2020 年，是王曉離開哈佛大學醫學院回到母校南京大學任教的第三年。也是這一年，他對核糖的自然選擇這個重要的問題進行了大膽探索。

生命如何起源是科學家一直關注的終極謎題。關於生命的起源，學界曾提出很多假說，「 RNA 世界」則是當前最有影響力的假說之一。很多科學家認為，RNA 應該是第一種兼具催化活性和承載遺傳編碼的分子，其骨架正是核糖（ribose）。

隨著時間流逝，核糖逐漸演化成脫氧核糖（deoxy ribose），RNA 也逐漸被 DNA 取代，後者也成為絕大多數生物的遺傳物質。但是，為何 RNA 的骨架是核糖，而不是別的糖？之前有人嘗試探索這個問題，然而沒找到一個簡單、普適而有效的答案。這個問題始終懸而未決。

懸而未決的核糖自然選擇

就這一問題，目前有兩大學派。其一是生物學學派。生物學家認為核糖並非在第一步生成，原始 RNA 骨架才是首先生成的。該學派認為，最初生成的骨架逐漸被核糖取代掉。但問題在於為什麼它會被核糖取代？核糖的專一性也需要得到進一步解釋，而該學派一般認為核糖對 RNA 的構象可起到促進作用。

其二是化學學派。2004 年，時任佛羅里達大學教授的著名生物化學家、古基因學家史蒂文•班納（Steven Benner），首次提出硼酸鹽假說，相關論文發表在 Science。他發現，比起阿拉伯糖、木糖、來蘇糖這三種五碳糖，核糖能和硼酸鹽形成比較穩定的絡合物。

2010 年，時任美國西北大學教授的約瑟夫•B•蘭伯特（Joseph B. Lambert）提出了矽酸鹽假說，相關論文也發表在 Science 上。一時之間，兩種學說引起了廣泛關注，甚至還引發了這兩位著名化學家的論戰。

但是，硼酸鹽假說的局限性在於地殼中硼的儲量太低，因此不能有效推動這一選擇過程；矽酸鹽假說的缺陷在於它無法證明核糖和矽酸鹽的絡合物比其他三種五碳糖絡合物更穩定。二者也存在一個共同的問題，即生成的共價鍵絡合物太過穩定，幾乎不能參與核苷酸合成。

對於這一很少有學者涉足的難題，南京大學化學化工學院的王曉課題組，重新拾起了這一「難啃骨頭」。而要想理解這項成果，必須先介紹聚糖反應。學界普遍認為聚糖反應是一種天然糖合成反應，該反應一般由甲醛分子出發，在鹼的作用下，可生成極其複雜的單糖或多糖混合物。

其中核糖不僅產率極低，在鹼性溶液中也極不穩定，這意味著它無法長時間存在，自然也就難以生成核苷。上述假說的局限性也包括它們認定核糖來自於聚糖反應。對於硼酸鹽假說，儲量極小的硼酸鹽，能遇上產率極小的核糖，是一個小概率事件。化學家們不斷改進聚糖反應，試圖提高核糖產率，但結果都不理想。

為此，王曉團隊提出了一個更為普適的新假說。在本次工作中，他們跳出了聚糖反應的束縛，首先從現代糖分析技術中得到啟發，考察各種單糖在離子色譜或配體交換色譜中的保留行為，通過對分析化學、發酵學、海洋學等多個領域的大量文獻進行元分析，發現了一個重要現象：核糖在所有單糖里保留時間最長。

這一點格外引人注目。基於上述現象，他們認為前生物環境中核糖的自然選擇很有可能是分離過程決定的，而不是化學反應決定的，而決定核糖這一特殊性質的很可能是它與金屬之間較強的配位作用。

提出更具普適性的新假說

配體交換色譜柱上含有固載的金屬離子，因為帶正電的金屬離子會吸引糖；糖上的氧原子喜歡和金屬離子結合，這種作用叫做配位作用。配位作用對於其他糖來說，可能沒有核糖那麼強烈。王曉設想了一種可吸附金屬離子的材料，能通過金屬離子去吸引糖，這樣核糖就能得到富集。於是他想到了黏土。

地殼中的黏土非常豐富，它的主要成分是矽鋁酸鹽，而它的一大特性就是吸附或交換金屬離子。高嶺土作為一種最常見的黏土，它的工業用途之一就是吸附重金屬離子。有了黏土和金屬離子，就有了一個可能選擇吸附核糖的「天然固定相」。從這一猜想出發，他提出了一種史前化學的模型，稱為「黏土-金屬」模型（Metal-Doped-Clay, MDC）。

驗證核糖在黏土 - 金屬上的選擇性吸附

基於該假設，王曉團隊開始用實驗來驗證猜想。研究中，他們採用了幾種可吸附二價金屬的黏土，並考察了二價銅、二價鐵等金屬。採用二價金屬離子的依據在於，距今約 26 億年前（原始生命誕生之後），地球上曾發生過一次大氧化事件。

目前普遍認為大氧化事件是由於藍藻類的生物造成的。在大氧化事件之後，地球上才有大量氧氣，金屬才能以高價態形式出現。

王曉團隊一開始考察了四種五碳糖，發現金屬附著的黏土對核糖均有選擇性吸附，也就是說核糖在上面吸附得最多。此外，他們使用密度泛函理論（DFT）計算模擬了四種五碳糖和黏土-金屬材料的配合物，藉此從深層次研究了核糖和黏土-金屬結合的特殊穩定性。

然後，他們測試了高嶺土、蒙脫石、雲母這幾種最常見的黏土和金屬離子的組合，發現大多數黏土-金屬材料（MDC）對 R 都存在選擇性吸附。並把該實驗拓展到十種四、五、六碳糖的混合物，發現富集在 MDC 上最多的依然是核糖。

實驗中，他們還使用了先進的連續流微反應系統，這種反應系統含有一個固定床微反應器，它是一組非常精密的不鏽鋼模塊。他們把 MDC 材料裝填在微固定床里，用它來模擬在水流沖刷下的核糖選擇性吸附行為，發現直到流動化學實驗結束時，MDC 依然可以吸附更多的核糖。王曉把這個過程比作「枕石漱流」：核糖吸附在黏土-金屬上（「枕石」），經過水流的滌盪（「漱流」），成為唯一被富集的糖類，完成了自然選擇。

最後，為進一步驗證 MDC 模型，他們嘗試在聚糖反應中直接加入 MDC 。結果顯示，對於複雜的反應混合物，核糖依然是停留在 MDC 上最多的 C5 - C7 單糖。

也就是說，雖然單次聚糖反應的核糖產率有限，但核糖可以通過在 MDC 上選擇性吸附和穩定化，最終實現富集。對於「下游反應」，他們測試了 MDC 吸附的核糖對於各類鹼基的反應活性，發現其活性與游離核糖沒有差異。

同時對 MDC 吸附核糖的穩定性進行了跟蹤，發現至少六周以後，吸附的核糖依然存在。這表明，MDC 吸附的核糖在穩定性和反應性之間，實現了一個非常好的平衡，同時解決了這兩方面的問題。

除了糖苷化反應外，他們還研究了 MDC 存在下的核苷磷酸化反應，發現相應核苷酸的產率和 5』 位選擇性均高於已報導的最佳條件。簡言之，核糖在生成之後，就會吸附並富集在黏土-金屬材料上，隨後發生糖苷化反應，並通過磷酸化反應來生成核苷酸，最終形成 RNA。

王曉團隊推測，富含黏土–金屬的地球環境可能形成於冥古宙（Hadean）晚期至太古宙（Archaean）早期。在這一時期，海底熱液流體（Hydrothermal Fluid）帶出的大量二價金屬離子和海底超基性岩作用，生成了黏土–金屬。

原始生命誕生於太古宙早期，這一過程應該不會重複發生，因為從太古宙中期開始，陸地出現，海洋面積減小，因此他們推測黏土-金屬形成的機率也隨之減小。

2021 年 9 月 23 日，這項工作以「A plausible prebiotic selection of ribose for RNA－formation, dynamic isolation, and nucleotide synthesis based on metal－doped－clays」為題發表在 Chem 上。南大化院 2020 級博士研究生趙澤潤為論文第一作者，王曉副教授為通訊作者[1]。

能提出這一假說，也和王曉多年的化學積累有關。2003 年，他畢業於南京大學化學系，獲理學學士學位。同年赴美國匹茲堡大學學習，師從著名有機氟化學家丹尼斯·科閏（Dennis Curran）教授，2009 年獲博士學位。2008 年至 2011 年，他在美國科學院院士、麻省理工學院（MIT）史蒂芬·布赫瓦爾德（Stephen Buchwald）教授實驗室進行博士後研究。博後研究結束後，他在哈佛大學醫學院任 Instructor。2017 年 11 月起，他正式回到南京大學任教。

談及未來，王曉表示，在短期內他們還將繼續探索「 RNA 世界」中的各種難題，比如核糖和鹼基的糖苷化反應能否選擇性地生成 N9 嘌呤核苷，能否直接生成嘧啶核苷。同時他強調，由於缺乏「化學化石」（Chemical Fossil）的佐證，生命起源的研究是很難有定論的，人們只可能無限接近真相。一個假說或理論要經得住考驗，除了它能解決的核心問題外，需要遵循幾個要素：符合原始地球環境、邏輯嚴謹、能和現代生物學接軌。他們會努力做到這幾點。

專業支持：貓學長

參考：

1. Ze-Run Zhao、Xiao Wang，Chem23,（2021）

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2451929421004642