东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)的研究人员提出了一种早期地球戊糖合成的新途径，弥合了生命起源前化学和生命构建模块之间的差距，这对我们对生物化学和天体生物学的理解具有重要意义。
科学家们研究了戊糖在地球早期形成的可能的化学途径。
戊糖是现代生命形式新陈代谢中必需的碳水化合物，但由于这些分子不稳定，它们在地球早期的可用性尚不清楚。日本东京工业大学地球生命科学研究所(ELSI)领导的一项新研究揭示了一种与早期地球条件相容的化学途径，通过这种途径，C6醛酮酸盐可以在不需要酶的情况下作为戊糖的来源。他们的发现为原始生物化学提供了线索，使我们更接近了解生命的起源。
一项新的研究提供了关于原始生物化学的线索，使我们更接近了解生命的起源。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室
早期地球的生化挑战
地球上的生命是从简单的化学物质中出现的，这是生物化学乃至所有科学领域中最令人兴奋但也最具挑战性的课题之一。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，它们可以利用酶催化非常特定的转化，从而对分子的产生进行非常精细的控制。然而，在生命出现并变得更加复杂之前，酶并不存在。因此，在地球历史的早期，很可能存在各种各样的非酶化学网络，这些网络可以将环境营养物质转化为支持原始细胞功能的化合物。
戊糖:早期生活的基石
戊糖的合成是上述情形的一个突出例子。这些单糖，只含有5个碳原子，是RNA和其他分子的基本组成部分，这些分子对我们所知的生命至关重要。科学家们提出并研究了在生命起源之前戊糖可能产生的各种方式，但目前的理论提出了一个问题:如果这些化合物寿命极短，那么戊糖是如何积累到足以参与生命前反应的数量的?
为了解决这个问题，ELSI的研究科学家易瑞琴领导的一个研究小组最近进行了一项研究，以寻找早期地球戊糖起源和持续供应的另一种解释。他们探索了一个无酶的化学网络，在这个网络中，C6醛糖酸盐(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。
(a)提出的代谢原戊糖途径导致醛醛酸盐积累，随后非选择性氧化为脲醛酸盐，羰基迁移和β-脱羧。(b)戊糖磷酸途径的最初几个步骤，以供比较。资料来源:转载自Yi et al. 2023
戊糖合成的新途径
提出的化学途径从葡萄糖酸开始，葡萄糖酸是一种稳定的C6醛酸，在地球早期可能很容易通过已知的益生元基本糖的转化获得。下一步是C6醛酸非选择性氧化生成脲酸盐;这里的“非选择性”是指氧化过程不区分无价结构中的不同碳原子，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，找出了反应网络的细节。有趣的是，他们发现，无论氧化发生在哪里，生成的脲酸盐化合物总是会经历称为“羰基迁移”的分子内转化，直到形成特定的化合物3-氧-脲酸盐。一旦达到这个状态，在H2O2和铁催化剂的存在下，3-氧-脲酸盐很容易通过β-脱羧转化为戊糖，这两种催化剂都与早期地球的条件相容。
l。链接益生元与现代生物化学
在建立并测试了整个复杂的反应网络后，研究人员注意到与现代生化途径的重要相似之处。“我们展示了一种非酶合成五碳糖的途径，它依赖于化学转化，让人想起戊糖磷酸途径的第一步，这是代谢的核心途径，”第一作者易瑞琴强调说。“这些结果证明，益生元糖合成可能与现存的生化途径有重叠。”考虑到糖在现代新陈代谢中无处不在，所提出的反应网络可能对第一个类生命系统的出现很重要。
天体生物学意义和未来研究
这项研究的发现在天体化学和天体生物学的背景下是重要的。在默奇森陨石中发现了大量的醛糖酸盐，这是1969年坠落到地球上的一颗著名的碳质陨石。相比之下，在现代生物系统中发现的典型碳水化合物却不在其中。这意味着醛醛酸盐可以在地外环境中形成和积累，目前的研究表明，它们可能在生命的起源中发挥重要作用。“我们希望这项工作将塑造天体生物学的下一波浪潮，将重点放在所有捐赠研究上，”易补充说。
在未来的研究中，研究小组将关注C6醛醛酸盐是否能在地球早期积累足够的“营养物质”，以促进原始代谢的出现。
首席研究员易瑞琴总结道:“我们想更多地了解这些醛酮酸是如何从经典的益生元糖反应中产生的，比如福尔摩斯反应和Kiliani-Fischer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理论上第一个生命形式使用的碳水化合物之间急需的桥梁。
参考文献:“羰基迁移为戊糖生产提供了一个潜在的益生元途径”，作者:Ruiqin Yi, Mike Mojica, Albert C. Fahrenbach, H. James Cleaves, II, Ramanarayanan Krishnamurthy和Charles L. Liotta, 2023年9月7日，JACS Au。DOI: 10.1021 / jacsau.3c00299
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