这种化学反应是否创造了地球上生命的基石

生命是如何开始的?早期地球上的化学反应是如何创造出复杂的、自我复制的结构并发展成我们所知道的生物的?根据一种学派的观点，在当前基于DNA的生命时代之前，存在一种称为RNA(或核糖核酸)的分子。

RNA仍然是当今生命的重要组成部分，它可以自我复制并催化其他化学反应。

但RNA分子本身是由称为核糖核苷酸的更小的成分组成的。这些构建块将如何在早期地球上形成的，然后组合成RNA?

像我这样的化学家正试图重建生命初期形成RNA所需的反应链，但这是一项具有挑战性的任务。我们知道，产生核糖核苷酸的任何化学反应都一定能够在数十亿年前我们星球上混乱、复杂的环境中发生。

我一直在研究“自催化”反应是否发挥了作用。这些反应会产生化学物质，从而促使相同的反应再次发生，这意味着它们可以在多种情况下维持自身。

在我们发表在《化学科学》上的最新著作中中，我和我的同事将自催化整合到了一种众所周知的化学途径中，用于生产核糖核苷酸构件，这可能发生在早期地球上发现的简单分子和复杂条件下。

甲糖反应

自催化反应在生物学中发挥着至关重要的作用，从调节我们的心跳到在贝壳上形成图案。事实上，生命本身的复制，即一个细胞从环境中吸收营养和能量来产生两个细胞，是自催化的一个特别复杂的例子。

一种称为甲醛反应的化学反应于1861年首次发现，是早期地球上可能发生的自催化反应的最佳例子之一。

本质上，甲糖反应始于一种称为乙醇醛(由氢、碳和氧组成)的简单化合物的一个分子，并以两个分子结束。该机制依赖于另一种称为甲醛的简单化合物的持续供应。

乙醇醛和甲醛之间的反应会产生更大的分子，并分裂出碎片，这些碎片会反馈到反应中并使其继续进行。然而，一旦甲醛耗尽，反应就会停止，产物开始从复杂的糖分子降解为焦油。

甲醛反应与众所周知的制造核糖核苷酸的化学途径(称为波纳-萨瑟兰途径)有一些共同的成分。然而，到目前为止，还没有人试图将两者联系起来——有充分的理由。

这种反应因“无选择性”而臭名昭著。这意味着它会在您想要的实际产品旁边产生大量无用的分子。

核糖核苷酸途径中的自催化扭曲

在我们的研究中，我们尝试在甲糖反应中添加另一种称为氰胺的简单分子。这使得反应过程中产生的一些分子有可能被“吸走”以产生核糖核苷酸。

该反应仍然不会产生大量的核糖核苷酸构件。然而，它确实产生的物质更稳定并且不太可能降解。

我们研究的有趣之处在于甲糖反应和核糖核苷酸生产的整合。之前的研究分别对每一项进行了研究，这反映了化学家通常如何思考制造分子。

一般来说，化学家倾向于避免复杂性，以最大限度地提高产品的数量和纯度。然而，这种还原论方法可能会阻止我们研究不同化学途径之间的动态相互作用。

这些相互作用在实验室之外的现实世界中随处可见，可以说是化学和生物学之间的桥梁。

工业应用

自催化也有工业应用。当您将氰胺添加到甲糖反应中时，另一种产物是一种称为2-氨基恶唑的化合物，它用于化学研究和许多药物的生产。

传统的2-氨基恶唑生产通常使用氰胺和乙醇醛，后者价格昂贵。如果可以使用甲糖反应来制备，则只需要少量的乙醇醛即可启动反应，从而降低成本。

我们的实验室目前正在优化这一过程，希望我们能够操纵自催化反应，使常见的化学反应更便宜、更高效，并且使他们的药品更容易获得。也许它不会像创造生命本身那么重要，但我们认为它仍然是值得的。