原始肽骨架在水溶液中的组装效应及其对生命起源中α-氨基酸选择的驱动机制

本研究通过系统分析原始肽（protopeptide）骨架在水溶液中的自组装行为，揭示了α-羟基酸形成的脱硫肽（depsipeptide）比β类似物具有更稳定的组装结构，为生命起源中现代蛋白质α-骨架的（assembly-driven selection）机制提供了关键实验证据。

　　

研究背景与意义

生命起源领域最引人入胜的谜题之一，是现代生物学中20种通用L-α-氨基酸的选择机制。蛋白质作为高度进化的线性聚合物，其多肽骨架和氨基酸构建块的选择驱动力尚未明确。早期地球存在丰富的氨基酸异构体（包括α、β、γ型），但仅有少数被生物学选择。研究表明，化学反应性 alone 无法解释α-氨基酸的选择优势，暗示其他机制（如自组装能力）可能在化学进化中发挥了关键作用。

脱硫肽作为原始肽模型

脱硫肽（由酯键和酰胺键组成的寡聚物）在温和干燥条件下易形成，被认为是前生物肽的合理模型。它们通过预形成的酯键降低肽键形成的活化能屏障，在干湿循环中逐渐富集酰胺键，为早期原始肽向富酰胺骨架过渡提供了 abiotic 途径。本研究通过系统研究脱硫肽在水溶液中的组装行为，探讨其是否通过形成区室化结构驱动了α-骨架的选择。

实验设计与方法

研究采用一步干燥反应，以5:1摩尔比（羟基酸:氨基酸）在85°C下反应7天，构建了包含8种α/β-羟基酸和6种α/β/γ-氨基酸的矩阵体系。羟基酸包括 glycolic acid (glc)、L-lactic acid (L-lac)、DL-lactic acid (DL-lac)、3-hydroxypropionic acid (hpa)、3-hydroxybutanoic acid (hba)；氨基酸包括 glycine (Gly)、L-alanine (Ala)、β-alanine (β-Ala)、β-aminobutyric acid (β-Aba)、γ-aminobutyric acid (γ-Aba)、4-aminopentanoic acid (γ-Apa)。反应产物通过HPLC、ESI-MS、ATR-FTIR进行化学表征，并通过光学显微镜和LUMiSizer?分析组装形成及物理稳定性。

化学分析结果

所有30个反应混合物均形成脱硫肽和聚酯。FTIR分析显示酯键形成（羰基区从1715 cm^?1移至1739 cm^?1），酰胺Ⅰ和Ⅱ区发生光谱变化。MS证实所有混合物中脱硫肽的形成。glc为反应性最强的羟基酸，α/β-氨基酸比γ-氨基酸更易反应。α-羟基酸与α-氨基酸反应产物形成刚性干燥物质，而β-单体替换显著降低刚性，可能与氢键倾向性和寡聚物性质差异有关。

微滴组装的形成条件

显微镜观察显示，仅含L-lac或DL-lac的反应产物在水:乙腈（80:20）溶液中形成微滴组装，与氨基酸身份无关。其他羟基酸（glc、hpa、hba）产物未形成组装，表明微滴形成需要含疏水侧链的α-羟基酸。L-lac与DL-lac组装形态无显著差异。降低溶剂极性（增加乙腈比例）或提高氨基酸/羟基酸浓度均增加组装密度。组装在室温下可持续7周，并经冻融循环后仍保持稳定。定向酯水解实验证实酯键对微滴形成至关重要。

疏水性对组装的影响

为进一步探究骨架和侧链疏水性的作用，研究增加了4种疏水羟基酸：α-phenyllactic acid (α-pla)、α-leucic acid (α-leu)及其β衍生物(β-pla、β-leu)。所有疏水脱硫肽矩阵样品均形成组装，但α/β/γ衍生物间存在密度或多分散性差异。聚酯对照组组装更显著。β-羟基酸衍生物在重构过程中相分离更快，提示α-衍生物形成更稳定的分散体系。

组装物理稳定性分析

LUMiSizer?分析表明，α-骨架组装具有更高的物理稳定性。β-羟基酸骨架的透射率更高，表明 turbidity 较低。β-骨架的不稳定性指数显著高于α-骨架。值得注意的是，脱硫肽形成显著降低了β-羟基酸骨架的稳定性，而对α-骨架影响较小。这种差异可能源于β-骨架引入更多自由度及氢键模式改变。

讨论与进化意义

本研究揭示了原始肽组装能力对其化学进化选择的驱动作用。α-脱硫肽形成更稳定的组装结构，可能为前生物化学提供了选择性优势。组装形成首先取决于羟基酸身份：疏水侧链和足够寡聚化程度是关键。在首轮矩阵中，仅疏水α-羟基酸（lac）形成组装；而在更疏水的第二轮矩阵中，α/β-羟基酸均形成组装，表明单体疏水性可补偿链长不足。芳香族羟基酸的组装可能受π-π堆积和疏水效应促进。

组装稳定性差异为α-骨架的选择提供了机制解释：α-骨架形成更稳定的脱硫肽和聚酯组装，而β-骨架则倾向于选择酯键而非酰胺键，这与蛋白质进化方向（选择更稳定的酰胺键）相悖。核糖体催化酯键形成的能力提示早期蛋白质可能富含酯键（即聚脱硫肽），但酯键缺乏氢键供体，会破坏骨架氢键网络，限制长期结构稳定性。酰胺键则提供耐久性、结构秩序和抗水解性。早期酯/酰胺混合骨架可能创造了动态与稳定的平衡，支持了原始功能 emergence。

结论

本研究通过实验证明α-脱硫肽骨架通过形成物理稳定性更高的组装结构，在化学进化中获得选择性优势。这种组装驱动的选择机制为现代生物学中α-氨基酸的 predominance 提供了合理解释，强调了自组装能力在生命起源过程中对分子"适者生存"的关键作用。