这种化学反应创造了地球上生命的基石吗？

拓破天峙

(A)最初提出的反应方案，包括Breslow的自催化循环(黑色)与RNA和TNA核苷酸合成的偶联，通过2-氨基噁唑(2-NH2Ox)进行，先前由Sutherland及其同事证明(灰色虚线)。(B)在普通碱催化条件下由乙醇醛和氨基氰合成2-NH2Ox的机理。学分:化学科学(2023)。DOI: 10.1039/D3SC03185C

（）据对话（郭芳川）：生命是如何开始的？早期地球上的化学反应是如何创造出复杂的、自我复制的结构，并发展成我们所知的生物的？

根据一个学派的观点，在当前基于DNA的生命时代之前，有一种叫做RNA(或核糖核酸)的分子。

RNA——今天仍然是生命的重要组成部分——可以自我复制并催化其他化学反应。

但是RNA分子本身是由叫做核糖核苷酸的更小的成分组成的。这些积木是如何在早期地球上形成，然后结合成RNA的？

像我这样的化学家正试图重现生命之初形成RNA所需的反应链，但这是一项具有挑战性的任务。我们知道，无论是什么化学反应产生了核糖核苷酸，它一定能够在几十亿年前我们星球上发现的混乱、复杂的环境中发生。

我一直在研究“自动催化”反应是否起了作用。这些反应会产生化学物质，促使同样的反应再次发生，这意味着它们可以在广泛的环境中维持自身。

在我们发表在《化学科学》(Chemical Science)上的最新研究中，我和我的同事们将自动催化整合到了一个众所周知的生产核糖核苷酸构件的化学路径中，这很可能发生在早期地球上发现的简单分子和复杂条件中。

甲醛反应

自催化反应在生物学中起着至关重要的作用，从调节我们的心跳到在贝壳上形成图案。事实上，生命本身的复制，即一个细胞从环境中吸收营养和能量产生两个细胞，是一个特别复杂的自催化例子。

1861年首次发现的一种叫做甲醛反应的化学反应，是早期地球上可能发生的自催化反应的最好例子之一。

本质上，甲酰反应始于一个简单化合物的一个分子，称为乙醇醛(由氢、碳和氧组成)，结束于两个分子。这个机制依赖于另一种叫做甲醛的简单化合物的持续供应。

乙醇醛和甲醛之间的反应产生了一个更大的分子，分裂出的碎片反馈到反应中并使其继续进行。然而，一旦甲醛耗尽，反应停止，产物开始从复杂的糖分子降解成焦油。

甲酰反应与众所周知的制造核糖核苷酸的化学途径(称为pow ner-Sutherland途径)有一些共同的成分。然而，直到现在还没有人试图将这两者联系起来——理由很充分。

formose反应因其“非选择性”而臭名昭著这意味着除了你想要的实际产品之外，它还产生了许多无用的分子。

核糖核苷酸合成途径中的自动催化扭曲

在我们的研究中，我们尝试在甲酰反应中加入另一种简单的分子，叫做氨基氰。这使得反应过程中产生的一些分子有可能被“抽走”而产生核糖核苷酸。

该反应仍然不会产生大量的核糖核苷酸构件。然而，它产生的蛋白质更稳定，更不容易降解。

我们研究的有趣之处在于果糖反应和核糖核苷酸生产的整合。以前的研究分别研究了每一种，这反映了化学家通常是如何考虑制造分子的。

一般来说，化学家倾向于避免复杂性，以便最大限度地提高产品的数量和纯度。然而，这种简化方法会阻止我们研究不同化学途径之间的动态相互作用。

这些相互作用在实验室之外的真实世界中无处不在，可以说是化学和生物学之间的桥梁。

工业应用

自动催化也有工业应用。当你将氨基氰加入到甲酰反应中时，另一种产物是一种叫做2-氨基恶唑的化合物，这种化合物用于化学研究和许多药物的生产。

常规的2-氨基噁唑生产通常使用氨基氰和乙醇醛，后者价格昂贵。如果它可以用甲醛反应来制造，只需要少量的乙醇醛就可以启动反应，从而降低成本。

我们的实验室目前正在优化这一程序，希望我们可以操纵自动催化反应，使常见的化学反应更便宜、更有效，并且更容易获得它们的药物产品。也许这不会像创造生命本身一样重要，但我们认为这仍然是值得的。