解开原始RNA反应中左旋氨基酸的奥秘

虽然人类在美学上喜欢一切事物的对称性，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，以及所有生物的东西。

但是左手氨基酸一词是什么意思?氨基酸是有机分子，碳原子形成其中心骨架。它们通常含有手性碳，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，其结构是彼此的镜像，并且不可叠加，就像我们的左手和右手一样。

根据这些分子相互作用和引导光的方向的方式，它们分为L型(左旋)和D型(右旋)。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。

为了解决这个难题，重要的是要了解原始RNA小螺旋中某些反应中的手性选择性。因此，东京理科大学(TUS)的副教授Tadashi Ando和Koji Tamura教授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氨基酰化反应中氨基酸L-丙氨酸优于D-丙氨酸，而没有任何核酶或酶来指导选择性。氨酰化反应是生物学上重要的反应，涉及在翻译过程中氨基酸与tRNA的连接。

“许多先前的研究表明，氨基酰化中的手性选择性可能是由双螺旋构象约束下的氨基酸侧链的空间位阻冲突引起的。然而，这还没有得到充分解释，“安藤博士说，同时强调”这项研究将帮助我们更接近了解地球上的生物如何利用L-氨基酸以及它们在进化连续体中扮演什么角色。

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)计算的能力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，因为前者可以在化学反应过程中的各个阶段提供原子级结构图片，包括涉及键断裂和形成的阶段，与后者不同。

一旦配备了强大的QM / MM策略，该团队就可以在模拟的RNA上运行L-和D-丙氨酸氨基酰化反应的模拟。自由能剖面分析表明，L-丙氨酸反应的能量势垒比D-丙氨酸反应低9 kcal/mol。

模型机制还表明，在其过渡状态(即反应能量最大的短寿命分子构型)中，L-氨基酸由于其结构中官能团的几何排列而比其D型对应物具有更高的静电稳定性。这一观察结果为RNA小螺旋中L-氨基酸选择性氨基化的趋势提供了以前无法解释的合理原因。

论文中提出的见解使我们更接近于理解驱动氨基酸同手性的机制，这是解码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的研究人员使用这些技术进行进一步的基础和基于应用的研究。

“tRNA氨基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。