生命起源的证据：通过水、碳一分子、金属矿石形成原始细胞膜

地球海底碱性热液流体是十分重要的非生物固碳场所，目前被认为是某些区域的非生物石油成因、为生命起源积累原始有机质的类似生物碳循环的模型以及承接地球有机-无机碳循环的重要桥梁，在近年来受到了广泛的关注。在高温高压碱性热液喷口中，水-矿石催化界面促成了无机碳转化为有机碳的非平衡碳循环过程，也即蛇纹石化分解水产生的活性氢还原二氧化碳（CO₂）的非生物合成被认为是提供了必要的有机化合物用于化学自养的原始代谢和生命的起源。这中从“无”到“有”的过程激发了上海交通大学金放鸣团队的探索兴趣，旨在复制早期地球的核心代谢途径和构筑生命的有机分子模块，其中分子栅栏（原始细胞膜）是生命起源的关键，因为它允许反应组分（尤其是水）的通过，提高了古细胞生命系统的稳健性。

图1. Acetyl-CoA路径（红色）及其扩展路径（蓝色）

在现代生物系统中，分子栅栏是由长链脂肪酸组成的脂质膜囊泡来实现的。在多种生物的CO₂固定途径中，基于钴和镍辅助因子的乙酰辅酶A（acetyl-CoA）途径因其线性、放能且不依赖三磷酸腺苷（ATP）的特点，被认为在所有生命形式的最后共同祖先中起到了关键作用。这一路径被认为是生命出现之前的代谢起源，并且能够进一步通过acetyl-CoA扩展路线碳链增长为C4、C6羧酸和醇。然而，目前尚不清楚在碱性热液环境中，特别是长碳链的脂肪酸能否通过非生物的CO₂固定合成，且在生命出现之前形成脂肪酸膜的可能性仍未可知。

近日，上海交通大学金放鸣团队研究报道了模拟碱性海底热液系统条件下，成功将CO₂升级转化为C5以上的羧酸，并自组装形成囊泡微滴。本研究首先参考羧酸合成生物酶中过渡金属辅酶因子活性中心及其元素在地壳中的丰度，合成制备Co–Ni合金催化剂作为矿物模型。同时碱性热液环境为CO₂固定提供了良好的场所，多碳产物的产生往往伴随着丰富的甲酸盐碳一分子，是碳链进一步增长合成羧酸的关键。通过气相色谱-质谱（GC–MS）分析水热反应后产物，该团队证实了碳数达到七的脂肪羧酸和脂肪醇的形成。得益于脂肪醇的促进作用，在显微镜下观察到脂肪酸能够在碱性、酸性和浓盐水溶液中进一步自组装形成微米级囊泡微滴，并且能够保持稳定性。

图2. 羧酸以及囊泡的识别

更为关键的是，该团队经过一系列实验、表征验证表明碱性水热羧酸的合成路径中，甲酰基（HCO*）以及由甲酰基形成的二聚体（CHOCHOH*）是碳-碳偶联的活性中间体，并通过脱水缩合的方式与HCOO^–/HCOO*以一次一个碳或两个碳进行不对称偶联增长碳链，而非经过典型的费托合成路径。这种羧酸的非生物合成与acetyl-CoA途径类似。理论计算发现合金中钴、镍分别吸附活化HCO*和HCOO*，相比于单金属，双金属的协同降低了不对称偶联活化能垒，从而在催化羧酸合成中具有特异性和优势性。

图3. 羧酸合成反应路径及DFT计算

该团队的研究揭示了古细胞脂肪酸膜的非生物成因，为生命起源提供了坚实的科学依据。通过模拟自然的水热反应技术，为CO₂合成羧酸提供了新途径，有望推动CO₂资源化以及能源储存转化等多种领域的发展。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是上海交通大学博士研究生朱沛东，通讯作者为上海交通大学何道平副教授和金放鸣教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Prebiotic Synthesis of Microdroplets from Formate over a Bimetallic Cobalt−Nickel Nanomotif

Peidong Zhu, Chunling Wang, Junyu Lang, Daoping He*, Fangming Jin*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 25005–25015, DOI: 10.1021/jacs.4c06989

作者简介

朱沛东，上海交通大学环境科学与工程学院2018级博士研究生。主要研究方向为二氧化碳资源化以及功能性催化材料开发等研究。博士期间，以第一作者身份在Journal of the American Chemical Society、Science Bulletin、Chemical Communications等期刊发表SCI论文3篇，申请专利3项。

何道平，2023年11月加入上海交通大学中英国际低碳学院，副教授，国家及上海市高层次青年人才（2023），专注于前生命热液碳氮化学循环、深部生命起源与地球宜居性等研究；以第一/通讯作者在Nature Chemistry、Nature Catalysis、PNAS（2）、JACS（2）等国际期刊发表研究论文，并被PNAS选为研究亮点作专题评述；获得Director's Achievement Award（2022 & 2023，World Premier International Research Center Initiative）、IC-DLI Deep Life Paper（2022）以及上海交通大学“十大科技进展”（2024）。

金放鸣，长江学者特聘教授，现任上海交通大学（环境科学与工程学院）特聘教授，博士生导师，学校学术委员会委员。国务院政府特殊津贴专家；清华大学固体废物处理与环境安全教育部重点实验室学术委员会副主任；日本东北大学环境科学研究院Fellow（5名中唯一的亚洲人）；日本东北大学客座教授；日本理化学研究所客座研究员；Japan Prize（素称日本诺奖，诺奖得主J. Goodenough和吉野彰曾获此奖）官方提名人；Scientific Reports和Energy Science & Engineering杂志编委，Low Carbon Energy, Environment and Management Journal, Carbon Neutrality副主编。长期以来主要从事生物质（包括有机废弃物）和CO₂水热资源化利用的研究，成果卓著，基于研究成果开发的首台垃圾水热资源化工业设备已成功运行，研究成果得到国际同行专家的高度评价。如：（1）在PNAS, JACS, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., Energy & Environmental Science, Science Bulletin, Green Chemistry, Environmental Science & Technology, AIChE Journal, Chem Comm等与资源、能源、化学等相关的高质量国际知名学术杂志发表学术论文近300篇，60多项高创新专利；（2）2006年7月接受日本顶级报社朝日新闻采访，见报于2006年8月（题目：生物质最前沿），2009年3月经清华大学金涌院士推荐接受中央电视台新闻频道采访，并在CCTV新闻频道播放2次（题目：低碳·新探索）；（3）成功开发了首台湿垃圾水热转化产腐殖酸工业化设备（设计处理能力100吨/天），于2019年成功运行并用于上海浦东新区高东镇全镇湿垃圾处理，模拟自然加快地球碳资源循环理念的生物质/有机废物以及CO₂水热资源化研究成果受到CCTV、中纪委、学习强国等权威媒体的专题采访与密集报道；（4）连续两年（2018-2019）入选爱思唯尔高被引用中国学者；（5）作为项目负责人和主要研究者先后承担了30多个科研项目（如日本JST项目、国家自然科学重点项目、863等项目），重大国际会议主旨/邀请报告数十次，主持定期国际会议多次，应邀编写Spring book 2部，编写The ACS Series Book中的一部，合作编写英语专著2部。