摘要

RNA 和 DNA 是化學和生物進化的產物的假設促使我們尋找替代核酸，這些核酸可能在生命出現的早期出現——具有共價和非共價自組裝傾向的聚合物，RNA 沒有表現出來. 佐治亞理工學院 Nicholas V. Hud 教授 團隊 的研究揭示了一小組候選的祖先核堿基，它們自組裝成六聚體玫瑰花結，在水中堆積形成長的、扭曲的、剛性的超分子聚合物。這些結構表現出的特性為阻礙尋找益生元核酸合成的長期存在的問題提供了強有力的解決方案。

此外，他們通過實驗和計算方法的檢查提供了對控制特定類別的水溶性一維超分子聚合物的化學和物理原理的深入了解。除了有效的自組裝外，它們的長度和多分散性還受到各種帶正電的平面化合物的調節； 它們的組裝和拆卸控制在極窄的 pH 范圍內；它們表現出對稱性的自發破壞；在水凝膠形成過程中，通過非共價交聯出現同手性 。這些候選祖先核堿基中的一些自發地與核糖和其他糖類形成糖苷鍵，最重要的是，這些雜環的官能化形式在合理的益生元條件下形成超分子結構和共價聚合物。這個視角講述了一段發現之旅，它繼續為有關生命起源的問題提供有吸引力的答案，并揭示控制水溶性超分子聚合物結構和性質的原理。相關論文以題為 Water-Soluble Supramolecular Polymers of Paired and Stacked Heterocycles: Assembly, Structure, Properties, and a Possible Path to Pre-RNA 發表在《 J. Am. Chem. Soc. 》上。

主圖

圖 1. (A) 由六個氫鍵單體形成的六聯體玫瑰花結的化學結構，以及這些六聯體堆疊形成超分子聚合物時的示意圖。(B) TAPAS 和氰尿酸 (Cy) 自組裝超分子聚合物的 AFM 地形圖像和 (C) TEM 顯微照片。(D) 圖中顯示并在文本中討論的氮雜環堿基及其衍生物的結構。

水中雜環的自組裝——原核堿基的定向搜索

圖 2. 在水中自組裝成超分子聚合物的選定分子的化學結構： (A) G-四聯體，(B) TAPAS-Cy 六聯體，(C) 雙環 Janus 型 G/C 單體，(50) (D) ) 三環 Janus 型 G/C 單體，(E) 三聚氰胺和三個修飾的胸腺嘧啶核堿基的四聯體，(F) 雙官能化脲基三嗪單元，由六碳間隔基與手性環氧乙烷側鏈連接，(G) NDPA（萘二亞胺末端 - 用鋅配位的二吡啶乙二胺受體基序功能化），（H）PMI-CA（用六碳羧酸修飾的苝酰亞胺），和（I）Watson-Crick GC堿基對，它不會在水 中作為自由自組裝 單體，但顯示為大小比較。

圖 3. 團隊 認為包含祖 始 RNA 聚合物或原始 RNA 的合理候選原始核堿基的化學空間和選擇標準。 現存的 RNA 核堿基、腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶的特征被用來定義和限制這個化學空間的范圍。所有可能的嘌呤（結構 1-27）和所有可能的具有環外 -H、=O 或 -NH2 基團的嘧啶（結構 28-81）都存在。底行（結構 82-91）是具有這些環外基團的 1,3,5-三嗪。為簡單起見，省略存在的不同互變異構體或氧化態。預期與現有核堿基配對向前兼容的雜環以黑色顯示。當雜環作為核苷摻入時，不能與至少兩個 H 鍵與現存的核堿基形成沃森 -克里克樣堿基對（即，對于信息傳遞不前向兼容）以淺灰色顯示。雜環被證明與該圖表中至少一個其他雜環組裝在一起，因為水中的單體被虛線框包圍。顯示與糖形成核苷的雜環用黑色框起來。在隕石或模型益生元反應中識別的雜環用洋紅色框。雜環顯示具有良好的光穩定性或在 210 nm 以上沒有紫外線吸收，被認為是益生元生存能力的一個重要參數，用藍色框起來。為清楚起見，方框指示的信息不適用于淺灰色顯示的雜環。

水溶性 TAPAS-Cy 和 TAP-CyCo6 Hexad Rosette 組件的性質

TAPAS-Cy 和 TAP-CyCo6 六聚體組裝滿足在水中形成超分子聚合物的先決條件：它們的單體單元是水溶性的，它們可以通過互補氫鍵自發組裝成具有近 2 nm ² 疏水表面積的玫瑰花結。通過實驗，觀察到 TAPAS 與 Cy 或 TAP 與 CyCo6 的水性緩沖溶液 (pH 7) 在特征 MAC 之上形成穩定的水凝膠，這表明超分子聚合物的形成。

TAP-CyCo6 和 TAP-4MeCyCo6 超分子聚合物的 X 射線纖維衍射結構

圖 4. (A) 由比例為 1:1 的 TAP 和 CyCo6 組成的纖維的 X 射線衍射圖。纖維的取向相對于衍射圖是垂直的。位于層線 8 處的強反射距赤道的倒數距離為 3.4 ? ，表示沿纖維軸堆疊的玫瑰花結。(B) TAP-CyCo6 六聯體的化學結構，說明結構的三重旋轉對稱性。（C-E）TAP-CyCo6 組件的理想化模型的三個視圖，基于每個玫瑰花結 -15°的螺旋扭曲和通過分析 A 中所示的纖維衍射圖案確定的其他結構特征。（F）特寫鏡頭 來自 C-E 所示模型結構的兩個相鄰玫瑰花結的己酸尾部 。

TAP-CyCo6 超分子聚合物的量子力學 (QM) 和分子動力學 (MD) 計算

示意圖 1. 超分子組件中堆疊玫瑰花結六面體的螺旋參數定義 。

控制聚合物長度和多分散性

圖 5. (A–C) 來自每個單體中 30 mM 樣品的 TAP-CyCo6 超分子聚合物的 AFM 圖像。基于 15 mM 的最小組裝濃度，該樣品具有 5 mM 組裝的 TAP-CyCo6 六聯體：分別添加 (A) 0.008、(B) 0.015 和 (C) 0.062 mM TMPyP。插圖顯示了沿著主面板中指示的藍線測量的高度。(D) TAP-CyCo6 聚合物長度在 TMPyP（結構顯示為插圖）與六聯體的各種比率下的相關性的直方圖。

圖 6. (A) 由成對的酸滴定單體和堿滴定單體形成的 超分子聚合物 的雙向 pH 控制組裝和拆卸圖示，這些單體在凈電荷為零時組裝。該模型很好地代表了 TAP-CyCo6/CyCo4系統的 pH 驅動組裝和拆卸。(B) 基于 1H NMR 光譜中未組裝的 CyCo6 單體的表觀量作為 pH 的函數（在 1:1 TAP 中：CyCo6 溶液）（藍色）和 CyCo4+CyCo6（在 1:0.33:0.67 TAP:CyCo4:CyCo6 溶液中）（紅色）。控制 pKa 匹配系統的超分子組裝作為 pH 函數的理論極限顯示為綠色實線。

手性和非手性單體的自發和誘導對稱性破壞

圖 7. (A) TAP-CyCo6 樣品（每個單體 30 mM）在 5 至 40 °C 溫度范圍內獲得的圓二色性 (CD) 光譜。(B) 40 個獨立制備的含有 TAP 和 CyCo6（每個單體中 30 mM）的樣品的 CD 光譜，在 20 °C 下獲得。(C) TAP-CyCo6 凝膠的二維 CD 圖像限制在相隔 0.01 毫米的石英板之間。圖像是通過光柵掃描分光偏振計路徑中的樣品比色皿獲得的，光束已被虹膜限制為 0.8 毫米的橫截面直徑。(D, E) SEM 圖像顯示在兩個不同成像位置的單個 TAP-CyCo6 組件樣本中堆疊的六聯體螺旋束。

參考文獻 ：

doi.org/10.1021/jacs.0c13081

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