Nature 40年后再突破，这次人工合成细胞膜更天然！

小奇

2020-10-14

众所周知，生命的构建离不开磷脂，人们在所有活生物体中都发现了由甘油磷脂组成的细胞膜。对于磷脂的发现是追溯到1812年Uauquelin在人脑中发现的，后在1844年，Gobley将磷脂从蛋黄中分离出来，后命名为Lecithin（卵磷脂）。并在上世纪商业化后逐渐进入保健品行业。

在细菌和真核生物中，它们利用自身巧妙地化学反应合成了含有一个亲水头基和两个疏水尾地二酰基磷脂，这个过程涉及几种生物酶的参与，而且这些酶必须通过膜结合才能产生酶活性，因此目前尚不清楚在没有酶促机制的情况下是否会形成磷脂膜。

早在1977年Nature期刊上发表了D. W. DEAMER等人利用使用干湿循环，在双氰胺的存在下，单酸甘油酯、短链脂肪酸和磷酸酯之间的无酶反应可以产生具有醚键和相对短的酰基链的甘油磷脂。甘油磷酸的酰化可以在过量的活化的酰基咪唑衍生物的存在下进行，但是由于酰化前体的疏水性，该反应需要在有机助溶剂下进行，这就导致形成不自然的二酰基磷脂。

成果简介

鉴于此，加州大学圣地亚哥分校Neal K. Devaraj等人证明了通过溶血磷脂和酰基供体之间的离子配对和自组装的结合，而在水中进行酰基转移反应，可以实现无酶合成天然二酰基磷脂。

师法自然

在细胞中，溶血磷脂酯化需要酰基硫酯和酰基转移酶的作用。受此启发，如图1a所示，研究人员设想：用合成的酰基硫代酯（2）代替酰基辅酶A能否在水中酰化1-酰基-2-羟基-sn-甘油-3-磷酸胆碱（1）以得到所需的天然磷脂酰胆碱（PCs）（3）。2上的离子化极性头基可通过增加长链酰基硫代酯在水中的溶解度并驱动胶束的自组装来促进酰基转移。

转化率达94%

为了提高所需的二酰基磷脂的收率，研究人员寻求了一种在不使酰基供体的水解最小的同时增加转酰化收率的方法。主要原因是反应过程中的四面体中间体4（图1b）的ΔG无法被2a降低，因此研究人员试图合成一种将稳定反应中间体的酰基供体。原则上，酰基供体2上带正电荷的离去基团会导致与溶血磷脂1的带负电荷的磷酸基团发生有利的库伦相互作用，从而稳定中间体4并通过离子配对加速预期的酰化反应。

基于该假设，研究人员制备了带正电荷的季胺头基的2b，实现了在37°C下放置5h后，溶血磷脂1a向DOPC 3a的转化率达94％，而相比之下，带有负电荷的2a或中性电荷的2c只有1%的转化率。表明，离子配对参与了溶血磷脂的酰基转移反应。

图1. 无酶合成天然磷脂

图2进行密度泛函理论计算，在酰基转移反应中，类似于2b的含季铵试剂的反应性更高。此外，反应中间体的优化结构表明分子内库伦相互作用对于四面体中间体的稳定性很重要。这说明2上带正电荷的头基可稳定反应中间体，从而实现有效的酰基转移。

图2. 硫酯电荷对磷脂合成的预测影响

探讨生命起源

许多研究表明，生命可能起源于碱性热液喷口或苏打湖。研究人员在碱性碳酸氢盐缓冲液（pH 9.5–10.6），以及使用来自碱性热液喷口或苏打湖水样分别进行合成，均实现了将1a与2b酰化形成磷脂3a。这说明天然碱性水源将成为硫酯介导的溶血磷脂酰化的优越环境。

表1. 使用不同水源水合成磷脂3a

形成细胞样大囊泡和具有细胞膜功能

研究人员通过比较研究发现该转酰基反应是高度化学选择性的，一定是需要两亲性生物分子才可进行。在延时荧光显微镜观察时发现，通过在水中进行酯化反应来合成二酰基磷脂，观察到了细胞样脂质膜的从头合成，形成大的囊泡。

所有活生物体都利用质子梯度穿过磷脂膜来产生能量，而普通的两亲性是没有这功能的。通过将碱性产生的磷脂囊泡置于酸性水中，研究发现在碱性水源中产生的二酰基磷脂膜能够在数小时内形成并维持质子梯度。这也试图推测在膜的早期起源中可能发生了类似的现象，也许是因为碱性热液排放水被稀释在哈德海的更酸性的水中。

图3. 无酶形成磷脂膜

小结

综上所述，天然磷脂的高产率水合成为细胞膜的起源提供了新的可能途径，并表明在复杂的生命发展之前可能已经掺入了二酰基磷脂。此外，相信在水中使用离子对和自组装来显着加速反应并控制反应选择性将在绿色化学中得到应用，例如在肽和聚糖的水合成中。

参考文献：

Liu, L., Zou, Y., Bhattacharya, A. et al. Enzyme-free synthesis of natural phospholipids in water. Nat. Chem. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41557-020-00559-0