海洋高压、潮汐环境下基于N-磷酰化氨基酸的原始细胞自组装研究——“膜、蛋白、核酸”三合一共起源

The origin of life is one of most important scientific frontier issues which still remains unsolved. Water is essential for life. The vast ocean not only provides abundant water resources for life, but also gives life effective shelter in the hostile environment on the early Earth. Therefore, ocean is considered as the promising cradle of life..Nowadays, the evolution of functional macromolecules from simple to complex and the self-assembly process of protocells have become hot spots for the origin of life study. To our best knowledge, phosphorus could play an important catalysis and regulation role in the prebiotic chemical evolution. Besides, there are some synergistic effects among the membrane, protein and nucleic acid in life process..Consequently, this project will simulate the proposed prebiotic synthesis condition of marine environment, such as the submarine high pressure and the ocean tidal effect, for studying the common origins of membranes, proteins and nucleic acids. Here, phosphorus in the N-phosphoryl amino acid molecular evolution model plays the significant regulation role. On this basis, the self-assembly process of the protocell and the effects of above-mentioned marine environment on the prebiotic synthesis of building blocks will be investigated systematically. The project implementation will help us understand the relationship between the self-assembly of protocells and marine high pressure and tidal environment from the molecular level. And it will provide more scientific evidence to support the hypothesis that life on our planet could begin in the blue seas.

生命起源是自然科学亟待解决的三大核心问题之一，是人类不懈追求的重要科学前沿问题。水是生命活动的重要成分。海洋不仅为生命提供丰富的水资源，还在生命之初的恶劣环境中给予生命有效的庇护，海洋因此有可能成为最佳的“生命的摇篮”。.在著名的Miller火花放电实验65周年后的今天，功能大分子由简单到复杂的进化过程以及原始细胞的自组装过程成为人类关注的焦点。生命起源过程中，磷元素起到了重要的催化与调控作用，并且膜、蛋白、核酸之间也存在协同促进作用。因此，本项目利用海洋特有的前生源反应条件，即海洋的高压及“干-热-湿交替循环”的潮汐环境，以N-磷酰化氨基酸为分子进化模型，研究磷调控下的“膜、蛋白、核酸”共起源，以及在此基础上的原始细胞自组装；对比高压与潮汐环境对生命物质的前生源合成以及原始细胞的有序组装会产生哪些不同的影响；从分子层面探寻原始细胞的自组装与海洋的关系，为生命从海洋发生提供科学依据。

在生命的化学起源过程中，如何在“混沌”的分子世界中有序组装原始细胞一直是人们关注的焦点。项目的执行，聚焦“前生源有效磷源是否在氨基酸成肽、核苷磷酸化、原始细胞膜前体组装等原始细胞自组装所需物质储备、组装关键步骤中起到协同催化、调控作用”这一科学问题，建立了基于磷调控的“膜、蛋白、核酸”三合一共起源的化学进化分子模型；考察模拟海洋潮汐环境的干湿循环体系中基于N-磷酰化氨基酸的原始细胞自组装的分子基础；从分子层面探寻原始细胞自组装与海洋，特别是潮汐现象的关系，为生命从海洋发生提供更丰富的科学依据。.主要研究成果包括：.1）设计、搭建了一套自动控制反应温度、时长以及pH环境的干湿循环装置，用于模拟海洋潮汐干-湿循环，以此研究磷活化下氨基酸、膜前体及核苷 “三合一”反应体系的自组装成肽、成寡聚核酸、成膜反应。.2）发现氨基酸、脂肪酸膜前体及核苷 “三合一”反应体系中，前生源有效磷源——三偏磷酸钠(P3m)，不仅可以活化氨基酸成肽（包括具有催化活性的复杂功能小肽），实现核苷的磷酸化，还可以活化膜前体脂肪酸，通过生成磷酸与脂肪酸混酐中间体，与氨基酸反应得到N-酰基化氨基酸（NAAs）。无机磷活化脂肪酸与氨基酸反应生成NAAs的相关反应机制是首次提出。.3）NAAs是一种功能性膜前体，可以自组装成囊泡，还可以参与脂肪酸膜前体自组装，降低体系的临界囊泡浓度（CVC）。P3m参与氨基酸、膜前体及核苷的“三合一”反应体系，可以增加反应体系膜前体的复杂程度，有利于囊泡的生成，通过P3m活化实现膜与肽之间的协同共生，在功能化原细胞的出现中起着重要作用。 .4）磷活化下的氨基酸、膜前体及核苷 “三合一”反应体系，肽、酰化氨基酸类膜前体，以及核苷酸的生成三类反应存在竞争抑制关系，酰化氨基酸类膜前体的生成会抑制肽的生成；然而，生成的疏水二肽可以促进囊泡的扩增，同时，N-酰化精氨酸膜前体嵌入囊泡层，可以实现核苷酸的定位，这些特点对于原始细胞的自组装具有有利的协同作用。.