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在生命起源研究中，“RNA世界”（RNA World）是目前影響最大的假說之一。RNA被認為是第一種同時具有催化活性和承載遺傳編碼的分子。RNA以核糖（Ribose）為骨架，在漫長的分子進化過程中，核糖演化成了脫氧核糖，而DNA逐漸取代了RNA，成為大多數生物的遺傳物質。但是，無論“RNA世界”還是其它假說，都需要解釋一個核心問題：為什麼RNA的骨架是核糖，而不是其它任何一種糖？
無論是聯絡現代生物學，還是從前生物化學（Prebiotic Chemistry）的角度，都很難解釋RNA中核糖的專有性。聚糖反應（Formose Reaction）是被學術界普遍接受的天然糖合成反應：甲醛（或其它低碳羥醛）在鹼的作用下，生成異常複雜的單、多糖混合物。其中核糖的產率極低，不具有任何選擇性。此外，核糖在鹼性溶液中極不穩定，無法長時間存在以生成核苷。因此，核糖的自然選擇是整個生命起源研究中一項懸而未決的重大難題。
為此，著名生物化學家Steven Benner教授於2004年首次提出了硼酸鹽假說（Science, 2004, 303, 196）。該團隊發現，相比其它三種五碳糖（阿拉伯糖、木糖、來蘇糖），核糖能和硼酸鹽形成較穩定的絡合物。西北大學Joseph Lambert教授於2010年提出了矽酸鹽假說（Science, 2010, 327, 984）。這兩種假說在當時引發了廣泛的關注和爭議。Benner假說的缺陷在於硼在地殼中儲量很低，無法有效推動化學進化；而Lambert團隊未能證明核糖-矽酸鹽絡合物比其它五碳糖絡合物穩定。兩者另有一個共性問題，即生成的絡合物過於穩定，無法參與後續的核苷酸合成。在Benner和Lambert的研究之後，尚未有對該問題的報道。
近日，南京大學化學化工學院王曉課題組報道了一種更為普適的新假說，提出並證明了含有金屬離子的黏土物質（Metal-Doped-Clay, MDC）可以促成核糖的自然選擇。作者最初受到現代糖分析技術的啟發，考察了各種單糖在離子色譜或配體交換色譜中的保留行為，發現核糖具有異於其它所有單糖的保留時間。在對大量文獻資料進行元分析後，作者推測：（1）核糖的自然選擇很有可能由分離過程決定，而不是化學過程；（2）決定核糖這一特殊性質的，可能是它和金屬離子間較強的配位作用。由這一猜想出發，作者構想了一類史前化學模型：遍佈地殼的黏土物質及其吸附（或交換）的金屬離子，可以作為一個“天然固定相”，將核糖從混合糖中分離出來。
圖1. “黏土–金屬”模型（MDC）對核糖自然選擇的解釋
在實驗階段，作者製備了吸附有二價鐵或銅離子的高嶺土，發現其對於核糖（R）顯示出優異的選擇性吸附，而不易吸附其它三種五碳糖（A、L、X）。隨後測試了多種黏土（高嶺土、蒙脫石、雲母）和金屬離子（鐵、銅、鈣、鎂、錳）的組合，發現絕大多數MDC對R都存在選擇性吸附。除五碳糖外，對於含有十種C4–C6單糖的混合物，R依然是富集在MDC上最多的糖。為模擬MDC在水流中動態吸附核糖的行為，作者採用了模組化的連續流微反應系統，將MDC填充在固定床微反應器中。流動化學實驗表明，MDC在動態的水流下對R有著極高的選擇性、極快的吸附速率和很高的吸附容量。此外，作者用密度泛函理論（DFT）計算模擬了四種五碳糖和MDC的配合物，闡明瞭核糖和MDC結合的特殊穩定性。
圖2. 核糖在MDC上的選擇性吸附及用來模擬這一過程的流動化學裝置
為進一步驗證MDC模型的普適性，作者嘗試在Formose類反應中加入MDC。結果顯示，對於複雜的Formose混合物，核糖依然是停留在MDC上最多的C5–C7單糖。也就是說，傳統Formose反應對核糖沒有任何選擇性，而一旦加入MDC，就能使其成為一個對核糖具有高選擇性甚至特異性的反應。同時，核糖在鹼性溶液中的不穩定性也可由MDC模型解決；解吸附實驗表明，MDC吸附的核糖具有長期穩定性。雖然單次Formose反應的核糖產率有限，但核糖可以透過在MDC上選擇性吸附和穩定化，最終實現富集。作者隨後驗證了MDC吸附的核糖對於各類鹼基的反應活性，發現其活性與遊離核糖沒有差異。最後，作者研究了MDC存在下的核苷磷酸化反應，發現相應核苷酸的產率和5'位選擇性均高於已報道的最佳條件。這一系列實驗表明，“黏土–金屬”作為一種新模型，適用於製備核苷酸乃至RNA的全過程，包括核糖的生成（Formation）、選擇（Selection）和後續反應（Downstream Syntheses）。作者認為，富含黏土–金屬的環境可能形成於冥古宙（Hadean）晚期至太古宙（Archaean）早期。在這一時期，海底熱泉（Hydrothermal Fluid）帶出的大量二價金屬離子和海底超基性岩作用，生成了黏土–金屬。而從太古宙中期開始，陸地出現，海洋麵積減小，因此這種作用機率減小。
圖3. “黏土–金屬”模型對應的地球化學環境
綜上所述，王曉課題組首次提出了一種普適的史前化學模型，能夠合理解決核糖的自然選擇這一生命起源領域中的重要難題。成果發表於Chem，化院2020級博士研究生趙澤潤為論文第一作者，王曉副教授為通訊作者。
A Plausible Prebiotic Selection of Ribose for RNA – Formation, Dynamic Isolation and Nucleotide Synthesis Based on Metal-Doped-Clays
Ze-Run Zhao, Xiao Wang
Chem, 2021, DOI: 10.1016/j.chempr.2021.09.002
