硫酯介导的水相RNA氨基酰化与肽基-RNA合成机制揭示生命起源关键步骤

本研究针对生命起源中核酸与蛋白质相互作用的化学基础这一重大科学问题，通过系统研究硫酯介导的RNA氨基酰化反应机制，解决了非酶促条件下RNA 2',3'-二醇选择性氨基酰化的长期挑战。研究人员发现生物硫酯（1）在水相中能高效、选择性地将14种蛋白源性氨基酸（包括Arg、Ala等）转移至RNA末端，且双链RNA可增强位点选择性。更突破性地揭示了硫酯/硫酸活化模式的切换可正交控制RNA氨基酰化和肽键形成，首次实现中性pH水相中两步一锅法合成肽基-RNA（40）。该研究为理解前生物化学条件下蛋白质生物合成的起源提供了关键化学基础，相关成果发表在《Nature》杂志。

生命如何从简单的化学分子演化为具有复杂遗传密码系统的生物体？这个困扰科学界数十年的问题，其核心在于理解核酸与蛋白质之间相互依赖关系的起源。现代生物体中，蛋白质的合成完全依赖于核糖体翻译系统（RPS），而有趣的是，催化tRNA氨基酰化的氨酰-tRNA合成酶（aaRS）本身又是该系统的产物——这个"先有鸡还是先有蛋"的因果悖论，使得非酶促RNA氨基酰化机制的发现成为揭示生命起源的关键突破口。然而，现有化学体系难以在水相中实现RNA 2',3'-二醇的选择性氨基酰化，更无法避免游离氨基酸的随机聚合，这使得前生物条件下遗传密码系统的产生机制长期悬而未决。

针对这一重大科学问题，Jyoti Singh、Benjamin Thoma等研究者另辟蹊径，从生命体内普遍存在的硫酯代谢入手，系统研究了生物硫酯（1）介导的RNA氨基酰化反应。研究团队通过核磁共振（NMR）、聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）等技术，结合冷冻浓缩反应体系，揭示了硫酯分子独特的化学选择性和反应动力学特征。特别值得注意的是，实验设计涵盖了从单核苷酸到双链寡核苷酸的多层次验证，并系统考察了14种蛋白源性氨基酸的兼容性。

选择性氨基酰化机制的突破

研究发现氨基酸硫酯（1）展现出惊人的化学选择性：在pH 6.5水相中，尽管存在大量竞争性水分子和游离氨基，硫酯优先与RNA末端的2',3'-二醇反应，几乎不产生背景肽键。这种选择性在双链RNA（ds-RNA）中更为显著——Watson-Crick双链结构能完全抑制内部2'-羟基的氨基酰化，使反应专一性地发生在3'末端。精氨酸硫酯（L-1^e_Arg）表现尤为突出，其通过侧链胍基的分子内亲核催化形成环状中间体33，使腺苷（16A）氨基酰化产率高达76%。

硫酯分子的前生物合成路径

研究团队进一步探索了硫酯分子的非生物合成途径：在模拟前生物环境的冷冻磷酸盐缓冲液中（-7℃），α-氨基腈（8）与硫醇（5）反应可直接生成氨基酸硫酯（1）。特别值得注意的是，天冬氨酸酐（34_Asp）与硫醇反应时表现出显著的α-选择性（α/β=12:1），为蛋白源性氨基酸的化学选择提供了内在机制。

正交控制的肽基-RNA合成

最具突破性的发现在于反应模式的化学切换：将硫酯（1）原位氧化为硫酸（11）后，反应选择性完全逆转——原本惰性的氨基开始高效形成肽键，而二醇氨基酰化被抑制。基于这一原理，研究成功实现了中性pH水相中"两步一锅法"合成肽基-RNA（40），产率高达95%。这种正交控制完美模拟了现代生物体内aaRS和核糖体的分工协作。

这项研究从根本上改变了我们对前生物蛋白质合成机制的认识：首先，硫酯分子作为生命核心代谢物，可能早在aaRS出现前就介导了RNA的氨基酰化；其次，双链RNA的结构特性为氨基酰化的位点选择提供了天然解决方案；最重要的是，硫酯/硫酸活化模式的切换机制表明，遗传密码系统的两大关键步骤——RNA氨基酰化和肽链延伸，可能通过简单的化学控制即可实现。这些发现不仅为生命起源研究提供了新的化学框架，也为合成生物学中人工遗传系统的设计开辟了新思路。正如研究者指出的，这项工作将生物能量学（硫酯世界假说）与分子信息学（RNA世界假说）有机统一，为破解生命起源这一终极谜题提供了关键拼图。