氨基酸-核苷手性互选与遗传密码起源关联性的基础研究

It is a very important issue that why nature chose L-α-amino acid for protein backbone and D-nucleoside for Nucleic Acid. This single Chirality selection phenomena is still an unsolved enigma. Since the genetic code is the basic connection between the nucleic acid and protein synthesis, this puzzle might be analyzed through the study on origin of genetic code and its relationship to the chirality selection. In this proposal, a chemical model will be investigated systematically, through the reaction of L/D amino acid with L/D nucleoside as activated by trimetaphosphate (P3m). The modern analytical instrument CD, 31P-NMR, LC-MS will be used to trace and trap the important intermediate (aa-N-NMP) and the final peptide products. Base on the experimental and theoretical results, the rule of the chiral selection of L-amino acid and D-nucleoside for the genetic code origin might be disclosed.

蛋白质和核酸是两类重要的生物大分子，蛋白质是由L-氨基酸组成的，而核酸是由D-核苷组成的, 这种氨基酸与核苷的手性选择的现象是科学上的未解之谜。在生命出现之前的化学进化初期，L-氨基酸和D-核苷的手性又是如何互选的？这一互选机制必然在遗传密码起源过程中发挥作用。在遗传密码和手性选择的早期阶段，化学进化应该占主导作用，且两者可能是协同进化的，然而这方面研究鲜有报道。本项目将以酰胺-核苷酸（aa-N-NMP）作为手性氨基酸和核苷互相选择与遗传密码起源的分子模型，利用CD、31P NMR、LC-MS及理论计算研究不同手性的氨基酸与核苷反应，形成不同镜像异构体aa-N-NMPs的特点及其对形成寡肽的影响，系统研究氨基酸与核苷的手性互选与遗传密码起源的关系。同时也为生命起源于海底热液区提供实验的分子模型。

地球上的生命使用L-氨基酸（L-aa）来构建蛋白质，使用D-核苷（D-Nu）来形成核酸。本项目通过模拟Lost City 热液区的条件，以酰胺-核苷酸（Nucleotide amidate，N-aa-NMP）为化学模型，氨基酸、核苷和三偏磷酸钠（Trimetaphosphate，P3m）为原料进行反应，通过核磁共振（NMR）检测N-aa-NMP，从生命化学起源的角度揭示了L-aa和D-Nu手性选择的内在机理。这项工作采用了15N标记的L-aa，将D-/L-Nu、P3m与等量的L-15N-aa和D-14N-aa进行一锅法反应，分别生成L-15N-aa-NMP和D-14N-aa-NMP。L-15N-aa-NMP的31P-NMR信号由于15N的耦合裂分为双重峰，D-14N-aa-NMP的31P-NMR信号为单峰。31P-NMR数据表明，在D-Nu存在下，L-aa被优先选择形成N-aa-NMP；在L-Nu的存在下，则D-aa更易形成N-aa-NMP。该研究从分子层面揭示了地球生命手性现象，也暗示着宇宙中可能存在一个与地球相反手性系统的镜像生命。. 另外，我们发现在没有核苷存在条件下，P3m可以使脯氨酸自身形成环二肽，且脯氨酸能与其他氨基酸形成含脯氨酸的环二肽，形成该类环二肽过程中，氨基酸的手性具有一定选择性，即在L-Pro存在下，D-aa更易被选择；而在D-Pro存在下，L-aa则更易用于环二肽的生成。该研究揭示了在前生源合成环二肽过程中，可以对手性氨基酸发挥一定的选择偏好性。