郭笑汎|应见喜等—Palaeo 3：局部pH动荡情景：在早期地球环境下通过脯氨酰胺合成环二肽

早期火山附近的小水池被认为是生命起源的理想场所，然而小池子的pH振荡机制对于生物分子聚合的作用一直被低估了。本文通过模拟“温暖的小池塘”，证明了pH振荡环境提供了一种有效的、新颖的途径，对于脯氨酸酰胺和游离氨基酸形成环二肽有显著影响。令人惊喜的是，通过脯氨酸酰胺合成环二肽的过程无需任何催化剂。进一步的研究表明，早期地球表面的活化剂P₃m、黏土矿物（蒙脱土、方解石、磁铁矿）、金属离子（Ca²⁺、Mg²⁺）等在该过程中起到了重要的作用。总之，本研究为前生命肽的合成提供了一条可行的途径，并提出了生命起源理想场所下的pH振荡模型（图1）。

图1 模拟前生源条件下pH振荡模型图

1、研究背景

生命的化学演化过程进行的场所、方式以及早期地球环境条件等问题的争论由来已久。生命是否由化学演化而来？这要求生命产生的场所需要满足两个要求：液体溶剂（如水）和供能物质作为其环境的组成成分以促进自我组装。因此，热液环境被人们认为是生命起源和早期演化的场所。其中，旱地上的热液场是典型热液条件的环境之一。而在生命产生的历史长河中，淡水会不断聚集在自然干湿循环的热液场中。这种干湿循环在无生命的地球上将生物分子单体形成聚合物的最有效方法之一。

地球上生命的化学演化与非生命部分的早期演化过程是密切地相互关联的。因此早期地球（尤其是冥古宙和太古宙时期）表面的黏土矿物、金属离子、环境酸碱度等在化学演化中起到了极其重要的作用。黏土矿物表面由于能够吸附、浓缩和催化生物分子的反应而具有促进前生命聚合的潜力。以往的研究表明氨基酸可以以两性离子形式吸附在蒙脱土、方解石、磁铁矿等黏土矿物表面。为了确定生物分子化学聚合的最有利条件，KASUMI等人研究了金属离子(Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺和Cu²⁺)和pH对水溶液中线性二肽和环二肽（又称二酮哌嗪(DKPs)）形成的影响。原始水圈最显著的特点是呈酸性，这跟大气中含有比较多的酸性气体有关。此后，上升的海流将富含磷酸盐的水带至火山附近小水池，水溶液的酸度降低。据此，我们认为早期生命的孕育环境是一个pH不断动荡变化的环境。

前生命肽的合成是化学演化过程的一个关键科学问题。在模拟上述前生命环境条件下，经典氨基酸可以通过脱水缩合形成多肽，但该反应在水中的活性低且大多依赖于催化剂、活化剂等添加剂。如Pro在活化剂P₃m的介导下可以生成环二肽。环二肽是一类结构多样化的重要肽衍生物，以往的研究表明，环二肽具有多种手性催化活性，并被认为是前生命肽的前体，在生命起源中发挥了重要作用。

2、早期地球上的肽合成

本研究聚焦于模拟生命起源前地质环境下环二肽的合成。先前的实验表明，线性脯氨酸二肽在碱性水溶液中容易发生环化形成环二肽，但在中性或酸性条件下则面临挑战。基于上述研究，我们对pH在环二肽形成过程中的潜在影响进行研究。选用脯氨酸酰胺（Pro-NH₂）作为起始原料，反应后样品经LCMS测试，通过离子流峰面积比较不同pH条件下cyclo-Pro-Pro的生成量，发现其在pH 7时生成量最高（图 2），这与先前的研究结果有所不同。在此基础上我们提出Pro-NH₂ 形成cyclo-Pro-Pro 的过程涉及两个连续反应，即缩合和环化。推测上述两个反应步骤的pH要求不一致。

图2 cyclo-Pro-Pro的反应路径及高效液相色谱-质谱分析图

为了探究这一问题，我们使用 Ala-NH2 进行了成肽反应，该反应产物主要为线性肽，以验证缩合反应的最佳pH为7。推测在前生命环境条件的多变性，尤其是pH值的变化，更有利于使用Pro-NH₂作为构建单元通过单组分反应生成cyclo-Pro-Pro。为了验证这一假设，我们设计了以下实验。在初步实验的基础上，我们设计了一项研究来探究pH值的变化情况。从Pro-NH₂合成出cyclo-Pro-Pro的过程是在pH 7下开始的。反应物在 80℃的恒温环境下暴露于开放环境中，持续 24 小时。随后加入1 mL水，并使用2 M的NaOH溶液将 pH 值调整至11。该反应在pH值变化的情况下表现出更高的效率（图3）。

图3 cyclo-Pro-Pro的反应路径及高效液相色谱-质谱分析图 (pH震荡条件下)

Pro-NH₂在反应体系中是否能够在不添加其他激活剂的情况下与其他氨基酸生成相应的环状二肽？为此，基于环状脯氨酸-丙氨酸的最佳反应条件，研究了脯氨酰胺与其他氨基酸的反应。该实验全面涵盖了20种天然存在的氨基酸，结果显示20种氨基酸参与的环状脯氨酸-氨基酸产物均被检测之。

    为了更深入理解早期地球环境对化学演化这一过程的影响，有必要探究可能存在于地球表面的粘土矿物，包括蒙脱土、方解石和磁铁矿。此外，诸如钙离子、镁离子、锰离子等金属离子也是不可忽视的重要因素。

Table 1. 金属离子和粘土矿物对cyclo-Pro-Pro化合物生成的影响.