氨基酸侧链识别驱动的相行为与通路选择性寡聚化：探索生命化学起源的关键进展

本文聚焦氨基酸侧链识别与组装，通过非生物系统模拟生物原理（如酰基转移、液 - 液相分离（LLPS）），实现氨基酸衍生物的选择性寡聚化。研究为原细胞行为提供模型，有助于理解生命起源化学过程，对构建非生物反应网络意义重大。

　　

研究背景

氨基酸作为生命的基本组成部分，在蛋白质和酶的形成中起着关键作用。在生物系统里，DNA 编码的信息通过精确的过程转化为蛋白质，这一过程涉及氨基酸的激活、识别和组装，由氨酰 - tRNA 合成酶等复杂生物机器参与。然而，在没有酶的情况下，氨基酸如何自我组织和选择性组装，以及实现这些过程所需的基本成分是什么，仍是未解之谜。

液 - 液相分离（LLPS）是一种能够组织生物分子的机制，在合成系统中也被用于控制生物分子的组装。在肽类物质中，其相分离倾向受结构组成影响，例如富含芳香和脂肪族残基的长序列可增强疏水和芳香堆积相互作用，促进稳定的相分离结构形成；而极性残基作为间隔物则会影响组装行为。此前的研究虽利用 LLPS 系统开展了诸多应用，但单体尚未能同时作为反应底物和 LLPS 诱导成分。本研究旨在探索简单的非生物系统能否实现氨基酸侧链识别和组装，为理解生命起源相关化学过程提供线索。

研究方法

研究人员以 C 末端修饰的氨基酸为模型系统，使用氨酰磷酸酯作为生物氨酰 - AMP 的合成类似物，研究激活氨基酸的行为。通过促进酰基转移反应生成氨酰苯酯，随后观察其组装形成液滴的过程。利用多种分析技术，如超高效液相色谱 - 质谱（UPLC - MS）监测反应进程，共聚焦显微镜观察液滴形成和组装结构，荧光光谱分析分子环境的疏水性等，探究不同因素对酰基转移、自组装和寡聚化的影响。

研究结果

1. 酰化驱动的相分离：研究发现，氨酰磷酸酯可提高氨基酸侧链的溶解性并降低水解速率，有利于肽键形成。酰基转移反应生成的酚酯能引发自组装形成液滴，且该过程受氨基酸侧链化学性质、亲核试剂的物理化学性质以及所得酯的自组装倾向影响。例如，4 - 甲氧基苯酚作为亲核试剂时，多数氨酰磷酸酯能促进酯形成和相分离，而亲水性较强的亲核试剂如 Ac - C 虽能形成硫酯，但不诱导液滴形成。通过实验还确定了不同氨基酸侧链酚酯的稳定性与半衰期相关，如 Nal - 酯半衰期最长，V - 和 cF - 酯半衰期较短。此外，实验证明相分离与酚酯相关，且体系的相分离结构符合贴纸 - 间隔模型。
2. 定向延伸的途径依赖性寡聚化：研究人员探究了氨基酸侧链结构变化对寡聚化途径的影响。在溶液中，侧链对寡聚化途径影响较小，但将寡聚化反应与自组装诱导反应循环耦合后，可实现基于侧链性质的途径选择。肽链可通过 C - 延伸和 N - 延伸两种途径生长，不同途径产生的寡聚体分布不同。在碱性条件下，磷酸酯和酚酯通常偏好 N - 延伸形成线性寡聚体，但液 - 液相分离的酚酯体系中，由于水解产物浓度较低，反应更倾向于 C - 延伸，从而增加环状二聚体的形成。例如，添加 4 - 甲氧基苯酚后，含芳香和脂肪族残基的体系更易形成环状物种，而不含相分离的体系（如 VEP 和 cFEP）则以 N - 延伸为主，不受 4 - 甲氧基苯酚影响。同时，浓度对酯和液滴形成也有影响，较低浓度时，液滴形成消失，途径选择从结构驱动转变为条件依赖。
3. 通过自调节隔室选择同型与异型序列：在二元系统中，研究人员发现 NalEP 与其他氨酰磷酸酯混合时，Nal - 酯液滴不仅能自我识别，还能选择性稳定含芳香和疏水侧链的酯（如 F - 和 V - 酯），而带负电荷的 cF - 酯则不兼容，留在溶液中。通过荧光光谱和离心实验等进一步证实了这种选择性相互作用。此外，液滴的形成还能调节寡聚化途径，促进同型寡聚化。例如，在 NalEP 与 cFEP 的混合体系中，加入 4 - 甲氧基苯酚后，由于空间分离，Nal - 含分子在液滴内同型寡聚化，而 cF - 富含物种在溶液中寡聚化，导致同型寡聚体比例增加。类似现象在其他氨基酸组合（如 WEP 与 AEP 或 cFEP）中也有观察到，表明相分离和途径选择性适用于天然和非天然氨基酸。
4. 相分离导致的宏观聚集和抗寄生性：研究人员研究了自组装结构在竞争性氨酰磷酸酯混合物中的弹性和选择性。当 NalEP 与 4 - 甲氧基苯酚形成液滴后，加入其他氨酰磷酸酯（如 cFEP、VEP 和 FEP），会形成宏观聚集体。聚集体内部主要是 Nal - 含物种，且随着时间推移，Nal - 酯逐渐转化为 Nal_n同型重复的线性和环状寡聚体，而溶液相则主要由其他成分的寡聚体组成。即使 Nal - 含寡聚体积累，聚集体仍保持结构完整。类似的宏观行为在其他芳香氨基酸（如 WEP）体系中也被观察到，证实了芳香侧链在驱动相分离、稳定酯、调节寡聚化途径和富集特定氨基酸残基方面的重要作用。

研究讨论

本研究构建了一个简约的化学系统，其中氨基酸侧链编码识别和组装途径，类似于生物系统中肽延伸的基本原理。通过酰化驱动的相分离，实现了氨基酸识别、激活和反应性等过程，这些过程在生物体内通常由酶介导。芳香残基在选择性组装中起关键作用，即使存在竞争酯，其形成的液滴仍能维持内部化学环境并排除不相容残基。同时，本研究强调了中间酰基转移在决定途径选择性方面的关键作用，为构建更复杂的反应网络奠定了基础。未来研究可探索替代残基（如 β - 氨基酸或三肽），引入多种前体，以进一步揭示新的组装机制，拓展对氨基酸识别和反应网络的理解，为生命起源化学和合成生物学研究提供更多思路。