钙是如何解开生命分子不对称的起源之谜的

Proceedings of the National Academy of Sciences：Primitive homochiral polyester formation driven by tartaric acid and calcium availability

包括东京科学研究所地球生命科学研究所（ELSI）的科学家在内的一组研究人员发现了钙在塑造生命基石方面的惊人作用。他们的研究表明，钙离子有助于确定酒石酸聚合物的分子“手性”（手性）——这是DNA和蛋白质等生物分子的基本特征。这一发现揭示了生命的统一分子结构是如何在早期地球上首次出现的。与传统理论不同的是，研究人员认为，除了多肽或核酸之外，简单的聚酯也可能在早期地球上采用了这一关键特征，这为生命的化学起源提供了一个新的视角。

　　

由东京科学研究所地球生命科学研究所（ELSI）的研究人员领导的一项新研究发现，钙在塑造生命最早的分子结构方面发挥了令人惊讶的作用。他们的发现表明，钙离子可以选择性地影响原始聚合物的形成方式，从而揭开了一个长期存在的谜团：生命分子是如何倾向于单一的“手性”（手性）的。

就像我们的左手和右手一样，许多分子以两种镜像的形式存在。然而，地球上的生命有一个惊人的偏好：DNA的糖是右旋的，而蛋白质是由左旋氨基酸构成的。这种现象被称为同手性，正如我们所知，它对生命至关重要——但它最初是如何出现的，仍然是生命起源研究中的一个主要难题。

该团队研究了酒石酸（TA），一种具有两个手性中心的简单分子，以探索早期地球环境如何影响同手性聚合物的形成。他们发现钙显著地改变了TA分子的连接方式。没有钙，纯的左手或右手TA都容易聚合成聚酯，但是含有等量的两种形式的混合物却不容易形成聚合物。然而，在钙的存在下，这种模式相反——钙减缓了纯TA的聚合，同时使混合溶液能够聚合。

“这表明，钙的可用性可能在早期地球上创造了有利于或不有利于同手性聚合物的环境，”理研可持续资源科学中心（CSRS）的特别博士后研究员陈晨说，他是这项研究的共同负责人。研究人员提出，钙通过两种机制驱动这种效应：首先，通过与TA结合形成酒石酸钙晶体，可以选择性地从溶液中去除等量的左旋和右旋分子；第二，通过改变剩余TA分子的聚合化学。这个过程可能会放大手性的小不平衡，最终导致现代生物分子中一致的手性。

这项研究的有趣之处在于，它暗示了聚酯——由酒石酸等分子形成的简单聚合物——可能是生命中最早的同手性分子之一，甚至比RNA、DNA或蛋白质更早。“生命的起源经常从生物分子的角度来讨论，比如核酸和氨基酸，”ELSI特别任命的副教授托尼·贾（Tony Z. Jia）解释说，他是这项研究的共同负责人。“然而，我们的工作引入了另一种观点：像聚酯这样的‘非生物分子’可能在生命的最初阶段发挥了关键作用。”

这些发现还强调了地球早期不同的环境是如何影响聚合物形成的。缺乏钙的环境，如湖泊或池塘，可能促进了同手性聚合物的生长，而富含钙的环境可能有利于混合手性聚合物的生长。

除了化学，这项研究还连接了多个科学领域-生物物理学，地质学和材料科学-探索简单分子如何在动态的益生元环境中相互作用。这项研究也是多年跨学科合作的结果，汇集了来自亚洲、欧洲、澳大利亚和北美七个国家的研究人员。

该项目负责人之一、中国科学院广州地球化学研究所的易瑞琴说：“我们在以清晰、逻辑的方式整合所有复杂的化学、生物物理和物理分析方面面临着重大挑战。”“但由于我们团队的辛勤工作和奉献精神，我们已经发现了生命起源之谜的一个引人注目的新部分。”这项研究不仅加深了我们对地球上生命起源的理解，而且表明类似的过程可能在其他行星上发挥作用，帮助科学家寻找地球以外的生命。

 

编者按:

自论文提交以来，该大学的名称已从东京工业大学改为东京科学学院。

论文的共同作者陈晨在ELSI担任研究员期间获得了大部分数据。