化学家发现了地球上早期生命的合理配方

诸平

据物理学家组织网（Phys.rog）2018年1月8日转载来自美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute, TSRI)的消息，该研究所的化学家与其他单位的科学家合作已经为地球上的生命起源提出了一个有趣的新理论。他们的研究成果2018年1月8日已在《自然通讯》(Nature Communications)杂志网站上发表——Greg Springsteen, Jayasudhan Reddy Yerabolu, Julia Nelson, Chandler Joel Rhea, Ramanarayanan Krishnamurth. Linked cycles of oxidativedecarboxylation of glyoxylate as protometabolic analgos of the citric acidcycle. Nature Communications, 2018, 9: 91. DOI: 10.1038/s41467-017-0259-0. Publishedonline: 08 January 2018

Abstract:

Thedevelopment of metabolic approaches towards understanding the origins of life,which have focused mainly on the citric acid (TCA) cycle, have languished—primarily due to a lack of experimentally demonstrable andsustainable cycle(s) of reactions. We show here the existence of aprotometabolic analog of the TCA involving two linked cycles, which convertglyoxylate into CO2 and produce aspartic acid in the presence ofammonia. The reactions proceed from either pyruvate, oxaloacetate or malonatein the presence of glyoxylate as the carbon source and hydrogen peroxide as theoxidant under neutral aqueous conditions and at mild temperatures. The reactionpathway demonstrates turnover under controlled conditions. These resultsindicate that simpler versions of metabolic cycles could have emerged underpotential prebiotic conditions, laying the foundation for the appearance ofmore sophisticated metabolic pathways once control by (polymeric) catalystsbecame available.

此项研究成果是美国福尔曼大学（Furman University）、美国化学进化NSF/NASA中心（NSF/NASA Center for Chemical Evolution）以及TSRI的科研人员合作完成的，其实验结果表明，如今支持生命的关键化学反应，可能是在40亿年前就可能与存在于地球上的某些成分中已经进行反应。参与此项研究的资深作者、TSRI化学副教授Ramanarayanan Krishnamurthy博士说：“这对我们来说就是一个黑黑匣子，但如果你专注于化学，生命起源的问题就会变得不那么令人生畏了。”

对于此项新的研究成果而言，Ramanarayanan Krishnamurthy博士和他的合著者，他们都是美国国家科学基金会/国家航空学和空间管理中心有关化学进化研究（National Science Foundation/National Aeronautics and Space Administration Center for Chemical Evolution）的成员，关注一系列构成柠檬酸循环的化学反应。

从火烈鸟（flamingoes）到真菌（fungi），每一种好氧生物（aerobic organism）都依赖柠檬酸循环来释放储存在细胞中的能量。在之前的许多研究中，研究人员设想，在早期的生命中像当今一样，就柠檬酸循环而言同样参与反应的分子是相同的。

Ramanarayanan Krishnamurthy博士解释说，这种方法的问题就在于这些生物分子是脆弱易碎的，而且在地球的前10亿年里，柠檬酸循环中所使用的化学反应是不存在的，即这些成分根本就不存在。美国福尔曼大学等单位科研人员合作完成的此项新研究，其领导者首先从这些化学反应开始。他们草拟了个反应物配方，然后确定在早期地球上存在的分子可以作为反应的原料。这项新研究概述了两个非生物循环（non-biological cycles），即HKG循环（HKG cycle）和丙二酸盐循环（malonate cycle），是如何能共同启动一个原始的柠檬酸循环的。这两个循环使用的反应与柠檬酸循环中的a-酮酸（a-ketoacids）和b-酮酸（b-ketoacids）的基本化学反应相同。这些共享的反应包括醛醇加成（aldol additions），它将新的来源分子带入此循环，以及b和氧化脱羧（beta and oxidative decarboxylations）反应，它们会释放出CO₂。

当他们进行这些反应时，研究人员发现它们可以产生除CO₂之外还有氨基酸形成，而氨基酸正是柠檬酸循环的最终产物。研究人员认为，随着酶等生物分子的出现，它们可能会在这些基本反应中取代非生物分子（non-biological molecules），从而使它们更加精细和高效。

Ramanarayanan Krishnamurthy博士说：“随着时间的推移，化学变化可能会保持不变，只是分子的性质发生了变化。随着时间的推移，分子的进化会变得更加复杂，这取决于生物学的需要。”福尔曼大学副教授，也是此项研究的第一作者GregSpringsteen博士（Greg Springsteen, PhD）补充说：“现代新陈代谢有一个前体，一个模板，是非生物的。”

使这些反应似乎更加可信的是，在这些反应的中心是一种叫做乙醛酸盐（glyoxylate）的分子，研究表明它可以在早期的地球上出现，并且是今天柠檬酸循环的一部分(被称为“乙醛酸盐循环（"Glyoxylate shuntor cycle"）。

Ramanarayanan Krishnamurthy博士说，还需要做更多的研究，看看这些化学反应如何能像今天的柠檬酸循环那样可持续。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。