关于生命起源的猜想自古有之。

其中化学起源说，就认为经过复杂的化学反应，地球上的非生命物质逐渐演变成了复杂的生命。

氨基酸是构成蛋白质的基本单元，而蛋白质则是生命体的重要组成部分。

七十多年前的科学家就通过无机化学反应，探讨了生命起源的可能。

1952年，来自芝加哥大学的S.米勒和H.尤里提出了著名的米勒-尤里反应（Miller-Urey experiment）。水、甲烷、氨和氢气，科学家将这些地球早期可能存在的气体密封在容器中，施加放电，在最后的反应产物中，检测到了多种氨基酸。放电，就是在模拟雷电等自然现象可能产生的能量。

这一实验结果，支持了生命可能起源于无机物通过一系列化学反应逐步演化的观点。

而张彪彪此次的实验成果甘氨酸，则是目前所有氨基酸中，结构最为简单的一种。越简单，意味着越基础，不少复杂的氨基酸就是在甘氨酸的基础上衍生出来的。

在日常生产生活中，甘氨酸的用处也很大。作为构成蛋白质的基本结构单元之一，甘氨酸在体内参与多种代谢过程，对于维持细胞功能和组织修复至关重要，在食品、医药等多个领域得到了广泛的应用。

关于甘氨酸的制备，目前有多种方法，常见的有化学合成法和生物转化法。

其中，化学合成法主要通过甲烷与氨合成粗制的氰化氢，再经过一系列反应得到甘氨酸；而生物转化法则利用微生物菌属将乙醇胺等底物转化为甘氨酸。

这些方法或在反应过程会对环境造成污染，或控制难度大、制作周期长，并且目前也没有高效小分子合成氨基酸的方法。

因此，探索小分子合成氨基酸的方法和机制，对于获取丰富、低成本的氨基酸和揭示生命起源具有重要意义。

为什么想到光合成甘氨酸？

张彪彪团队想要利用光催化的形式来做一些复杂的化学反应，而相较于热催化和电催化，光催化可以同时利用光生空穴和电子在半导体表面同时发生氧化和还原反应，具有完成多步复杂化学反应的可能性。

而在产物上，自然联想到了氨基酸，应用范围很广，又与生命起源有着千丝万缕的联系。光催化的特殊性，对于涉及多个氧化还原和C-N偶联步骤的小分子直接合成氨基酸具有独特的优势。

在查阅文献时，一篇发表于1934年的论文，引起了张彪彪团队的注意。

论文提及，可以利用乙二醇和硝酸盐来制备甘氨酸，但是该研究较为浅显，产量也十分低。

于是团队开始思考，是否可以改良这个“配方”，引入一些新的催化体系来加速反应？

一个是最简单的饱和一元醇，一个则是最简单的二元醇，有没有可能用甲醇替代乙二醇参与反应？

经过尝试，研究团队最终锁定了甲醇和硝酸盐分别作为碳源和氮源，通过构建C-C和C-N键直接合成氨基酸。

甲醇和硝酸盐，这两个原材料在日常生活中十分常见。

甲醇，或许很多人略有耳闻，工业酒精中除了大量乙醇，还会含有甲醇，工业酒精中毒就是甲醇进入人体产生了毒性；除此之外，甲醇还可以用于制造大家都很熟悉的甲醛，在农药领域，甲醇也是一些农药如杀虫剂、杀菌剂的原料。

硝酸盐是硝酸与金属反应形成的盐类，日常生活中十分常见，可以被用于食品的防腐和保鲜。不少新闻报道，吃了腊肉、咸菜这些腌制食品后发生食物中毒，这是因为硝酸盐在特定条件下被还原为了亚硝酸盐，而亚硝酸盐对人体有害，不仅如此，亚硝酸盐达到一定剂量时，是致癌、致畸、致突变的物质，严重危害人体健康。

基于此，研究团队首次提出了一种甘氨酸合成“新配方1.0”（图1），在光催化的作用下，甲醇和硝酸盐可以高效合成甘氨酸。

图1 甲醇和硝酸盐光合成甘氨酸

这个化学方程式看上去，有些令人意外的简单。事实上，从原料到产物，这其中蕴藏了非常复杂且具有挑战性的多步串联催化反应。看似简单，实则环环相扣，巧妙至极。

首先，研究团队引入了重要催化剂——二氧化钛，他们发现在锐钛矿二氧化钛上可以实现甲醇和硝酸盐光合成少量甘氨酸，并且发现甲醇和硝酸盐的摩尔比对甘氨酸的生成至关重要。

知其然，知其所以然。在发现甲醇和硝酸盐可以光合成甘氨酸之后，张彪彪团队更想搞明白，这样一个复杂的多步反应是如何发生。

通过反应中间体的检测和多个对照实验，实验室最终揭示了一个明确清晰的路径——

两分子甲醇反应生成乙二醇，乙二醇进一步氧化生成乙醛酸，再与硝酸根光还原生成的氨反应形成C-N键，生成的亚胺很容易还原转化为甘氨酸（图2）。

图2. 甘氨酸形成的反应途径。(a)不同反应物的对照实验。(b)甲醇和硝酸盐光催化制甘氨酸的明确光催化反应序列。(c)甲醇和硝酸盐光转化为甘氨酸的反应途径。

这两种原本可能有害的物质，在光催化的作用下，竟然生成了最简单的氨基酸！

不得不感叹，自然，妙不可言。

在得到一个“新配方”，并理解了它的反应机理之后，张彪彪团队开始尝试用不同的策略来提升光合成甘氨酸的生成速率。

第一步，引入钡离子作为助催化剂。

此前的机理研究证明，反应过程中硝酸根需要还原到氨这一步非常重要。通过文献，研究团队发现发现钡离子引入可以促进这一步反应的发生。通过引入钡离子，甘氨酸的产率由60 μmol g_cat^-1 h^-1（微摩尔每克每小时）提升至380 μmol g_cat^-1 h^-1，提高到原来的6倍多，且在20h的反应时间内实现了甘氨酸的线性增长。

第二步，引入不同外来质子，将反应溶液调节成酸性。

研究团队通过表征分析发现，Ba²⁺-TiO₂上丰富的羟基和超亲水性有助于形成足够的活性氧（•OH）和更多的甲醇吸附位点，并且大量的游离质子有利于光催化还原硝酸盐为氨。

从甘氨酸生成路径来看，多步反应都需要多个质子的参与，因此酸性条件可能更有利于甘氨酸的生成。因此，研究团队通过不同外源质子的引入，使用缓冲质子源甲酸铵，最终，甘氨酸的产率提升至870 μmol g_cat^-1 h^-1，比一开始的产率提高了约15倍。

除此之外，研究团队还注意到了硝酸盐的作用。

前面说到，硝酸根需要还原到氨，再进行下一步反应，理论上，是否可以直接引入氨，岂不是更省事？

但是，通过实验对比，研究团队发现直接以氨作为原料没有硝酸根参与无法生成甘氨酸，进一步的研究表面硝酸根生成的硝酸根自由基可以一定程度抑制了甲醇的过度氧化，对C-H键选择性活化。硝酸盐的加入有利于甲醇的氧化偶联和乙醛酸的形成，这就代表硝酸盐的加入是必须且重要的一环。

至此，这个“新配方2.0”诞生了（图3）。

图3 甲醇和硝酸盐光合成甘氨酸的反应路径和机理揭示。

回到开头的问题，这项研究跟生命起源有什么关系？

张彪彪实验室的研究，让我们开始畅想原始地球上氨基酸形成的一条新途径——

亿万年前的地球，海水中存在着多种多样的小分子，甲醇和硝酸盐就可能在其中，海水中还有半导体矿物质，在阳光的照射下，神奇的光化学反应发生了，在一片混沌之中，诞生了生命的奇迹。

科学研究的影响是深远的、持续的，同时，或许也是“滞后的”。张彪彪团队的这项研究，距离实际运用到工业界还有很长的一段距离，但是谁也无法预料，十年，二十年之后，会不会有其他科学家从这篇文章里找到灵感，找到更加振奋人心的发现，就如同那篇九十年前的论文，帮助张彪彪团队找到了甘氨酸合成新体系。

西湖大学博士生李培凤为文章第一作者，西湖大学理学院、人工光合作用与太阳能燃料中心PI张彪彪教授为文章通讯作者。上述研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、白马湖实验室、西湖大学未来产业研究中心等经费支持。