揭示了生命起源前糖的合成

四鬼丫头在

一项新的研究提供了关于原始生物化学的线索，并使我们更接近理解生命的起源。鸣谢:美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心概念图像实验室

（）据东京工业大学：戊糖是现代生命形式新陈代谢中必不可少的碳水化合物，但在地球早期它们的可用性还不清楚，因为这些分子不稳定。

日本东京工业大学地球生命科学研究所(ELSI)领导的一项新研究发表在《JACS·奥》杂志上，揭示了一种与早期地球条件兼容的化学途径，通过这种途径，C6醛糖酸盐可以在不需要酶的情况下充当戊糖的来源。他们的发现提供了关于原始生物化学的线索，并使我们更接近理解生命的起源。

地球上生命从简单的化学物质中诞生是生物化学中最激动人心也是最具挑战性的话题之一，或许也是所有科学中最具挑战性的话题。现代生命形式可以通过复杂的化学网络将营养物质转化为各种化合物；更重要的是，它们可以使用酶催化非常特定的转化，实现对产生什么分子的非常精细的控制。

然而，在生命出现并变得更加复杂之前，酶并不存在。因此，很可能在地球历史的早期就存在各种非酶化学网络，它们可以将环境养分转化为支持原始细胞样功能的化合物。

戊糖的合成是上述情况的一个突出例子。这些单糖只含有五个碳原子，是RNA和其他分子的基本组成部分，正如我们所知，这些分子对生命至关重要。科学家们已经提出并研究了在生命起源之前产生戊糖的各种方式，但目前的理论提出了一个问题:如果这些化合物的寿命极短，戊糖如何能够积累足够的数量来参与生命前的反应？

为了解决这个问题，由来自ELSI的科学家秦瑞·易领导的研究小组进行了一项研究，以寻找早期地球上戊糖起源和持续供应的另一种解释。他们探索了一种无酶的化学网络，其中C6醛糖酸盐是一种稳定的六碳碳水化合物，从各种益生元糖源中积累，然后转化回戊糖。

提出的化学途径始于葡萄糖酸盐，一种稳定的C6醛糖酸盐，可能在早期地球上通过已知的碱性糖的前生物转化而容易获得。下一步是C6羟醛酸盐非选择性氧化成糖醛酸盐；这里，术语“非选择性”是指氧化过程不区分醛糖结构中的各种碳原子，留下五种可能的氧化结果。

通过实验和理论分析，研究人员深入研究了各种氧化产物，以找出反应网络的细节。



(a)提出的原代谢戊糖途径导致醛糖酸积累，随后非选择性氧化成糖醛酸、羰基迁移和β-脱羧。(b)为进行比较，显示了戊糖磷酸途径的最初几个步骤。鸣谢:易等2023

有趣的是，他们发现无论氧化发生在哪里，生成的糖醛酸化合物总是能够经历被称为“羰基迁移”的分子内转化，直到形成特定的化合物3-氧代-糖醛酸。一旦达到这种状态，在H2O2和含铁催化剂的存在下，3-氧代-糖醛酸很容易通过β-脱羧转化为戊糖，这两种物质都与早期地球的条件相容。

在建立并测试了这个复杂反应网络的整体后，研究人员注意到了与现代生化途径的重要相似之处。

“我们证明了五碳糖的非酶合成途径，它依赖于化学转化，这让人想起了代谢的核心途径戊糖磷酸途径的第一步，”主要作者秦瑞·易说。

"这些结果证明，益生元的糖合成可能与现存的生化途径有重叠."鉴于糖在现代新陈代谢中无处不在，提出的反应网络可能对第一个类生命系统的出现很重要。

这项研究的发现在天体化学和天体生物学领域非常重要。在默奇森陨石中发现了大量的醛糖酸盐，这是一颗著名的碳质陨石，于1969年坠落地球。

相比之下，现代生物系统中发现的典型碳水化合物却不在其中。这意味着醛糖酸盐可以在外星条件下形成和积累，目前的研究表明，它们可能在生命建筑材料的起源中发挥重要作用。“我们希望这项工作将形成天体生物学的下一波浪潮，集中于醛糖酸盐研究，”易补充说。

在未来的研究中，研究小组将专注于C6醛糖酸盐是否可以在早期地球上积累足够多的物质，作为原始代谢出现的“养分”。首席研究员秦瑞·易总结道:“我们希望更多地了解这些醛糖酸盐是如何从经典的益生元糖反应中产生的，如甲酰反应和基利亚尼-费歇尔同源反应。”

值得注意的是，这些经典的益生元糖反应在现代代谢中没有发现，因此，提出的非酶途径可以作为早期糖和第一种生命形式理论上使用的碳水化合物之间急需的桥梁。