Sự sống đã bắt đầu từ đâu?

NGUỒN GỐC SỰ SỐNG

Sự sống đã bắt đầu từ đâu (tiếp)

Protein sử dụng cofactor để thậm chí mở rộng phạm vi các phản ứng mà nó có thể xúc tác. Và hóa ra enzyme RNA cũng sử dụng cofactor. Vào năm 2003, Hiroaki Suga, nay thuộc Đại học Tokyo, đã tạo ra một enzyme RNA có thể oxy hóa cồn, với sự trợ giúp của cofactor NAD+. Những tháng sau đó, Ronald Breaker tại đại học Yale đã tìm ra một enzyme RNA tự nhiên, dọi là glmS, cũng sử dụng một cofactor. Nhiều vi khuẩn sử dụng glmS, vì thế hoặc nó là tổ tiên hoặc các enzymes RNA sử dụng cofactor đã tiến hóa một cách dễ dàng. Một trong hai cách, có vẻ miễn sao phân tử RNA có thể mang khả năng thực hiện nhiều phản ứng để tạo ra năng lượng. Vì thế bằng chứng rằng từng có một thế giới RNA đang tỏ ra thuyế phục hơn bao giờ hết. Chỉ có một số ít ý kiến bất đồng. Sự sống đã bắt đầu từ đâu

Nhưng vẫn còn một vấn đề lớn và rõ ràng còn tồn tại: RNA đầu tiên đã đến từ đâu?

Các phân tử RNA là chuỗi các nucleotide, được tạo nên từ một đường và một base cùng một gốc phosphate gắn vào. Trong các tế bào sống, nhiều enzyme đã tiến hóa trong việc tạo ra nucleotide và gắn chúng lại với nhau, nhưng tất nhiên trên hành tinh thuở tân tạo không hề có những enzyme như vậy. Tuy nhiên vẫn có . Vào năm 1996, nhà hóa sinh học Leslie Orgel đã chỉ ra rằng khi các nucleotide “đã kích hoạt” – là nucleotide có thêm một gốc phosphate gắn vào – được bổ sung vào một loại đất sét  núi lửa, phân tử RNA dài đến 55 nucleotide được tạo ra. Với nucleotide thông thường sự hình thành các RNA lớn có thể không được thuận lợi về mặt năng lượng, nhưng các nuleotide được kích hoạt lại cung cấp năng lượng cần để vận hành phản ứng này.

Điều này gợi ý rằng nếu có rất nhiều nucleotide được hoạt hóa trên Trái Đất sơ khai, các phân tử RNA lớn có thể được hình thành một cách tự nhiên. Thêm nữa, các thí nghiệm về các điều kiện kích thích trên Trái Đất nguyên thủy và thiên thạch cho ra rằng đường, base và phosphate có thể cũng phát sinh tự nhiên như vậy. Gắn các nucleotide vào với nhau là một việc khó khăn; hình như không có cách nào để ghép các thành phần lại mà các cần enzyme chuyên hóa. Vì cấu trúc của phân tử, gần như không thể gắn đường vào base, và kể cả khi nó diễn ra, phân tử cũng nhanh chóng võ vụn ra. Sự s ống đã bắt đầu từ đâu

Điều này rõ ràng là khó khăn không thể vượt qua, đưa nhiều nhà sinh học đến nghi vấn  rằng RNA không phải yếu tố sao chép đầu tiên. Nhiều người bắt đầu khám phá khả năng rằng thế giới RNA có thể được đi trước bởi thế giới TNA (Threose nucleic acid), hoặc một thế giới PNA (peptide nucleic acid) hoặc có lẽ là ANA (arabinose nucleic acid). Đây đều là các phân tử tương tự RNA nhưng có các đơn vị cơ bản được cho ra có nhiều khả năng để tự hình thành hơn. Vấn đề lớn với ý tưởng này là nếu sự sống bắt đầu theo cách đó, không còn bằng chứng nào hết. Sự sống đã bắt đầu từ đâu

Trong khi đó, John Sutherland từ phòng thí nghiệm Sinh học phân tử MRC, vẫn đang nỗ lực bền bỉ nhằm giải quyết vấn đề về nucleotide. Ông nhận ra rằng các nhà nghiên cứu có lẽ đang theo đuổi nó nhầm cách. “Trong mỗi nucleotide, bạn thấy một đường, một base và một nhóm phosphate,” ông nói. “Vì thế bạn giả định bạn cần phải tạo ra các khối cấu trúc này trước tiên và sau đó gắn chúng lại với nhau … và nó không diễn ra như thế.”

Thay vào đó ông tự hỏi liệu các phân tử đơn giản hơn có chăng lắp ráp thành một nucleotide mà trước đó không trở thành đường và base. Năm 2009, ông đã chứng minh điều này có thể. Ông lấy một nửa của một đường và một nửa của base, và gắn chúng với nhau – hình thành liên kết đường – base then chốt mà bấy lâu mọi người đang vật lộn. Sau đó ông gắn nốt phần còn lại của phân từ đường và base. Sutherland đính gốc phosphate vào sau cùng, dù ông thấy rằng nó cần có mặt trong hỗn hợp để các phản ứng trước đó diễn ra. “Sutherland đã tạo nên một bước đột phá thực sự,” Holliger nói. “Những người còn lại đang nhầm lẫn lâu nay.” Sự sống đã bắt đầu từ đâu

Hóa học Goldilock

Trái Đất nguyên thủy là một nơi đầy hỗn độn và đó lại lý tưởng để tạo ra nucleotide. Lúc ấy, Sutherland đã mường tường rằng có một “Hóa học Goldilock” – không quá đơn giản, không quá phức tạp – để tạo ra nhiều hợp chất quan trọng từ cùng một nồi đúc. Năm 2015 ông đã chứng minh điều đó, chỉ ra rằng tiền thân của ribonucleotide, lipid và amino acid có thể được tạo ra từ hai thành phần đơn giản mà phong phú trên Trái Đất non trẻ – HCN và H2S – cộng với tia cực tím. Sự sống đã bắt đầu từ đâu

Vấn đề vẫn chưa được giải quyết xong hoàn toàn đâu. RNA có 4 loại nucleotide khác nhau, và đến nay Sutherland mới tạo ra được 2 trong 4. Tuy nhiên ông nói rằng ông đang “tiến đến rất gần” 2 nucleotide còn lại. Nếu ông thành công, nó sẽ chỉ ra rằng sự hình thành ngẫu nhiên của một yếu tố sao chép là RNA không phải là không thể xảy ra, và yếu tố sao chép đầu tiên rất có khả năng là RNA. Sự sống đã bắt đầu từ đâu

Tất nhiên nhiều câu hỏi vẫn còn đó. Sự sống đầu tiên là như thế nào? Làm thế nào chuyển thành DNA và protein, và sự phát triển của các mã di truyền diễn ra? Chúng ta có lẽ không bao giờ biết chắc chắn nhưng nhiều đại lộ đầy hứa hẹn đang được khai phá. Nhiều nhà sinh học nghĩ phải có một cái gì giống như một tế bào ngay sau điểm khởi đầu, để chứa yếu tố sao chép và giữ các thành phần của nó. Theo cách này, từng tế bào có thể cạnh tranh nguồn sống và tiến hóa theo những cách khác nhau. Sự sống đã bắt đầu từ đâu

Cre: Royal Society of Chemistry

Jack Szostak từ đại học Harvard đã chỉ ra rằng chính những viên sét tạo ra các chuỗi RNA cũng thúc đẩy sự hình thành các túi có màng bao bọc. Ông đã nuôi “các tiền tế bào” có thể mang và sao chép RNA và thậm chí là phân chia mà không cần bộ máy nội bào ngày nay. Sự sống đã bắt đầu từ đâu

Một ý tưởng khác là sự sống bắt đầu từ vực nước nóng kiềm tính ở nền đáy đại dương. Nó không chỉ là những vực đầy lỗ và bong bóng, mà chúng còn cung cấp gradient điện hóa nhằm tạo ra năng lượng trong tế bào. Các điều kiện có vẻ là lý tưởng cho việc tạo ra các chuỗi RNA dài.

Holliger lại có một ý tưởng khác: có thể nó diễn ra toàn bộ ở trong băng. Tại thời điểm sự sống phát sinh, Mặt Trời tối hơn ngày nay 30 phần trăm. Hành tinh có thể bị băng giá bao phủ nếu khí quyển chưa có đầy khí nhà xanh, và có thể có băng tuyết về phía các cực. RNA lạnh tồn tại lâu hơn, và băng tuyết có nhiều lợi ích khác. Thú vị là, R18 và tC9Y RNA enzyme hoạt động tốt ở trong băng hơn là so với nhiệt độ phòng – tC9Y thậm chí còn tổng hợp RNA ở nhiệt độ -19oC. Và vào năm 2015, Holliger đã xác định rằng các vòng lặp lại của đóng băng – tan băng cho phép các phân tử RNA phức tạp được lắp ráp một cách tự nhiên từ các RNA đơn giản hơn.

Ngay lúc này, không có cách nào để chọn giữa hai phương án này. Không có di tích hóa thạch nào còn sót lại về yếu tố sao chép đầu tiên mà chúng ta biết. Nhưng chúng ta có thể thử tái tạo thế giới RNA để xác định cách mà có lẽ nó được phát sinh. Một ngày không xa, Sutherland nói, một ai đó sẽ lấp đầy một vật chứa bằng một hỗn hợp các hợp chất sơ khai, giữ chúng trong những điều kiện phù hợp, và xem sự sống phát sinh. “Thí nghiệm này sẽ được thực hiện.”

Nguồn tham khảo: Origin, Evolution, Extinction – The epic story of life on Earth. NewScientist collection Vol.3, issue 2.

Iceberg (biên tập)

tapchisinhhoc.com