斯克里普斯研究所的化学家们提出了解决生命起源之谜的关键机制,即动力学分辨率,解释了生命必需分子为何只以一种手性形式存在。
斯克里普斯研究所的化学家们在研究中提出了一种可能的解释,解决了生命起源中一个长期存在的谜题:为什么生命必需的分子,如蛋白质和DNA的构建块,只以一种手性形式存在。这一发现发表在《美国国家科学院院刊》和《自然》杂志上,为生物同手性(homochirality)的出现提供了一般性理论。
手性是分子结构的一种不对称性,使得分子可以呈现出类似左手和右手的镜像版本。尽管科学家们已经发现了许多可能在早期地球发生的关键反应,这些反应可能产生了第一批DNA、RNA、糖、氨基酸等生命所需的分子,但关于这些分子如何形成同手性的具体机制,科学界一直缺乏合理的解释。
在《美国国家科学院院刊》上发表的研究中,Blackmond博士及其团队针对氨基酸这一生命基本组成部分进行了研究。他们尝试通过一种相对简单的、可能存在于前生物化学中的机制,而不依赖复杂的酶,来重现氨基酸的同手性。
在实验初期,团队的反应成功地产生了一种手性形式比另一种更丰富的氨基酸。然而,问题是被优先生成的是生物不使用的右手性形式。经过一段时间的困惑,团队意识到可以通过反向进行部分反应来改变这一结果。通过这种方法,反应不再优先生成右手性氨基酸,而是优先消耗并减少右手性版本,从而留下了更多的所需的左手性氨基酸。这一过程为生物细胞中使用的氨基酸的同手性提供了一个合理的途径。
在《自然》杂志上发表的研究中,化学家们探索了一个简单的反应,这个反应可能将最早的生命形式中的氨基酸连接成第一批短肽链(也称为肽)。尽管之前已有研究发表过这一反应,但从未有人研究过它是否能够从种族混合物或近种族混合物的氨基酸中产生同手性肽。
研究团队再次遇到了看似不可逾越的障碍:他们发现,在形成氨基酸的肽链时,左手性与右手性氨基酸之间的连接反应速度更快,这与所需的同手性肽相反。然而,团队坚持不懈,最终发现当起始氨基酸池中的一种氨基酸以左手性形式占适度优势时,左手性到右手性连接的更快反应速率优先消耗了右手性氨基酸,留下了越来越多的左手性氨基酸。此外,左手性-右手性-左手性-右手性的肽链更有倾向于聚集并作为固体沉淀出溶液。这些与动力学分辨率相关的效应最终产生了一个几乎完全由左手性肽组成的惊人纯净的溶液。
对于Blackmond来说,这些研究中发现的看似矛盾的机制为同手性的出现提供了第一个令人信服且广泛的解释。她认为这一解释不仅可能适用于氨基酸,还可能适用于生命其他基本分子,如DNA和RNA。