehebieke, Ze-Run Zhao, Su Wang, Hao-Xing Xu, Qian-Qian Chen, Xiao Wang

Cell Rep. Phys. Sci., 20212, 100375, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100375


导师介绍

王晓

https://www.x-mol.com/groups/wangxiao 


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