解开原始RNA反应中左手氨基酸的谜团

虽然人类对所有事物的对称性都有一种审美偏好，但当涉及到氨基酸时，大自然更喜欢不对称的单手形式——蛋白质的组成部分，推而广之，所有生物的组成部分。

但是左手氨基酸这个术语是什么意思呢?氨基酸是以碳原子构成其中心骨架的有机分子。它们通常包含一个手性碳，即连接到四个不同官能团的碳。这使得氨基酸具有光学活性的手性分子具有互为镜像且不可叠加的结构，就像我们的左手和右手一样。

根据这些分子相互作用和控制光的方向的方式，它们分为L型(左手)和D型(右手)。令人着迷的是，自然界产生的所有蛋白质都是由L型氨基酸链组成的。这种现象被称为生物学或氨基酸同手性，其进化起源和潜在机制一直是一个长期存在的科学难题。

要解决这个难题，重要的是要了解在原始RNA微型螺旋的某些反应中看到的手性选择性。因此，东京理科大学(TUS)副教授TadashiAndo和教授KojiTamura研究了这些反应背后的可能机制及其手性选择性。

他们发表在《生活》杂志上的研究使用计算机模拟来阐明为什么在原始RNA氨酰化反应中氨基酸L-丙氨酸优于D-丙氨酸，而没有任何核酶或酶控制选择性。氨基酰化反应是生物学上重要的反应，涉及在翻译过程中将氨基酸连接到tRNA。

“许多先前的研究表明，氨酰化的手性选择性可能是由双螺旋构象约束下氨基酸侧链的空间冲突引起的。然而，这尚未得到充分解释，”安藤博士在强调事实上，“这项研究将帮助我们更深入地了解地球上的生物体是如何利用L-氨基酸的，以及它们在进化连续体中扮演的角色。”

通过实验直接观察RNA中的手性选择性反应非常具有挑战性。因此，该团队采用了分子动力学(MD)模拟策略，将基于薛定谔方程的量子力学(QM)计算与基于牛顿经典力学的分子力学(MM)计算相结合。该团队选择了基于QM/MM的MD方法而不是传统的MD方法，因为与后者不同，前者可以在化学反应的各个阶段提供原子级结构图，包括涉及键断裂和形成的那些。

一旦配备了强大的QM/MM策略，该团队就可以在建模的RNA上运行L-和D-丙氨酸氨基酰化反应的模拟。自由能分布分析表明，L-丙氨酸反应的能垒比D-丙氨酸反应的能垒低9kcal/mol。

模型机制还表明，当处于过渡态时——即反应能量最大的短暂分子构型——L-氨基酸比其D型对应物具有更高的静电稳定性，这是由于官能团的几何排列在它的结构中。这一观察结果为之前无法解释的RNA微型螺旋中L-氨基酸的选择性氨酰化趋势提供了一个合理的理由。

论文中提出的见解使我们更进一步了解驱动氨基酸同手性的机制，这是破译生命化学起源的重要一步。该团队认为，除了揭开这个谜团之外，研究中强调的QM/MM计算的精确使用将鼓励更多研究人员使用这些技术进行进一步的基础和应用研究。

“tRNA氨酰化是蛋白质合成中的关键反应，使用计算科学阐明L-氨基酸选择性有望导致控制手性选择性反应的蛋白质工程和核酸工程的新发展，”Ando博士总结道。