大学化学项目
随着时间的推移，核糖逐渐演变为脱氧核糖，RNA逐渐被DNA取代，DNA也成为大多数生物的遗传物质。但是，为什么RNA的骨架是核糖而不是其他糖呢？之前也有人尝试过探索这个问题，但是都没有找到一个简单、通用、有效的答案。这个问题一直没有解决。
目前，在这个问题上有两派观点。一个是生物学院。生物学家认为，第一步不是生成核糖，而是先生成原始RNA骨架。按照这个学派的说法，最初的骨架是逐渐被核糖取代的。但问题是为什么会被核糖取代？核糖的特异性也需要进一步解释，这个学派一般认为核糖可以促进RNA的构象。
第二个是化学学院。2004年，时任佛罗里达大学教授的著名生物化学家、古遗传学家史蒂文？史蒂文·班纳首次提出硼酸盐假说，相关论文发表在《科学》杂志上。他发现，与阿拉伯糖、木糖和来苏糖相比，核糖可以与硼酸盐形成相对稳定的复合物。
但硼酸盐假说的局限性在于，硼在地壳中的储量太低，不能有效促进这一选择过程；硅酸盐假说的缺陷是不能证明核糖与硅酸盐的复合物比其他三种五糖复合物更稳定。它们也有同样的问题，就是生成的价键复合物太稳定，不能参与核苷酸合成。
对于这个鲜有学者涉足的难题，南大化学化工学院王晓课题组又啃起了这块“硬骨头”。为了理解这一成果，我们必须首先介绍一下糖基化反应。一般认为，糖基化反应是一种天然的糖合成反应，一般从甲醛分子开始，在碱的作用下可以生成极其复杂的单糖或多糖混合物。
其中，核糖不仅产量极低，而且在碱性溶液中极不稳定，这意味着它不能长期存在，自然也就很难产生核苷。上述假说的局限性还包括，他们认为核糖来源于糖基化反应。对于硼酸盐假说，储量非常小的硼酸盐能遇到产量非常小的核糖是小概率的。化学家不断改进糖基化反应，试图提高核糖产量，但结果并不理想。
为此，王晓的团队提出了一个更普遍的新假设。在这项工作中，他们跳出了糖化反应的束缚。首先，他们受现代糖分析技术的启发，研究了各种单糖在离子色谱或配体交换色谱中的保留行为。通过对分析化学、发酵、海洋学等领域的大量文献进行元分析，他们发现了一个重要现象:核糖在所有单糖中保留时间最长。
这一点尤其引人注目。基于上述现象，他们认为核糖在前生物环境中的自然选择很可能是由分离过程决定的，而不是由化学反应决定的，核糖的特殊性质很可能是由它与金属的强配位决定的。
配体交换色谱柱含有固定的金属离子，因为带正电荷的金属离子会吸引糖；糖上的氧原子喜欢和金属离子结合，这叫配位。对其他糖来说，配位作用可能不如核糖那么强。王晓构想了一种可以吸附金属离子的材料，这种材料可以通过金属离子吸引糖，从而使核糖得到富集。于是他想到了克莱。
地壳中的粘土非常丰富，其主要成分是铝硅酸盐，其一大特点是吸附或交换金属离子。高岭土是最常见的粘土，其工业用途之一是吸附重金属离子。有了粘土和金属离子，就有了可以选择性吸附核糖的“天然固定相”。从这个猜想出发，他提出了一个史前化学的模型，叫做“金属掺杂粘土(MDC)”。
基于这个假设，王晓的团队开始用实验来验证这个猜想。在研究中，他们使用了几种可以吸附二价金属的粘土，并研究了二价铜和二价铁等金属。使用二价金属离子的依据是大约26亿年前(原始生命诞生后)地球上发生过一次大氧化事件。
目前，普遍认为大氧化事件是由蓝藻生物引起的。大氧化事件之后，地球上出现了大量的氧气，金属可以以高价态的形式出现。
一开始，王晓的团队调查了四种五碳糖，发现附着在金属上的粘土选择性地吸附核糖，这意味着核糖在其上吸附最多。此外，他们还利用密度泛函理论(DFT)计算模拟了四种五碳糖与粘土-金属材料的复合物，从而深入研究核糖与粘土-金属结合的特殊稳定性。
然后，他们测试了最常见的粘土和金属离子的组合，如高岭土、蒙脱石和云母，发现大多数粘土-金属材料(MDC)选择性吸附r，将实验扩展到四碳、五碳和六碳糖的十种混合物，发现核糖仍然在MDC上最丰富。
在实验中，他们还使用了一种先进的连续流微反应器系统，其中包含一个固定床微反应器，这是一组非常精确的不锈钢模块。他们将MDC材料填充在微型固定床中，并使用它来模拟核糖在水冲刷下的选择性吸附行为。发现MDC仍然可以吸附更多的核糖，直到流动化学实验结束。王晓将这一过程比作“枕石漱口”:核糖被吸附在粘土-金属(“枕石”)上，被水流(“漱口流”)洗涤，成为唯一的富集糖，从而完成自然选择。
最后，为了进一步验证MDC模型，他们尝试将MDC直接加入到糖基化反应中。结果表明，对于复杂的反应混合物，核糖仍然是MDC中最多的C5-C7单糖。
也就是说，虽然单次糖基化反应中核糖的产量有限，但核糖可以选择性地吸附并稳定在MDC上，最终富集。对于“下游反应”，他们测试了MDC吸附的核糖对各种碱基的反应性，发现其活性与游离核糖没有区别。
同时跟踪了MDC吸附核糖的稳定性，发现吸附的核糖至少在六周后仍然存在。这说明MDC吸附的核糖在稳定性和反应性之间达到了非常好的平衡，同时解决了这两个问题。
除了糖基化，他们还研究了MDC存在下的核苷磷酸化，发现相应核苷酸的产率和5’-选择性高于报道的最佳条件。简而言之，核糖产生后，会被吸附富集在粘土-金属材料上，然后糖基化，再通过磷酸化生成核苷酸，最后形成RNA。
王晓的团队推测，富含粘土和金属的地球环境可能形成于晚太古代至早太古代。在此期间，热液流体带来的大量二价金属离子与海底超基性岩相互作用，产生粘土-金属。
太古代早期诞生了原始生命，这个过程应该不会再发生，因为从中太古代开始，陆地出现，海洋面积减少，所以他们推测粘土-金属形成的概率也降低了。
2021年9月23日，这项工作发表在《化学》杂志上，标题是“基于金属掺杂粘土的RNA形成、动态分离和核苷酸合成的核糖的似是而非的前生物学选择”。南大化工学院2020级博士生赵泽润为论文第一作者，王晓副教授为通讯作者[1]。
这个假说也与王晓多年的化学积累有关。2003年毕业于南京大学化学系，获理学学士学位。同年赴美国匹兹堡大学师从著名有机氟化学家丹尼斯·柯伦教授，2009年获博士学位。2008年至2011，在美国科学院院士、麻省理工学院(MIT)斯蒂芬·布赫瓦尔德教授的实验室进行博士后研究。博士后研究结束后，他在哈佛医学院担任讲师。2017 11起，正式回南京大学任教。
谈及未来，王晓表示，短期内，他们将继续探索“RNA世界”中的各种问题，比如核糖和碱基的糖基化反应是可以选择性生成N9嘌呤核苷，还是直接生成嘧啶核苷。同时，他强调，由于缺乏“化学化石”证据，生命起源的研究很难有定论，人们只能无限接近真相。一个假说或理论要经得起检验，除了它能解决的核心问题外，还需要遵循几个要素:符合原始地球环境，合乎逻辑，能符合现代生物学。他们会努力去做这些事情。
专业支持:卡特彼勒高级
参考:
1.泽，小王，化学23，(2021)
/科学/文章/ABS/pii/s 2451929421004642