東京工業大學（Tokyo Institute of Technology）的研究人員提出了地球早期戊糖合成的新途徑，彌合了前生物化學與生命構件之間的鴻溝，對我們了解生物化學和天體生物學具有重要意義。

戊糖是現代生命形式新陳代謝中不可或缺的碳水化合物，但由於這些分子不穩定，因此尚不清楚它們在地球早期是否存在。日本東京工業大學地球生命科學研究所（ELSI）領導的一項新研究揭示了一種與早期地球條件相適應的化學途徑，透過這種途徑，C6 醛酸酯可以作為戊糖的來源，而不需要酶。他們的發現提供了原始生物化學的線索，使我們更接近了解生命起源。

一項新研究提供了有關原始生物化學的線索，使我們更接近了解生命的起源。圖片來源：美國太空總署戈達德太空飛行中心概念圖像實驗室

地球早期的生化挑戰

地球上的生命是從簡單的化學物質中產生的，這是生物化學乃至整個科學領域最令人興奮而又最具挑戰性的課題之一。現代生命形式可以透過複雜的化學網絡將營養物質轉化為各種化合物；此外，它們還可以利用酶催化非常特殊的轉化，從而實現對所產生分子的精細控制。然而，在生命出現並變得更加複雜之前，酵素是不存在的。因此，在地球歷史的早期，很可能存在著各種非酵素化學網絡，它們可以將環境中的營養物質轉化為支持原始細胞功能的化合物。

戊糖：早期生命的基石

戊糖的合成就是上述情況的一個突出例子。這些只含有五個碳原子的單醣是RNA 和其他分子的基本組成單位，而這些分子對我們所知的生命是必不可少的。科學家提出並研究了生命起源之前產生戊糖的各種方式，但目前的理論提出了一個問題：如果這些化合物的壽命極短，那麼戊糖如何積累到足以參與生命起源前反應的數量？

為了解決這個問題，由ELSI 研究員易瑞琴領導的研究小組最近開展了一項研究，為早期地球上戊糖的起源和持續供應尋找另一種解釋。他們探索了一個無酶化學網絡，在這個網絡中，C6醛酸酯（一種穩定的六碳碳水化合物）從各種前生物糖源積累起來，然後再轉化回戊糖。

(a) 導致醛酸酯累積的原生代謝戊糖建議途徑，然後是非選擇性氧化成脲酸酯、羰基遷移和β-脫羧。(b) 磷酸戊糖途徑的前幾個步驟，以作比較。

戊糖合成的新途徑

所提出的化學途徑以葡萄糖酸鹽開始，這是一種穩定的C6 醛酸酯，在地球早期通過已知的基本醣類的前生物轉化很容易獲得。下一步是將C6 醛酸酯非選擇性地氧化成脲酸酯；這裡的”非選擇性”是指氧化過程不區分醛酸酯結構中的各種碳原子，因此有五種可能的氧化結果。

透過實驗和理論分析，研究人員深入研究了各種氧化產物，以弄清楚反應網絡的細節。有趣的是，他們發現，無論氧化發生在哪裡，生成的尿酸鹽化合物都會發生一種被稱為”羰基遷移”的分子內轉化，直到形成特定的3-oxo-URONATE 化合物。一旦達到這種狀態，在H2O2 和亞鐵催化劑的作用下，3-氧代-尿苷酸鹽很容易透過β-脫羧轉化為戊糖，而這兩種物質都與早期地球的條件相符。

在建立並測試了這個複雜反應網絡的整個過程後，研究人員注意到它與現代生化途徑有著重要的相似之處。領銜作者易瑞勤強調：「我們證明了五碳糖的非酵素合成途徑，它依賴化學轉化，讓人聯想到磷酸戊糖途徑的第一步，而磷酸戊糖途徑是新陳代謝的核心途徑。這些結果證明，前生物的糖合成可能與現存的生化途徑有重疊。鑑於醣類在現代新陳代謝中無處不在，所提出的反應網絡可能對第一批類生命系統的出現非常重要。”

天體生物學影響與未來研究

本研究的發現對天體化學和天體生物學具有重要意義。在1969 年墜落地球的著名碳質隕石默奇森（Murchison）隕石中發現了大量的醛酸酯。與此相反，在現代生物系統中發現的典型碳水化合物卻不在其中。這意味著醛酸酯可以在地外條件下形成和積累，而本研究表明，它們可能在生命組成元素的起源過程中扮演重要角色。Yi補充說：”我們希望這項工作能掀起下一波天體生物學的熱潮，將重點放在醛糖的研究上。”

在未來的研究中，研究小組將重點放在C6醛酸酯是否能在地球早期累積到足夠的量，以作為原生代謝出現的”養分”。

首席研究員易瑞琴總結道：”我們希望進一步了解這些醛酸酯如何從經典的前生物糖反應中生成，如甲糖反應和基里亞尼-費舍爾同源反應。值得注意的是，這些經典的前生物糖反應在現代新陳代謝中並不存在，因此，所提出的非酶途徑可以作為早期醣類和理論上最早的生命形式所使用的碳水化合物之間一座急需的橋樑。”