摘要

RNA 和 DNA 是化学和生物进化的产物的假设促使我们寻找替代核酸，这些核酸可能在生命出现的早期出现——具有共价和非共价自组装倾向的聚合物，RNA 没有表现出来. 佐治亚理工学院Nicholas V. Hud教授团队的研究揭示了一小组候选的祖先核碱基，它们自组装成六聚体玫瑰花结，在水中堆积形成长的、扭曲的、刚性的超分子聚合物。这些结构表现出的特性为阻碍寻找益生元核酸合成的长期存在的问题提供了强有力的解决方案。

此外，他们通过实验和计算方法的检查提供了对控制特定类别的水溶性一维超分子聚合物的化学和物理原理的深入了解。除了有效的自组装外，它们的长度和多分散性还受到各种带正电的平面化合物的调节；它们的组装和拆卸控制在极窄的 pH 范围内；它们表现出对称性的自发破坏；在水凝胶形成过程中，通过非共价交联出现同手性。这些候选祖先核碱基中的一些自发地与核糖和其他糖类形成糖苷键，最重要的是，这些杂环的官能化形式在合理的益生元条件下形成超分子结构和共价聚合物。这个视角讲述了一段发现之旅，它继续为有关生命起源的问题提供有吸引力的答案，并揭示控制水溶性超分子聚合物结构和性质的原理。相关论文以题为Water-Soluble Supramolecular Polymers of Paired and Stacked Heterocycles: Assembly, Structure, Properties, and a Possible Path to Pre-RNA发表在《J. Am. Chem. Soc.》上。

主图

图 1. (A) 由六个氢键单体形成的六联体玫瑰花结的化学结构，以及这些六联体堆叠形成超分子聚合物时的示意图。(B) TAPAS 和氰尿酸 (Cy) 自组装超分子聚合物的 AFM 地形图像和 (C) TEM 显微照片。(D) 图中显示并在文本中讨论的氮杂环碱基及其衍生物的结构。

水中杂环的自组装——原核碱基的定向搜索

图 2. 在水中自组装成超分子聚合物的选定分子的化学结构：(A) G-四联体，(B) TAPAS-Cy 六联体，(C) 双环 Janus 型 G/C 单体，(50) (D) ) 三环 Janus 型 G/C 单体，(E) 三聚氰胺和三个修饰的胸腺嘧啶核碱基的四联体，(F) 双官能化脲基三嗪单元，由六碳间隔基与手性环氧乙烷侧链连接，(G) NDPA（萘二亚胺末端 - 用锌配位的二吡啶乙二胺受体基序功能化），（H）PMI-CA（用六碳羧酸修饰的苝酰亚胺），和（I）Watson-Crick GC碱基对，它不会在水中作为自由自组装 单体，但显示为大小比较。

图 3. 团队认为包含祖始 RNA 聚合物或原始 RNA 的合理候选原始核碱基的化学空间和选择标准。现存的 RNA 核碱基、腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶的特征被用来定义和限制这个化学空间的范围。所有可能的嘌呤（结构 1-27）和所有可能的具有环外 -H、=O 或 -NH2 基团的嘧啶（结构 28-81）都存在。底行（结构 82-91）是具有这些环外基团的 1,3,5-三嗪。为简单起见，省略存在的不同互变异构体或氧化态。预期与现有核碱基配对向前兼容的杂环以黑色显示。当杂环作为核苷掺入时，不能与至少两个 H 键与现存的核碱基形成沃森-克里克样碱基对（即，对于信息传递不前向兼容）以浅灰色显示。杂环被证明与该图表中至少一个其他杂环组装在一起，因为水中的单体被虚线框包围。显示与糖形成核苷的杂环用黑色框起来。在陨石或模型益生元反应中识别的杂环用洋红色框。杂环显示具有良好的光稳定性或在 210 nm 以上没有紫外线吸收，被认为是益生元生存能力的一个重要参数，用蓝色框起来。为清楚起见，方框指示的信息不适用于浅灰色显示的杂环。

水溶性 TAPAS-Cy 和 TAP-CyCo6 Hexad Rosette 组件的性质

TAPAS-Cy 和 TAP-CyCo6 六聚体组装满足在水中形成超分子聚合物的先决条件：它们的单体单元是水溶性的，它们可以通过互补氢键自发组装成具有近 2 nm2 疏水表面积的玫瑰花结。通过实验，观察到 TAPAS 与 Cy 或 TAP 与 CyCo6 的水性缓冲溶液 (pH 7) 在特征 MAC 之上形成稳定的水凝胶，这表明超分子聚合物的形成。