早期地球上富含尿素的温暖小池塘促进了益生元肽的形成

《Bioorganic Chemistry》：Prebiotic peptide formation triggered by urea-rich warm little ponds on early earth

　　

摘要

在生命起源的研究中，氨基酸在水中的聚合形成肽类面临显著的热力学障碍，这通常被称为“水问题”。已经证明尿素与氨基酸之间的反应可以高效地产生氨基甲酰氨基酸（CAAs）；然而，尿素和氨基酸是否可以通过早期的地球化学反应聚合形成肽类仍然不清楚。本研究显示，在温和的碱性条件下（65°C，pH 9.0），等浓度的尿素和氨基酸可以聚合形成肽类。随后的机制研究表明，这一反应可以分为两个步骤：第一步是尿素与氨基酸反应生成氨基甲酰氨基酸；第二步是氨基甲酰氨基酸的N端延伸生成N-羧酸酐（NCAs），然后它们与氨基酸聚合形成肽类；C端延伸则生成2-氨基-5(4H)-噁唑烷酮，后者再与氨基酸聚合形成氨基甲酰肽类。这种双向生长机制已在20种蛋白质生成氨基酸中得到验证，其中肽类是主要产物，而氨基甲酰肽类是次要产物。我们的发现表明，早期地球上的“温暖小池塘”不仅是有机前体的储存库，也是早期地球化学反应的“活跃反应器”，推动了复杂生物分子的预生物学合成。

引言

氨基酸非生物地生成肽类是生命起源的核心原理，为原始生物聚合物的结构和功能奠定了基础。虽然氨基酸在冥王星时代的地球上可能非常丰富——通过彗星或陨石从星际介质中带来（JH等人，2023年）或通过内源性途径如米勒-尤里型火花放电实验合成（Steve，2008年）——但它们聚合形成肽类面临着一个根本的热力学悖论，即“水问题”。在水环境中，氨基酸的缩合在热力学上是不利的（ΔG > 0），且形成的肽键容易发生水解。此外，环状二酮哌嗪（DKPs）的形成往往将氨基酸封闭成稳定的终端产物，阻碍了链的延长。因此，识别能够在水溶液中驱动肽类组装的合理途径仍然是前生物地球化学的主要挑战。

尿素在早期地球上普遍存在。星际或彗星冰在紫外线照射下可以直接产生尿素（M等人，2010年）。在内源性条件下，高速撞击产生的等离子体可以驱动一系列反应最终产生尿素（Ferus M等人，2020年）。尿素的独特物理化学性质包括在早期地球上具有高水溶性，使其能够在“温暖的小池塘”中富集。其水溶液在蒸发或冻结条件下容易形成共晶混合物，从而在早期地球的蒸发池中有效浓缩和储存（C等人，2020年）。温暖的小池塘和蒸发池都代表了早期地球上富含尿素的环境，可以为后续的前生物化学过程提供高浓度的反应介质（B等人，2019年）。最近的实验研究强调了尿素在早期地球前生物化学中的多功能性，主要集中在其参与核酸碱基（DNA/RNA）的前生物合成（Joong Chul，2020年）、核苷的磷酸化和聚合（Gull M等人，2020年）以及原始细胞膜成分的形成（M和P，2016年）。相比之下，关于前生物肽类合成的研究仍然有限。目前，该领域仅报道了关于肽类前体（氨基甲酰氨基酸）的研究[1]，尚未直接证明肽类的形成。

已经证明氨基甲酰氨基酸（CAAs）可以在早期地球的原始水圈（例如原始海洋、湖泊或池塘）中形成。在温暖、碱性且富含尿素的池塘中，氨基酸与尿素高效反应生成CAA [1]。氰酸或氰酸盐也可以作为氨基甲酰化剂，直接与水溶液中的氨基酸反应生成CAA [2]。此外，早期地球原始水圈中的HCHO、HCN和NH₃的反应会产生α-氨基腈 [3]。α-氨基腈在甲醛的作用下可催化转化为α-氨基酰胺，或在二氧化碳的作用下转化为CAA。鉴于原始水圈中的二氧化碳浓度远高于甲醛，CAA是这一反应网络的必然产物。CAA是早期地球上通过两种主要途径进行前生物肽类合成的关键前体。它可以通过N端延伸生成N-羧酸酐（NCAs），NCAs随后通过N端延伸驱动寡肽的形成：在早期地球的温和条件下，CAA通过消除反应分解，释放出氨或氨基酸，形成异氰酸酯中间体，然后环化成NCAs [2]；早期地球上的固态CAA在暴露于气体NO/NO_X混合物（例如4:1的NO/O₂气体混合物）时会发生硝基化，生成NCAs [4]、[5]。在早期地球上，CAA还可以通过C端延伸促进肽类的形成。在这种途径中，CAA在C端羧基处被氰胺（一种碳二亚胺类缩合剂）活化，导致环化成2-氨基-5(4H)-噁唑烷酮，随后被另一个氨基酸或肽的氨基亲核攻击，生成N-氨基甲酰肽（C-Pep），从而实现C端延伸 [6]（示意图1）。

三价铝（Al³⁺）在早期地球硅酸盐矿物（如长石和粘土）的风化以及火山活动中特别常见，并被认为参与了早期地球的各种前生物过程——包括与辅助因子的共催化生化反应（Q等人，2023年）、促进早期地球上的核苷酸磷酸化（E等人，2023年），以及在早期地球粘土矿物中作为催化活性中心（CP和JT，2020年）。值得注意的是，Al³⁺在碱性水溶液中容易水解，形成不溶性的Al(OH)₃沉淀，这限制了其在早期地球碱性环境中的催化潜力。Lyashchenko等人通过实验和理论计算验证，在尿素水溶液中，尿素分子可以完全取代Al³⁺的第一配位层中的水分子，形成完全配位的可溶性复合物[Al(urea)₆]³⁺ [7]。这种可溶性配位复合物在富含尿素的环境中稳定，使其能够在早期地球的碱性条件下保持溶解性。

Gan等人证明尿素可以在早期地球条件下与氨基酸反应生成氨基甲酰氨基酸（CAAs）[1]；然而，没有观察到功能性肽类的形成。本研究模拟了早期地球上富含尿素的温暖小池塘的地球化学环境，旨在探究尿素介导的前生物肽类形成。它建立了一条连续的地球化学进化途径——从尿素丰富温暖小池塘中合成有机前体（CAAs）到CAAs与氨基酸聚合形成肽类——为早期地球水环境中的肽类合成提供了合理的解释。

章节片段

重建反应环境

在反应的初始阶段，我们在Gan等人描述的条件下进行了初步探索性实验（0.01 mmol亮氨酸，5 mmol尿素，65°C，pH 9.0，反应2天）：首先，反应进行了2天；随后分别加入1.0 mM的Fe²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺或Cu²⁺，继续反应4天。反应完成后，使用HPLC-MS分析是否形成了二肽

结论

总之，尿素和氨基酸的反应可以驱动寡肽的形成。早期地球上的前生物“温暖小池塘”含有丰富的尿素。尿素和氨基酸的反应生成了氨基甲酰氨基酸肽前体。氨基甲酰氨基酸随后沿其N端延伸形成肽类，并沿其C端延伸形成N-氨基甲酰肽类。肽类是主要产物，而氨基甲酰肽类是次要产物。

材料

L-亮氨酸（L-Leu）、L-苯丙氨酸（L-Phe）、L-天冬氨酸（L-Asp）、L-组氨酸（L-His）、L-天冬酰胺（L-Asn）和14种其他蛋白质生成氨基酸来自上海麦克莱恩生化科技有限公司。尿素购自Solarbio，亮氨酸二肽购自安徽国平药业有限公司。七水合硫酸镁（MgSO₄·7H₂O）购自山东科源生化有限公司。无水硫酸铁(III)（Fe₂(SO₄)₃）购自...

CRediT作者贡献声明

刘宇琪：撰写 – 原始草稿，可视化，验证，项目管理，方法论，研究。黄少华：撰写 – 原始草稿，可视化，数据分析，概念化。

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作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国浙江省自然科学基金（编号LMS25D030002）、国家自然科学基金（编号22174080、92256203、42388101）、宁波青年科技人才计划（编号2025QL009）、宁波大学高级研究能力建设计划（编号GJPY2025040）、中国科学院空间利用技术工程中心（编号KJZ-YY-NSM0406）、宁波顶尖人才计划（编号215-432094250）的支持。

刘宇琪|黄少华

宁波大学健康科学学院药学系钱学森协同研究中心药物发现技术研究所，中国浙江省宁波市凤华路818号，315211