揭示生命起源之谜|为什么蛋白质都是“左撇子”？

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2005 年，Science 杂志在庆祝创刊 125 周年之际发布了 125 个推动基础科学研究的最具挑战性的科学难题。其中向化学领域提出了“为什么生命需要手性？”的灵魂拷问。生命的手性起源以及生命演化为什么偏爱单一的手性是探寻生命起源奥秘的两大谜题。生命的核心存在一种偏向，它的起源至今仍是谜。今天，几乎所有构成蛋白质的氨基酸都以镜像形式存在，就像左手手套和右手手套一样。尽管在地球早期这两种形式应该同样丰富，并且可以很容易地在实验室内制造，但生命只选择使用左旋氨基酸。在孕育生命的原始汤假说中，一定有什么因素打破了平衡，使其偏向左旋，并从那时起保持这种形式。

什么是手性？

手性，又称对掌性，是多种学科中表示一种重要的对称特点。如果某物体与其镜像不同，则其被称为“手性的（chiral）”，且其镜像是不能与原物体重合的，就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。手性物体与其镜像被称为对映体（enantiomorph）；在有关分子概念的引用中也被称为对映异构体。可与其镜像叠合的物体被称为非手性的（achiral），有时也称为双向的（amphichiral）。在化学中，若一个手性分子或离子存在于互为镜像的两种立体异构体中，这两个异构体称为对映异构体。它们通常被区分为右旋和左旋，根据其绝对构型或其他一些标准。尽管这两种对映体具有相同的化学性质，但是它们与其他手性化合物反应时表现出不同的化学性质，同时它们通常具有相反的光学性质但其他物理性质相同。两种对映体的等份均匀混合物被称为外消旋物质，它通常在化学和物理上与纯对映体不同。

两种假说解释生命的手性起源之谜

在近几十年里，一些研究人员提出了一个观点，即对生命至关重要的有机分子可能起源于外太空，然后通过陨石迁移到地球上。这个命题得到了 1969 年在澳大利亚默奇森附近发现的一块质量约 100 千克的陨石的支持。对这块陨石的元素分析显示其中含有超过 90 种组成生物体的重要分子，包括氨基酸、糖类、醇类和其他有机分子。此外，大多数检测到的氨基酸分子的手性都是左旋的。

但这种手性是如何在太空中形成的呢？一个假设表明，恒星发射的圆偏振光（CPL）的自旋效应可能是导致这种手性的原因。CPL 可以呈现左旋或右旋的配置，手性分子对这两种光有着不同的吸收能力。它们的吸收能力越强，化学反应就越快。陨石的成分在外太空中长时间暴露于特定手性的 CPL 中，导致左旋和/或右旋有机分子的比例不断积累。在广阔的宇宙空间中，带有过量对映体的有机分子被积聚在宇宙尘埃中，形成彗星和陨石。这些天体最终在接近地球轨道时穿过地球大气层。通过这种方式，最初的手性有机分子被输送到地球上。

另一种“手性诱导自旋选择性”（CISS）假说认为生物分子手性的起源是 CISS 效应的结果。

电子的自旋是一种量子性质，具有两个可能的角动量状态，即“自旋向上”或“自旋向下”。手性分子具有有选择性地吸引基于其自旋方向的电子的能力。具有相同自旋状态的电子将在手性分子的极性点聚积，而具有相反自旋状态的电子将在左旋和右旋版本分子的相应极性处聚集。然而，这种电子的重新分布会影响手性分子与其他分子之间的相互作用。具有相反自旋的电子相互吸引，而具有相同自旋的电子相互排斥。因此，当手性分子靠近磁性表面时，如果它们具有相反的自旋状态，它们将被吸引得更近，如果它们具有相同的自旋状态，它们将互相排斥。

研究人员认为，CISS（电荷注入和空间分离）效应在磁铁矿上导致了分子手性的出现。大约在 18 亿至 37 亿年前，地球在无氧环境中形成了丰富的水下磁铁矿沉积物。地球表面的紫外辐射导致这些磁铁矿中形成自旋极化的光电子。因此，作为 CISS 效应的一个结果，生物有机分子在磁铁矿表面上发生了对映选择性的化学反应，选择了不同的手性有机分子。这一过程最终导致了具有不对称构型的生物分子的产生，如 DNA、RNA 和氨基酸。

为何氨基酸偏爱左手性？

生命起源的偏见，即对特定手性的偏好，一直是科学家们关注的焦点。近几十年来，人们提出了多种解释。例如，有研究表明，可能曾经为早期地球播种的陨石中富含左旋氨基酸，这可能是因为它们的内容物暴露在了偏振光下。另外，早期地球上的磁场也可能对早期生物分子产生了扭曲。但是，即使某种外部力量赋予了初始的偏见，又是什么将其传播开来的呢？

来自英国伦敦大学学院的科学家 Matthew Powner 及其同事的相关研究为回答这个问题提供了线索。近年来，Powner 团队发现了一组可能存在于早期地球的硫基分子，并展示了它们如何轻松地将单个氨基酸与氨基酸前体连接起来形成二肽的过程。二肽在生物体内起着重要的作用，不仅构建功能蛋白质分子，还参与调节代谢、生长和发育等生理过程。更重要的是，二肽分子具有手性。我们已经知道，除了少数动物、藻类和种子植物含有少量右旋氨基酸外，构成地球生命的氨基酸几乎都是左旋构象。由于二肽分子是由单个氨基酸与氨基酸前体连接形成的，其中氨基腈的手性可以通过化学合成方法进行调控。因此，了解二肽手性的起源有助于理解生命分子演化的选择。

Powner 团队在水中合成二肽的反应中与生物体中发现的所有氨基酸共同作用，因此他们的研究为解析第一批蛋白质形成的过程提供了合理的实验途径。然而，Powner 团队并没有检查他们合成的硫基催化剂是否具有手性倾向。

从硫基催化剂到生命的手性选择

然而，Powner 团队并未验证其硫基催化剂是否具有手性偏好。直至 2024 年 2 月，美国斯克利普斯研究所的化学家 Donna Blackmond 及其同事在《Nature》杂志上发表研究报告。他们通过优化反应条件，实现了氨基腈与氨基酸的催化肽键形成反应，得到了两种互为对映异构的二肽产物。这些产物的对映异构体比例，定义为展现不同手性（异手性与同手性）的二肽产物的相对浓度。Blackmond 团队观察了在不同实验条件下（包括单一手性分子、不同手性分子组合及外消旋反应物、不同催化剂）二肽氨基酸对的生成速率，发现该催化肽键形成反应更倾向于生成异手性二肽（即 L 型与 D 型的结合）。在复杂的反应混合物中，观察到对称性破缺、手性放大和手性转移的现象。尽管反应偏向于形成异手性连接，但这种选择性为同手性二肽产物的生成和未反应底物手性富集提供了一种潜在机制。结合动力学计算模拟，该团队预测了催化肽键形成反应将倾向于产生同左旋手性的二肽，与实验数据一致。

虽然目前这种生物有机分子手性推动机制仅在二肽合成中得到证实，但 Blackmond 指出，初步研究显示，在使用硫催化剂将短肽连接成长肽链的过程中，也存在类似的手性选择现象。这一发现为理解生命起源提供了新视角，并为探索其他行星上潜在生命形式的可能性开辟了新思路。

生命与手性

在自然界中，手性现象普遍存在，从庞大的星云到常见的螺旋贝壳，再到双子叶植物的两片子叶和盘绕生长的植物，皆展现出这种特性。科学家们发现，在众多手性现象中，右手螺旋占据了绝大多数，其与左手螺旋的比例大约为 20,000:1。

手性与生命的关系密不可分，它贯穿于生命的产生和演变过程，是生命的基本属性之一。糖类作为生命体的构成要素，也是一种手性化合物。自然界中的糖、淀粉和纤维素，其糖单元大多为右旋的（D-构型）。而构成生物大分子的α-氨基酸，绝大多数为左旋的（L-构型），但由这些氨基酸组成的蛋白质却是右旋的。此外，核苷酸和 DNA 分子的双螺旋结构通常也呈现右手的手性构型。许多与生命活动紧密相关的有机小分子，如甾体激素、生物碱和信息素等，同样大多是手性化合物。由于生命中的蛋白质由手性氨基酸构成，作为药物靶点的蛋白质也是手性的，因此与之相互作用的药物分子也需要具备相应的手性结构。在治疗药物中，手性药物占有一席之地。这些手性药物的不同对映异构体，在生理过程中可能会展现出不同的药理效果。当一种对映异构体具有治疗效果，而另一种却具有有害性质时，情况尤为显著

参考文献

  • [1] A. Guijarro, M. Yus, The Origin of Chirality in the Molecules of Life (RSC, Cambridge, 2009).
  • [2] S. F. Ozturk, D. D. Sasselov, On the origins of life’s homochirality: Inducing enantiomeric excess with spin-polarized electrons. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 10.1073/pnas.2204765119 (2022).
  • [3] B. G€ohler et al., Spin selectivity in electron transmission through self-assembled monolayers of double-stranded DNA. Science 331, 894–897 (2011).
  • [4] R. Naaman, Y. Paltiel, D. H. Waldeck, Chiral induced spin selectivity gives a new twist on spin-control in chemistry. Acc. Chem. Res. 53, 2659–2667 (2020).
  • [5] T. S. Metzger et al., The electron spin as a chiral reagent. Angew. Chem. 132, 1670–1675 (2020).
  • [6] B. P. Bloom et al., Asymmetric reactions induced by electron spin polarization. Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 21570–21582 (2020).
  • [7] R. Naaman, Y. Paltiel, D. H. Waldeck, Chiral induced spin selectivity and its implications for biological functions. Annu. Rev. Biophys. 51, 99–114 (2022).
  • [8] T. S. Metzger et al., Dynamic spin-controlled enantioselective catalytic chiral reactions. J. Phys. Chem. Lett. 12, 5469–5472 (2021).
  • [9] K. Michaeli, N. Kantor-Uriel, R. Naaman, D. H. Waldeck, The electron’s spin and molecular chirality – How are they related and how do they affect life processes? Chem. Soc. Rev. 45, 6478–6487 (2016).
  • [10] S. Mishra, S. Pirbadian, A. K. Mondal, M. Y. El-Naggar, R. Naaman, Spin-dependent electron transport through bacterial cell surface multiheme electron conduits. J. Am. Chem. Soc. 141, 19198–19202 (2019).
  • [11] K. Banerjee-Ghosh et al., Long-range charge reorganization as an allosteric control signal in proteins. J. Am. Chem. Soc. 142, 20456–20462 (2020).
  • [12] D. D. Sasselov, J. P. Grotzinger, J. D. Sutherland, The origin of life as a planetary phenomenon. Sci. Adv. 6, eaax3419 (2020).
  • [13] C. Klein, Some Precambrian banded iron-formations (BIFs) from around the world: Their age, geologic setting, mineralogy, metamorphism, geochemistry, and origins. Am. Mineral. 90, 1473–1499 (2005).
  • [14] I. Carmeli, G. Leitus, R. Naaman, S. Reich, Z. Vager, New electronic and magnetic properties of monolayers of thiols on gold. Isr. J. Chem. 43, 399–405 (2003).
  • [15] G. S. Parkinson, Iron oxide surfaces. Surf. Sci. Rep. 71, 272–365 (2016).
  • [16] B. H. Patel, C. Percivalle, D. J. Ritson, C. D. Duffy, J. D. Sutherland, Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism. Nat. Chem. 7, 301–307 (2015).
  • [17] M. W. Powner, B. Gerland, J. D. Sutherland, Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature 459, 239–242 (2009).
  • [18] F. C. Frank, On spontaneous asymmetric synthesis. Biochim. Biophys. Acta 11, 459–463 (1953).
  • [19] D. G. Blackmond, Autocatalytic models for the origin of biological homochirality. Chem. Rev. 120, 4831–4847 (2020).
  • [20] S. Dutta, A. J. Gellman, 2D Ising model for enantiomer adsorption on achiral surfaces: L- and D-aspartic acid on Cu(111). Entropy (Basel) 24, 565 (2022).
  • [21] 125 questions: Exploration and discovery | Science | AAAS
  • [22] M.Avalos, R. Babiano, P. Cintas, J. L. Jiménez, J. C. Palacios, L. D. Barron, Absolute asymmetric synthesis under physical fields : facts and fictions. Chem. Rev. 1998, 98, 2391–2404.
  • [23] S. F. Ozturk, D. D. Sasselov, On the origins of life’s homochirality: Inducing enantiomeric excess with spin-polarized electrons. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2022, 119:28, e2204765119.
  • [24] M. Deng, J.H. Yu, D.G. Blackmond, Symmetry breaking and chiral amplification in prebiotic ligation reactions. Nature. 2024, 626, 1019-1024.
  • [25] Cotton, F. A., “Chemical Applications of Group Theory,” John Wiley & Sons: New York, 1990.