α-氧化铝表面驱动氨基酸自组装：矿物界面在生命起源中的催化作用机制研究

《SCIENCE ADVANCES》：On the role of α-alumina in the origin of life: Surface-driven assembly of amino acids

编辑推荐：本研究针对生命起源中多肽形成的关键科学问题，通过分子动力学模拟揭示α-Al2O3(0001)表面对甘氨酸的4 kBT吸附亲和力，发现矿物界面可将10聚体甘氨酸链形成概率提高105倍，为理解前生物分子组装提供了新机制。

　　生命如何从无机世界诞生是科学界持续探索的终极命题。在著名的米勒-尤里实验中，虽然成功合成了氨基酸单体，但多肽链的形成始终是未解之谜。传统理论认为，40个氨基酸以上的多肽链才具备稳定折叠和生物功能，但根据弗洛里模型，这种长链在溶液中自发形成的概率微乎其微——好比指望一场龙卷风把零件随机组装成精密仪器。面对这个困境，科学家们将目光投向了地球早期广泛存在的矿物表面，特别是热液喷口附近的氧化铝界面。

中国科学院的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，创新性地采用经典分子动力学结合元动力学增强采样技术，通过构建α-Al₂O₃(0001)/水界面模型，系统研究了甘氨酸（GLY）及其二肽（GG）在矿物表面的吸附与组装行为。研究采用CHARMM27力场描述氨基酸，ClayFF力场模拟氧化铝，SPC/E水模型，在NP_xyL_zT系综下进行100 ns模拟，通过定义距离(Z)和取向角(θ_NC)等集体变量解析自由能面。

研究首先揭示了单分子吸附特性。自由能面分析显示，甘氨酸和二肽通过胺基（N端）和羧基（C端）与表面形成氢键，产生4 k_BT的吸附自由能优势。在最近表面距离0.32 nm处，甘氨酸采取平行吸附构型，同时作为氢键供体和受体。有趣的是，N端吸附比C端能垒低数k_BT，这与表面羟基的质子亲和特性相关。

多分子体系展现出更复杂的组装行为。当20个甘氨酸共存时，表面浓度可达体相的15倍，且吸附能进一步增加2 k_BT。通过定义连接数(n发现，表面使10聚体形成概率比溶液相提高至少10⁵倍。改进的弗洛里模型显示，表面组装的临界链长(s=4)后，聚合概率p₂(0.74)显著高于体相(0.03)，表明存在自催化机制。

矿物表面的模板关键。六方晶格的α-Al₂O₃使吸附甘氨酸呈现特定取向：当链长n>8分子在表面三角位点有序排列，羧基氧精准定位于表面氧原子之间形成1-2个氢键。这种空间约束使长链(n=15)的方位角分布?呈现60°倍数的尖锐峰，显著区别于无规堆积。

界面水的作用被定量解析。通过计算水合数(CN_Ow)发现，从单体到15聚体，每个甘氨酸平均脱去3-4个水分子。特别值得注意的是，桥连水分子（同时配位多个甘氨酸）的去除是链增长的关键限速步骤，这解释了为何亲水表面虽能浓缩氨基酸却可能阻碍缩合反应。

这项研究建立了矿物表面催化前生物分子组装的双重机制：通过局域浓度效应将反应概率提升5个数量级，同时利用晶体模板效应引导有序组装。尽管质子转移和真实界面pH效应仍需量子化学验证，但工作为生命起源的"表面假说"提供了定量分子证据。未来结合机器学习和大尺度模拟，可能进一步揭示水岩界面如何跨越从简单分子到功能生物大分子的关键鸿沟。