东京工业大学蚁瑞钦研究员JACS Au封面文章:从葡糖酸出发探索无酶环境下的原始糖代谢

近日，日本东京工业大学地球生命研究所的蚁瑞钦研究员在JACS Au上发表了一篇题为“Carbonyl Migration in Uronates Affords a Potential Prebiotic Pathway for Pentose Production”的新研究。该成果报道了如何以葡糖醛为原料在无酶条件下通过一系列的化学反应（氧化-羰基转移-β脱羧-异构化）生成包括核糖在内的4种戊糖。该反应所形成的戊糖是生物体中重要的组成物质（核糖可作为RNA的骨架），并且所采用的反应路径与现代生物糖代谢过程（磷酸戊糖途径生成5-磷酸核糖）类似。该研究为后续探索原始生命体的新陈代谢和其演化过程提供了重要的参考。论文通讯作者为蚁瑞钦，Ramanarayanan Krishnamurthy以及Charles L. Liotta；第一作者为蚁瑞钦。

现代生物糖代谢主要通过各种生物酶的催化作用进行单糖的合成和分解，为生命体提供用于合成核糖核酸，脂类、氨基酸所需的前驱体和能量，例如著名的磷酸戊糖途径。但在生命诞生之前，并无生物酶的存在，因此普遍认为形成原始生命所需的单糖很可能是通过非生物方式产生的，即由无机物在原始地球环境的影响下通过化学演化而来的。目前所发现的非生物单糖合成方式主要有两种：克利安尼－费歇尔合成和聚糖反应。但在所有已知的生物系统中并未发现与上述两种非生物单糖合成方式类似或者与之相近的生物单糖合成机制。这说明原始生命可能不是直接采用上述两种非生物方式进行原始糖代谢，因为如果有，即使发生生物进化，非生物方式合成机制理应会被后代部分保留和继承，但目前并未发现任何与之相关的生物痕迹。那么原始生命是如何完成最初的糖代谢？

结合上述研究背景，我们可以勾绘出原始糖代谢可能具有的基本形貌：原料应来自于非生物合成方式且能够富集，同时整个代谢过程应在无酶条件下完成且（从进化继承角度上）其反应机制应与现代生物糖代谢相似或部分相近。本研究以葡糖酸（其中一种醛糖酸）为原料在无酶条件下再现了与现代生物糖代谢（磷酸戊糖途径）相似的戊糖合成新路径（图1左）。该反应路径满足原始糖代谢所需的基本要求：首先，原料-醛糖酸是非生物单糖合成（聚糖反应和克利安尼－费歇尔合成）中最主要的副产物之一，同时与单糖对比，醛糖酸稳定性更高，更易于在原始地球环境中进一步富集。而且在碳质陨石中也发现了大量的醛糖酸，包括葡糖酸，这说明醛糖酸有可能通过陨石运载的方式转移到原始地球。其次，所采用的反应机制与现代生物糖代谢类似，且反应条件温和。我们都知道现代生物糖代谢中的磷酸戊糖途径（图1右）主要通过生物酶氧化磷酸化葡糖酸形成3-酮-6-磷酸葡糖酸中间体，然后该中间体经β脱羧和异构化生成5-磷酸-核糖。然而某些细菌可以直接通过利用未磷酸化的葡糖酸进行相似的糖代谢，这说明现代生物糖代谢极有可能一直沿用原始糖代谢所使用的方式，而后续生物酶的加入，可能只是使反应变得更为容易和高效。

图1.无酶条件下戊糖合成与现代生物糖代谢的磷酸戊糖途径。

图2.左为葡糖酸生成戊糖的化学反应路经，右为JACS Au封面。

如图2左所示，作者首先利用Fenton氧化剂（Fe2+和双氧水，原始地球环境中的常见氧化条件之一）顺利对葡糖酸进行化学氧化并检测到一系列的葡糖酮酸产物（2-酮/4-酮/5-酮/6-酮葡糖酸）。这一结果表明，与生物酶不同，化学氧化法无法选择性氧化葡糖酸生成3-酮-葡糖酸，而是对葡糖酸进行非选择性氧化得到多种酮酸。有趣的是这种非选择性氧化反而增加了反应路径的多样性，后续的实验发现所有生成的酮酸产物（2-酮/4-酮/5-酮/6-酮葡糖酸）都能通过羰基迁移的方式进行异构化进而生成3-酮-葡糖酸，然后脱羧得到戊酮糖，最后异构化形成戊糖。同时作者也在葡糖酸离子辐射的模拟实验中同样观测到相同的酮酸产物。由于早期地球可能没有磁场，宇宙射线更容易抵达地球表面，而且放射性U，K，Th的含量也比现在高，因此早期地球可能普遍存在电离辐射，这说明该化学氧化所需的条件能够在原始地球环境中实现。该论文被选为JACS Au封面文章 (图2右)。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.3c00299

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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