Nature：自催化有机小分子模拟“瓶中生命”

生命的本质是什么？如果是一连串复杂的化学反应，那么人类有机会彻底认清生命，甚至在烧瓶中制造生命。科学家们对于这类问题的不懈求索，动力可以说来源于两方面：其一是人类想知道生命如何起源；其二是人类盼望能在实验室中制造人造生命。

生命的一大特点是能在分子到器官的各个层次上进行自我复制。第一个生命起源前自我复制分子可能类似于RNA，不过非遗传性的自我复制分子在生命起源中也起到重要作用。最近Nature报道了哈佛大学George M. Whitesides教授（点击查看介绍）团队发现的能在自催化过程中实现自我复制的有机分子，它能产生自己的催化剂，该系统对环境的变化能够产生复杂、非线性的响应（类似于生物体）。这是第一例拥有复杂行为的反应网络和自催化系统，而该系统仅含有简单的生命相关的有机小分子。（Autocatalytic, bistable, oscillatory networks of biologically relevant organic reactions. Nature, 2016, 537, 656-660, DOI: 10.1038/nature19776）

George M. Whitesides教授。图片来源：Harvard University

涉及自催化的生命系统模型最早出现在1910年，它曾被用来解释人口动态中的振荡现象、同手性（homochirality，指组成生物体的分子仅仅具有某一种手性，例如，所有的天然氨基酸分子基本都是左旋）的起源、以及细胞系统的形状形成。不过，尽管物理学家Charles Frank认为在实验室里模拟这一过程并非不可能，要真的找到这样的自催化化学反应绝非易事，何况还要模拟生命体系。上世纪50年代该领域取得了突破性进展，化学家Boris Belousov发现了一种类似于生物体柠檬酸循环的无机化学振荡体系（即著名的Belousov-Zhabotinsky反应、B-Z振荡）。从此以后很多无机小分子构建的自催化反应网络纷纷出现。一些涉及有机大分子如酶、多肽甚至DNA的自催化系统也有报道。哈佛大学的George M. Whitesides等人的这篇文章则揭示了生命大分子与无机小分子间不为人知的纽带。

传统上考虑自催化在生命起源中的作用，往往涉及那些能自我复制且包含信息的大分子（例如包含遗传信息的RNA）是如何在早期地球上以简单分子为原料进行合成。但这项研究的重点却不在复杂生物大分子的形成，而在于生命相关反应中复杂行为的起源。他们构建的自催化反应网络中有含硫小分子：硫酯和硫醇。这些化合物在代谢过程中有重要作用，硫酯更是被证明与原始代谢循环有关。代谢产物数量的振荡常受酶催化反应驱动。而本文的反应网络不需要酶，它纯粹是有机小分子的自催化反应。

图1. 反应引发、自催化、抑制过程。图片来源：Nature

在分子层面上，一个反应的产物会作为自催化剂与反应物分子结合，促进反应进行，一直重复该过程复制自身。在Whitesides等人的自催化系统中，硫醇一为二，二为四……硫醇产生的速率越来越快。最终，该过程会消耗所有反应原料，达到热力学上的平衡。但只要源源不断补充硫酯（该自催化过程的“燃料”分子），就能远离稳态。

图2. 反应网络的行为。a) 硫醇的浓度上升速率越来越快；b) 如果在体系中引入能够破坏硫醇的分子，系统会产生一个双稳态开关，硫醇浓度高低的状态由燃料输入速率控制；c) 引入抑制硫醇产生的反应会产生硫醇浓度的振荡。图片来源：Nature

当研究者把自催化、反应抑制和产物破坏过程混合在一起，类似生命体系中的行为出现了：系统不是在双稳态间转换（图2b）就是在两者间振荡（图2c）。反应物的流入速率决定了反应网络的行为。

细胞中的许多循环过程都是开关和振荡过程。“关”（低反应速率）和“开”（高反应速率）间的转换使细胞能够处理环境信号这样的信息。从单细胞行为到多细胞协作的转变，自催化同样起到重要作用。例如，细菌会通过自催化过程同步整个菌落的行动。

图3. 文中所用连续搅拌槽反应器（CSTR）图释及输入输出过程。图片来源：Nature

然而，从挑选一些化合物在反应器中反应到形成真正的生命还有很长很长一段路要走。化学信息的空间组织在这一转变中非常关键，细胞中尤其如此。细胞壁将生命体与环境隔离开，并控制“食物”和化学信息的流入。该信息通常由细胞中酶相关的反应网络处理。要想看到细胞中重现Whitesides等人的自催化系统很困难，因为能允许硫酯渗透的细胞壁也不会阻挡该反应网络中的任何其他物质。而要证明该研究中所关注的反应是否是地球上生命起源过程中的一步，必须先解决上述的细胞壁问题。

总之，Whitesides等人的自催化有机反应网络为设计具有一定功能的非平衡态系统提供了新的启发，也将促进仿生系统以及自调节、可进化化学系统的设计。

氘评：化学振荡并不新鲜了，但本文构建的纯粹有机小分子反应网络使化学振荡研究向生命起源迈出了重要一步。顺便提一句，发现B-Z振荡开启新领域的Belousov和Zhabotinsky都是俄国人。而提出耗散结构理论，被誉为现代动力学之父的Prigogine也是出生在俄国，本文的第一作者Sergey N. Semenov不是俄国人也至少是斯拉夫人了，难道斯拉夫民族在研究非线性过程中有独特的优势？

编译自：

http://www.nature.com/nature/journal/v537/n7622/full/537627a.html

http://www.nature.com/nature/journal/v537/n7622/full/nature19776.html

写在最后：

去年10月一个非常偶然的机会关注了X-MOL，恰逢屠呦呦女士荣获诺奖，我心血来潮写了篇介绍青蒿素的文章，投了中了，自此一发不可收拾。这篇是在X-MOL发表的第47篇文章了，一年过得真快。每周写稿几乎成了生活习惯。特别想感谢编辑部的兄弟姐妹和读者们的厚爱，我会继续努力，多读多想，奉献更好的作品。也祝愿X-MOL在化学圈内外继续扩大影响，成为最好的化学科研资讯和科普平台。

（本文由氘氘斋供稿）

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