氨基酸在环境碱性条件下催化RNA形成的突破性发现及其对生命起源的启示

本研究解决了生命起源中RNA与氨基酸相互催化机制缺失的关键问题。研究人员通过系统探究氨基酸催化核糖核苷-2',3'-环磷酸(cNMP)聚合的化学机制，发现疏水性氨基酸在pH 9-10条件下可促进RNA寡聚体形成100倍以上，显著提高序列多样性并偏好天然3'-5'连接。该发现为RNA世界假说提供了氨基酸-RNA协同进化的直接证据，对理解生命起源的化学基础具有重要意义。

　　

生命如何从简单的化学物质演化而来？这个困扰科学界数百年的问题，其答案可能隐藏在RNA与蛋白质的相互作用中。虽然"RNA世界"假说认为生命起源于能够自我复制的RNA分子，但一个关键矛盾始终存在：RNA需要蛋白质催化其复制，而蛋白质又需要RNA编码其合成。这种"先有鸡还是先有蛋"的困境，使得科学家们一直在寻找RNA与氨基酸之间更原始的相互作用机制。

德国路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表的研究给出了突破性答案。他们发现，在模拟早期地球环境的碱性条件下，常见氨基酸无需其他化学激活剂就能显著促进RNA的形成。这一发现不仅填补了生命起源理论的关键空白，更揭示了氨基酸可能在生命出现之前就扮演着RNA合成的催化剂角色，将生命两大基础物质的进化时间线大幅提前。

研究团队采用多学科交叉方法：通过高效液相色谱-电喷雾飞行时间质谱(HPLC-ESI-TOF MS)定量分析寡聚体产物；利用³¹
P NMR测定磷酸二酯键连接方式；结合量子化学计算、经典分子动力学和从头算分子动力学三种计算方法阐明催化机制；系统考察pH值、温度、氨基酸类型等变量对反应的影响。

"氨基酸催化RNA寡聚化的效应"部分显示，在pH 10的干燥条件下，疏水性氨基酸（缬氨酸Val、亮氨酸Leu、异亮氨酸Ile）使cCMP、cAMP、cUMP和cGMP的寡聚化产率分别提高122倍、49倍、6.8倍和1.5倍。尤其值得注意的是，原本反应活性最低的cCMP在Val存在下可形成长达7个核苷酸的寡聚体，而对照组仅能检测到微量三聚体。31P-NMR分析证实，氨基酸催化产生的RNA中天然3'-5'连接比例显著提高（oligo-U达66%）。

"影响RNA寡聚化效率的因素"揭示了pH依赖性的双峰曲线：催化效率在pH 9-10达到峰值，恰与氨基酸胺基的pK_a
^H
值（如Val为9.6）重合。动力学实验表明，Val催化的cCMP聚合初始速率在此pH范围最快，支持"酸碱协同催化"机制：胺基作为广义碱夺取5'-OH质子，同时铵离子作为广义酸质子化离去基团。浓度实验显示20mM氨基酸可达饱和催化效果，过量反而因自结晶降低效率。

"氨基酸选择性机制"通过理论模拟得到阐释。分子动力学显示高效催化剂（Val/Leu/Ile）的氨基更易与环磷酸形成氢键（N...O距离<3.5?），且疏水侧链促使反应中心局部脱水。量子化学计算排除了介电常数差异的影响，表明催化差异主要源于空间定位效应。这解释了为何芳香族氨基酸（如苯丙氨酸Phe）催化效果不如脂肪族氨基酸。

"增强的序列多样性"是研究的另一重要发现。在cA/UMP共聚中，Val使序列分布更接近随机统计（如A₂
U浓度是AAA/UUU的三倍）。对于全碱基系统（G/C/A/U），Val使GGGG产率降低3倍，而含其他碱基的序列（如GGHH）提高4-8倍。这种"去G偏好性"修正了碱性条件下cGMP自催化的序列偏差，为后续模板连接复制提供了必要的序列多样性。

研究结论指出，氨基酸通过酸碱催化机制显著提升RNA寡聚化的效率和保真度，同时解决了两大关键问题：一是克服了非酶促RNA合成中的序列限制，使所有四种碱基都能有效掺入；二是产生的2',3'-环磷酸末端可直接用于模板连接复制。这些发现支持了火山地热环境（周期性干湿循环、pH 9-10淡水）作为生命起源场所的合理性，其中疏水性氨基酸的富集与催化功能形成正向反馈。该研究首次在分子水平建立了氨基酸与RNA的双向催化关系，为理解遗传密码的起源提供了化学基础，将"RNA-蛋白质共生"的进化节点大幅前移。

这项工作的重要意义在于，它不再将RNA和氨基酸视为生命起源中独立的进化路径，而是揭示了它们之间深刻的化学互作网络。就像拼图的最后一块关键碎片，这项发现让我们得以窥见生命如何从简单的化学反应中涌现——不是通过偶然的单独进化，而是通过分子间的协同与互惠。这种视角的转变，可能将彻底改变我们对生命起源的认识方式。