功能非生物代谢物组装假说：生命起源早期事件的新框架

《Nature Communications》：Functional abiotic metabolite assembly hypothesis for the early events in the origin of life

　　

RNA世界假说为生命 emergence 提供了引人注目的框架，然而，简单非生物分子与复杂功能性RNA聚合物之间仍存在根本性鸿沟。在此，研究人员提出功能非生物代谢物组装假说（Functional Abiotic Metabolite Assembly hypothesis），认为前生命时期丰富存在的简单分子，尤其是氨基酸（amino acids）和核碱基（nucleobases），先于多肽和RNA成为自组织的功能性实体。与在非生物环境中鲜有检出的多肽不同，代谢物类分子在陨石及早期地球模拟实验中易于发现，并能够自组装为有序的类淀粉样（amyloid-like）结构。此类组装体可形成受限的微环境，富集反应物，并支持原始催化功能。此外，金属离子配位的氨基酸可形成具有催化活性的超分子组装体，在严苛条件下加速多种反应，这与金属离子在早期化学演化及现代金属酶（metalloenzymes）中的重要性相一致。研究人员将该假说呈现为一个合理的框架，将前生命小分子与区室化、催化以及更复杂生物系统和演化的出现联系起来。

论文主体内容总结

引言：短肽早于RNA世界，但作为起点存在局限

RNA世界假说认为功能性RNA是早期生物分子，然而，鉴于RNA的复杂本质，其自发产生似乎不太可能。正如Orgel所言，“即使是最小的酶也不可能凭空完整地偶然产生”。这表明，一种更简单、更早的催化剂必然存在。Bar-Nun等人证明了在类早期地球条件下可自发形成具有催化活性的二肽，其方法利用底物作为模板，在前生命缩合剂作用下从简单构建模块生成随机催化剂，最终获得铁配位的二半胱氨酸作为（自）催化剂。这支持了短肽可能在生命起源中发挥核心作用的假说。

短肽凭借其稳健而简单的结构，可能是现代蛋白质的前体。简单肽自发形成有序功能结构的能力最初被应用于纳米技术领域。众所周知，蛋白质可以自组装为有序聚集体，这种正常蛋白质的替代折叠方式启发了从更短序列肽生成此类结构的研究，进而发现六肽和七肽可形成具有催化活性的类淀粉样聚集体。在前生命背景下，Ghadiri等人实验证明了短卷曲螺旋肽可作为自复制模板，将研究焦点从被动的结构聚集转向主动的催化复制。随后，短淀粉样肽（六肽至七肽）的催化活性被广泛探索，并由此提出了生命起源的新假说——淀粉样世界理论（amyloid world theory）。此类组装体可能促进了底物结合和催化，作为环境适应性、自复制的信息传递模板，为早期分子演化提供了理想平台。

在生命起源背景下，多肽和淀粉样结构的重要性促使大量研究考察其在前生命条件下的形成。实验证据表明，基于多肽的淀粉样结构可通过氨基酸缩合形成，包括火山气体羰基硫（COS）介导、二酰胺磷酸盐（DAP）介导或黏土催化等途径。其他方法包括水合-脱水循环、单锅反应或热共聚，可产生寡肽或类蛋白（proteinoids）。尽管在陨石中检测到少量肽类化合物或在星际空间中推断其存在，但即使这些物质也很可能源自更简单的前体。

除催化外，肽聚集体的自复制潜力也可能表明其与生命起源的相关性。生命起源可被理解为复杂化学反应网络的涌现属性，而非单一自复制分子的结果。在该框架中，自复制是集体性的系统层面现象，分子网络相互催化彼此的形成，构成“自催化集合”（autocatalytic set）。Kauffman通过计算模型证明，分子物种间催化相互作用概率的自发涌现存在一个精确阈值（约超过0.003–0.005），表明此类系统在足够复杂的化学混合物中并非罕见，而是在统计上可预期的。这些自催化网络表现出关键的生命样特性：在持续供应基本构建模块的条件下自我维持，并能在系统层面自我繁殖，且本质上具有可演化性。

然而，已报道的自复制肽通常并不很短，至少为八聚体。复制子优先的生命起源观点仍存在争议，因为复制需要复杂分子和预先存在的代谢，从而产生悖论：此类复制系统若无先前分子复杂性便无法产生。

代谢物（氨基酸和核碱基）作为生命元素的选择

如前所述，生命之前的化学演化仍然复杂而神秘。虽然短肽可能参与其中，但其出现的步骤仍不清楚。这在前生命小分子（如氨基酸）与多肽或RNA寡聚体的出现之间留下了概念性鸿沟。氨基酸在陨石、彗尾及可能的星际空间中的广泛存在，以及Miller火花放电实验模拟早期地球条件产生氨基酸的结果，均强调了这些分子的前生命相关性。这些在生物系统中被视为“代谢物”的小分子是细胞代谢和功能的核心。

关于生命起源研究的一个新兴概念基于这些简单非生物代谢物自组装为离散、高度有序的超分子结构的能力。这一现象已通过显微镜、光谱学和X射线衍射分析得到实验证实。这些代谢物表现出与其更复杂对应物（如淀粉样形成肽和蛋白质）相似的生物物理和生物化学特性。在某些情况下，其层状分子取向赋予独特的生物学特征，如在某些物种中观察到的结构色。

基于自组装代谢物的功能特性，近期研究表明，苯丙氨酸等单一氨基酸在与锌（Zn(II)）和铜（Cu(II)）等金属离子配位时可表现出催化活性。这些配合物形成稳定的层状超分子结构，并经晶体学确认，可模拟碳酸酐酶（carbonic anhydrase）和漆酶（laccase）的酶功能。即使不进行自组装，某些单一氨基酸如脯氨酸、半胱氨酸和组氨酸也表现出内在催化活性，表明它们在前生命化学中可能具有操作意义。此类简单分子催化反应的能力，尤其是若具备自催化能力，突显了它们在早期自复制系统中的潜在作用。在此背景下，自组装可作为将反应物拉近的结构基础，促进自催化行为——这是生命起源模型中的基本特征。

基于简单代谢物在古代地球上存在的可能性及其自组装能力，它们可能代表了生命起源难题中的早期缺失环节。研究人员提出功能代谢物组装假说作为一个统一概念，通过提供合理的前生命组织框架来补充现有理论。在此背景下，自然可以联系到“代谢优先”（metabolism-first）假说中的关键要素——原始代谢物和原始代谢。然而，必须明确区分该框架与本假说之间的差异，本假说强调自组装代谢物在生命出现中的结构和催化作用。