宁波大学新药技术研究院的赵玉芬院士课题组致力于推动生命起源领域的发展。2023年3月，课题组在《Earth and Planetary Science Letters》杂志上发表题为“Urea-mediated warm ponds: Prebiotic formation of carbamoyl amino acids on the primordial Earth”(Earth Planet. Sci. Lett., 2023, 607: 118072)的研究论文，报道了前生命（生命出现之前）多肽合成过程中的前体物质氨甲酰氨基酸/氨甲酰肽在早期地球上的高产率合成，并通过15N同位素标记法研究了反应的相关机理。提出了温暖的碱性尿素池可能作为前生命肽前体的发源地。（图1）
图1：早期地球上温暖的碱性尿素池中氨甲酰氨基酸的高效合成
在生命进化过程中，前生命肽的出现是一个至关重要的事件，然而它们在早期地球上恶劣条件下的合成一直是一个谜。氨基酸(AAs)形成多肽的非生物合成反应有着许多的障碍，包括高活化能、不利的热力学和副反应。因此常常需要通过添加催化剂或者通过一些非氨基酸组分作为肽前体来合成前生命肽。氨甲酰氨基酸（CAAs）作为早期地球上前生命肽的重要前体物质已被报道，CAAs可以形成N-羧酸氢化物(NCAs)，然后通过N端延伸聚合，或者环化成恶唑酮，在C端开始延伸，最终导致肽的形成。（图2）
图 2：由肽前体CAA合成前生命肽的路径
然而，关于CAAs在前生命条件下的形成的研究却很少。AAs与熔融尿素反应可生成CAAs[1]。在微波辅助下用尿素和AA钠盐合成CAAs也有报道[2]。然而，早期的地球主要是一个水环境，没有强烈的微波辐射[3]。因此有必要寻找一种前生命合理环境条件下的CAAs的合成路径。
图3 氨基酸与尿素反应的相关机理通过15N同位素标记法被证实
尿素作为前生命条件下大量存在的一种物质，已被证明可以浓缩聚集，赵玉芬院士团队通过模拟早期地球条件，将20种氨基酸分别放入高浓度的尿素池中反应，在反应后都观察到了相应的CAA，除此之外，该反应对于氨甲酰肽的合成也适用。与此同时，通过15N同位素标记法对反应的追踪（图3a），以及结合高分辨质谱对反应后混合物的观察（图3b），发现反应过程中的NH3来源于尿素。
由于早期地球上的条件极其恶劣，尤其是有着强烈的紫外线照射，基于此，该工作还研究了氨基酸与尿素在紫外照射下的反应，对照组不加尿素。结果表明，在一个温暖的碱性尿素池中，肽前体被有效的合成并保存，而没有尿素的对照实验中，经过高分辨质谱的观察发现信号极弱，即基本被紫外线破坏。这进一步说明了早期地球上温暖的碱性尿素池对肽前体合成及保存的重要性，这对生命后续的进化至关重要!
该论文第一作者为宁波大学2020级硕士研究生甘定伟，理论分析部分由天津科技大学雷翔敏博士完成。通讯作者为宁波大学傅松森博士和应见喜副研究员。该工作得到国家自然科学基金委、中国科学院空间科学与应用总体部的资助。
参考文献：
[1] MITA H, NOMOTO S, TERASAKI M, et al. Prebiotic formation of polyamino acids in molten urea [J]. International Journal of Astrobiology, 2005, 4(02).
[2] VERARDO G, GEATTI P, STRAZZOLINI P. Rapid and Efficient Microwave-Assisted Synthesis of N-Carbamoyl-L-amino Acids [J]. Cheminform, 2007, 37(45): 1833-44.
[3] MARTIN W, BAROSS J, KELLEY D, et al. Hydrothermal vents and the origin of life [J]. Nature reviews Microbiology, 2008, 6(11): 805-14.
