现代生物学三大定律（南大提出普适性史前化学模型）

2020 年，是王晓离开哈佛大学医学院回到母校南京大学任教的第三年。也是这一年，他对核糖的自然选择这个重要的问题进行了大胆探索。

生命如何起源是科学家一直关注的终极谜题。关于生命的起源，学界曾提出很多假说，“ RNA 世界”则是当前最有影响力的假说之一。很多科学家认为，RNA 应该是第一种兼具催化活性和承载遗传编码的分子，其骨架正是核糖（ribose）。

随着时间流逝，核糖逐渐演化成脱氧核糖（deoxy ribose），RNA 也逐渐被 DNA 取代，后者也成为绝大多数生物的遗传物质。但是，为何 RNA 的骨架是核糖，而不是别的糖？之前有人尝试探索这个问题，然而没找到一个简单、普适而有效的答案。这个问题始终悬而未决。

图｜王晓课题组合影（左二：赵泽润；右三：王晓）（来源：王晓）

就这一问题，目前有两大学派。其一是生物学学派。生物学家认为核糖并非在第一步生成，原始 RNA 骨架才是首先生成的。该学派认为，最初生成的骨架逐渐被核糖取代掉。但问题在于为什么它会被核糖取代？核糖的专一性也需要得到进一步解释，而该学派一般认为核糖对 RNA 的构象可起到促进作用。

其二是化学学派。2004 年，时任佛罗里达大学教授的著名生物化学家、古基因学家史蒂文•班纳（Steven Benner），首次提出硼酸盐假说，相关论文发表在 Science。他发现，比起阿拉伯糖、木糖、来苏糖这三种五碳糖，核糖能和硼酸盐形成比较稳定的络合物。

2010 年，时任美国西北大学教授的约瑟夫•B•兰伯特（Joseph B. Lambert）提出了硅酸盐假说，相关论文也发表在 Science 上。一时之间，两种学说引起了广泛关注，甚至还引发了这两位著名化学家的论战。

但是，硼酸盐假说的局限性在于地壳中硼的储量太低，因此不能有效推动这一选择过程；硅酸盐假说的缺陷在于它无法证明核糖和硅酸盐的络合物比其他三种五碳糖络合物更稳定。二者也存在一个共同的问题，即生成的共价键络合物太过稳定，几乎不能参与核苷酸合成。

对于这一很少有学者涉足的难题，南京大学化学化工学院的王晓课题组，重新拾起了这一“难啃骨头”。而要想理解这项成果，必须先介绍聚糖反应。学界普遍认为聚糖反应是一种天然糖合成反应，该反应一般由甲醛分子出发，在碱的作用下，可生成极其复杂的单糖或多糖混合物。

其中核糖不仅产率极低，在碱性溶液中也极不稳定，这意味着它无法长时间存在，自然也就难以生成核苷。上述假说的局限性也包括它们认定核糖来自于聚糖反应。对于硼酸盐假说，储量极小的硼酸盐，能遇上产率极小的核糖，是一个小概率事件。化学家们不断改进聚糖反应，试图提高核糖产率，但结果都不理想。

为此，王晓团队提出了一个更为普适的新假说。在本次工作中，他们跳出了聚糖反应的束缚，首先从现代糖分析技术中得到启发，考察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、发酵学、海洋学等多个领域的大量文献进行元分析，发现了一个重要现象：核糖在所有单糖里保留时间最长。

这一点格外引人注目。基于上述现象，他们认为前生物环境中核糖的自然选择很有可能是分离过程决定的，而不是化学反应决定的，而决定核糖这一特殊性质的很可能是它与金属之间较强的配位作用。

配体交换色谱柱上含有固载的金属离子，因为带正电的金属离子会吸引糖；糖上的氧原子喜欢和金属离子结合，这种作用叫做配位作用。配位作用对于其他糖来说，可能没有核糖那么强烈。王晓设想了一种可吸附金属离子的材料，能通过金属离子去吸引糖，这样核糖就能得到富集。于是他想到了黏土。

地壳中的黏土非常丰富，它的主要成分是硅铝酸盐，而它的一大特性就是吸附或交换金属离子。高岭土作为一种最常见的黏土，它的工业用途之一就是吸附重金属离子。有了黏土和金属离子，就有了一个可能选择吸附核糖的“天然固定相”。从这一猜想出发，他提出了一种史前化学的模型，称为“黏土-金属”模型（Metal-Doped-Clay, MDC）。

图｜“黏土-金属”模型（MDC）对核糖自然选择的解释（来源：Chem）

基于该假设，王晓团队开始用实验来验证猜想。研究中，他们采用了几种可吸附二价金属的黏土，并考察了二价铜、二价铁等金属。采用二价金属离子的依据在于，距今约 26 亿年前（原始生命诞生之后），地球上曾发生过一次大氧化事件。

目前普遍认为大氧化事件是由于蓝藻类的生物造成的。在大氧化事件之后，地球上才有大量氧气，金属才能以高价态形式出现。

王晓团队一开始考察了四种五碳糖，发现金属附着的黏土对核糖均有选择性吸附，也就是说核糖在上面吸附得最多。此外，他们使用密度泛函理论（DFT）计算模拟了四种五碳糖和黏土-金属材料的配合物，借此从深层次研究了核糖和黏土-金属结合的特殊稳定性。

然后，他们测试了高岭土、蒙脱石、云母这几种最常见的黏土和金属离子的组合，发现大多数黏土-金属材料（MDC）对 R 都存在选择性吸附。并把该实验拓展到十种四、五、六碳糖的混合物，发现富集在 MDC 上最多的依然是核糖。

实验中，他们还使用了先进的连续流微反应系统，这种反应系统含有一个固定床微反应器，它是一组非常精密的不锈钢模块。他们把 MDC 材料装填在微固定床里，用它来模拟在水流冲刷下的核糖选择性吸附行为，发现直到流动化学实验结束时，MDC 依然可以吸附更多的核糖。王晓把这个过程比作“枕石漱流”：核糖吸附在黏土-金属上（“枕石”），经过水流的涤荡（“漱流”），成为唯一被富集的糖类，完成了自然选择。

图｜核糖在 MDC 上的选择性吸附及用来模拟这一过程的流动化学装置（来源：Chem）

最后，为进一步验证 MDC 模型，他们尝试在聚糖反应中直接加入 MDC 。结果显示，对于复杂的反应混合物，核糖依然是停留在 MDC 上最多的 C5 - C7 单糖。

也就是说，虽然单次聚糖反应的核糖产率有限，但核糖可以通过在 MDC 上选择性吸附和稳定化，最终实现富集。对于“下游反应”，他们测试了 MDC 吸附的核糖对于各类碱基的反应活性，发现其活性与游离核糖没有差异。

同时对 MDC 吸附核糖的稳定性进行了跟踪，发现至少六周以后，吸附的核糖依然存在。这表明，MDC 吸附的核糖在稳定性和反应性之间，实现了一个非常好的平衡，同时解决了这两方面的问题。

除了糖苷化反应外，他们还研究了 MDC 存在下的核苷磷酸化反应，发现相应核苷酸的产率和 5’ 位选择性均高于已报道的最佳条件。简言之，核糖在生成之后，就会吸附并富集在黏土-金属材料上，随后发生糖苷化反应，并通过磷酸化反应来生成核苷酸，最终形成 RNA。

王晓团队推测，富含黏土–金属的地球环境可能形成于冥古宙（Hadean）晚期至太古宙（Archaean）早期。在这一时期，海底热液流体（Hydrothermal Fluid）带出的大量二价金属离子和海底超基性岩作用，生成了黏土–金属。

原始生命诞生于太古宙早期，这一过程应该不会重复发生，因为从太古宙中期开始，陆地出现，海洋面积减小，因此他们推测黏土-金属形成的几率也随之减小。

图 | “黏土-金属”模型对应的地球化学环境（来源：Chem）

2021 年 9 月 23 日，这项工作以“A plausible prebiotic selection of ribose for RNA－formation, dynamic isolation, and nucleotide synthesis based on metal－doped－clays”为题发表在 Chem 上。南大化院 2020 级博士研究生赵泽润为论文第一作者，王晓副教授为通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Chem）

能提出这一假说，也和王晓多年的化学积累有关。2003 年，他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学习，师从著名有机氟化学家丹尼斯·科闰（Dennis Curran）教授，2009 年获博士学位。2008 年至 2011 年，他在美国科学院院士、麻省理工学院（MIT）斯蒂芬·布赫瓦尔德（Stephen Buchwald）教授实验室进行博士后研究。博后研究结束后，他在哈佛大学医学院任 Instructor。2017 年 11 月起，他正式回到南京大学任教。

谈及未来，王晓表示，在短期内他们还将继续探索“ RNA 世界”中的各种难题，比如核糖和碱基的糖苷化反应能否选择性地生成 N9 嘌呤核苷，能否直接生成嘧啶核苷。同时他强调，由于缺乏“化学化石”（Chemical Fossil）的佐证，生命起源的研究是很难有定论的，人们只可能无限接近真相。一个假说或理论要经得住考验，除了它能解决的核心问题外，需要遵循几个要素：符合原始地球环境、逻辑严谨、能和现代生物学接轨。他们会努力做到这几点。

专业支持：猫学长

参考：

1. Ze-Run Zhao、Xiao Wang，Chem23,（2021）

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2451929421004642