尿素辅助磷酸化：揭示前生命时期无水热反应条件下醇类磷酸化的高效机制与生命起源意义

《Nature Communications》：A scope of prebiotic neat reaction conditions and the mechanism of urea-assisted phosphorylations of alcohols

为解决前生命时期有机磷酸酯（如磷脂和核苷酸）在缺乏酶催化条件下如何高效形成这一关键问题，研究人员开展了关于“尿素辅助醇类磷酸化”的研究。该研究通过实验证明，在无水、高温（115°C）的“neat”反应条件下，尿素（Urea）能高效促进甘油、单棕榈酸甘油酯（MPG）及核苷等多元醇的磷酸化，其机制涉及尿素热解生成异氰酸（NCO）及无机氨基甲酰磷酸（CPi）作为关键中间体。这一发现为连接海底热液系统与陆地亚空中环境的前生命化学网络提供了关键证据，表明干燥、炎热的环境是生命起源早期关键分子组装的重要场所。

　　

在地球生命起源的宏大叙事中，一个核心谜题始终困扰着科学家：构成生命基石的关键分子，如构成细胞膜的磷脂和携带遗传信息的核酸，是如何在生命出现之前，于严酷的地球环境中自发形成的？其中，磷酸化反应——将磷酸基团连接到有机分子上——是构建这些生命分子的关键一步。然而，在原始地球的水环境中，这一反应在热力学上是极其不利的，因为磷酸基团的水解（释放能量）远比与醇类结合（吸收能量）容易得多。因此，生命起源前的化学家们一直在寻找一种能够提供化学能量、驱动磷酸化反应发生的“燃料”。

长期以来，关于生命起源的舞台存在两种主要假说：一种认为生命诞生于海底热液喷口，那里有丰富的矿物质和持续的能量流；另一种则认为生命始于陆地亚空中（subaerial）的浅水盆地或温泉边缘，那里有周期性的干湿循环，能够浓缩有机分子。这两种假说看似对立，但或许它们并非相互排斥，而是通过物质交换（如大气和潮汐作用）相互补充。然而，一个关键问题在于，陆地亚空中环境通常被认为是“贫氮”的，因为像氨气这样的含氮化合物极易挥发，难以在干燥、炎热的环境中积累。那么，在缺乏高活性含氮化合物的情况下，磷酸化反应还能高效进行吗？

为了回答这个问题，来自法国里昂第一大学的研究团队将目光投向了尿素（Urea）。尿素是一种结构简单、挥发性较低的含氮分子，被认为是前生命时期可能存在的关键化合物。更重要的是，尿素在高温下能够分解，释放出化学能。在这项发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的最新研究中，研究人员Anastasiia Shvetsova等人系统性地探索了在无水、高温的“neat”（纯净物混合）反应条件下，尿素如何辅助多种模型醇类（包括甘油、单棕榈酸甘油酯MPG以及核苷等）的磷酸化反应，并深入揭示了其背后的化学机制。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：

1. 1.
   “Neat”反应体系构建：研究人员将模型醇类（如甘油、MPG、核苷等）与无机磷酸盐（Pi）以及尿素等脱水剂按等摩尔比混合，在60-130°C的高温下进行无水反应，模拟前生命时期陆地亚空中干燥、炎热的环境。
2. 2.
   稳定同位素示踪技术：为了追踪反应路径，研究人员使用了多种同位素标记的化合物，包括¹⁵N标记的尿素、¹³C标记的尿素以及¹⁸O标记的无机磷酸盐（[¹⁸O₄]Pi）。通过分析反应产物中同位素的分布，可以推断出反应中间体和反应机理。
3. 3.
   多维度产物分析：利用核磁共振（NMR，包括¹H, ¹³C, ³¹P NMR）、高效液相色谱-高分辨质谱（HPLC-HRMS）以及二维相关谱（如DOSY）等技术，对反应混合物中的有机磷酸酯、氨基甲酸酯、环状碳酸酯等多种产物进行定性和定量分析。
4. 4.
   量子化学计算：采用密度泛函理论（DFT）和耦合簇理论（Coupled Cluster Theory）等计算方法，对尿素辅助磷酸化反应的可能路径进行理论模拟，计算各反应中间体和过渡态的自由能，从理论上验证实验提出的反应机理。

研究结果

Scope of neat phosphorylation conditions

研究人员首先测试了12种模型醇类在无水、高温（115°C）条件下与不同磷酸盐源（如Pi, cTMP, PPi, SPi）和脱水剂（如尿素、氰胺）的反应效率。结果显示，多元醇（如甘油、MPG和核苷）的磷酸化效率远高于单官能团醇（如十二醇、香叶醇）。其中，尿素（2a）的辅助作用最为显著，能高效促进甘油和MPG的磷酸化，而单官能团醇则几乎不被磷酸化。此外，研究还发现，在核苷的磷酸化反应中，主要产物是2',3'-环状磷酸酯，而非5'-单磷酸酯，这为前生命时期RNA的稳定性提供了新的视角。

Kinetics and mechanism of neat urea-assisted phosphorylation conditions

为了阐明反应机理，研究人员进行了动力学研究和同位素示踪实验。通过使用¹⁵N标记的尿素，他们证实了反应过程中存在异氰酸（NCO）中间体。更重要的是，通过使用¹⁸O标记的无机磷酸盐（[¹⁸O₄]Pi），他们捕获了反应中逸出的气体，并结合量子化学计算，最终证实了反应的关键中间体是无机氨基甲酰磷酸（CPi），而非之前文献中提出的尿素催化磷酸脱水路径。计算结果表明，尿素首先热解生成异氰酸，异氰酸再与无机磷酸盐反应生成高活性的CPi，CPi随后作为磷酸化试剂进攻醇类，生成磷酸酯。

Discussion

综合所有实验结果，研究人员得出结论：在无水、高温的“neat”反应条件下，尿素是一种高效且环境友好的磷酸化“燃料”。它通过分解生成CPi，为多元醇的磷酸化提供了必要的化学能量。这一机制不仅解释了甘油和MPG（磷脂前体）的高效合成，也解释了核苷（核酸前体）的磷酸化。更重要的是，研究人员在反应混合物中观察到了能够自组装形成巨大囊泡（直径10-30 μm）的磷脂前体，这为前生命时期原始细胞膜的形成提供了直接证据。

研究结论与意义

这项研究为生命起源的“亚空中环境”假说提供了强有力的化学证据。它表明，在早期地球干燥、炎热的陆地环境中，尿素作为一种简单而有效的化学燃料，能够驱动关键的磷酸化反应，高效地生成磷脂和核苷酸等生命基石分子。这些分子在周期性湿润的条件下，可以自组装形成原始的细胞膜结构，为生命的出现构筑了最初的物理边界。

更重要的是，这项研究揭示了海底热液系统与陆地亚空中环境之间可能存在的“分工合作”：陆地环境利用其干燥、炎热的特点，高效地“制造”了复杂的有机磷酸酯；而海底环境则可能为这些分子提供了更稳定、更持久的“庇护所”，使其能够进一步演化。因此，生命可能并非诞生于单一的“摇篮”，而是通过陆地与海洋之间的物质交换和能量流动，在两者的协同作用下孕育而生。这项研究不仅深化了我们对生命起源化学过程的理解，也为在宇宙中寻找生命迹象提供了新的思路。