Sự sống đã bắt đầu như thế nào

NGUỒN GỐC SỰ SỐNG

Ánh bình minh của sự sống Sự sống đã bắt đầu như thế nào

Sự sống hẳn bắt đầu từ một yếu tố sao chép duy nhất – nhưng nó là gì và nó đã hoạt động ra sao? 

Bốn tỉ năm trước: bề mặt của một hành tinh mới hình thành xung quanh một ngôi sao có kích cỡ trung bình đang bắt đầu nguội dần. Đó là một nơi nguy hiểm, bị bắn phá dữ dội bởi thiên thạch và những vụ rung chuyển do núi lửa phun trào, với một bầu khí quyển đầy khí độc. Nhưng sau đó có những điều không tưởng diễn ra. Một phân tử có khả năng tự sao chép chính nó xuất hiện. Sự sống đã bắt đầu như thế nào

Đó là ánh bình mình của tiến hóa. Ngay khi thực thể tự sao chép đầu tiên xuất hiện, chọn lọc tự nhiên đã tác động lên, hỗ trợ cho bất cứ hậu duệ nào với các biến dị có thể khiến chúng trở nên tuyệt vời hơn về khía cạnh tự sao chép. Phần còn lại là thời kỳ tiền sử. Cả tỉ năm sau, một trong số các hậu duệ của các tế bào đầu tiên đã tiến hóa thành các sinh vật đủ thông minh để trăn trở một câu hỏi về tổ tiên đầu tiên của mình. Phân tử nào đã khởi đầu cho tất cả? Sự sống đã bắt đầu như thế nào

Quay ngược về những năm 1960s, một số ít trong số các sinh vật thông minh này bắt đầu hoài nghi về phân tử tự sao chép đầu tiên là có bản chất RNA, một người anh em gần của DNA. Tuy nhiên, ý tưởng này luôn là một vấn đề – không có một cách đã biết nào mà qua đó phân tử RNA có thể hình thành trên Trái Đất sơ khai ấy. Và nếu RNA không thể được hình thành một cách tự nhiên, làm thế nào phân tử RNA tự sao chép lại xuất hiện được? Liệu có phải có yếu tố sao chép nào trước đó? Nếu có, nó là gì? Câu trả lời cuối cùng cũng dần hiện lên.

Khi các nhà khoa học bắt đầu suy ngẫm về cách sự sống khởi phát, câu hỏi dường như thật rối rắm. Trong tất cả các sinh vật sống ngày nay, công việc nặng nhọc được thực hiện bởi các protein. Protein có thể cuộn gập thành nhiều cấu trúc đa dạng, vì thế chúng có thể làm gần như mọi việc, bao gồm việc hoạt động như enzyme xúc tác cho nhiều phản ứng. Tuy nhiên, thông tin cần để tạo ra protein lại nằm trong phân tử DNA. Bạn không thể tạo ra một protein mới mà không có DNA, và bạn không thể tạo ra DNA mới mà không cần protein. Vậy cái nào có trước, protein hay DNA? Sự sống đã bắt đầu như thế nào

Phát hiện vào những năm 1960s rằng RNA có thể cuộn gập như một protein, mặc dù không thể thành các cấu trúc phức tạp, đã gợi ý cho câu trả lời. Nếu RNA có thể xúc tác cho các phản ứng cũng như lưu trữ DNA, một số RNA có khả năng tạo ra nhiều phân tử RNA hơn. Và nếu trường hợp này xảy ra, yếu tố sao chép RNA cũng không cần đến protein. Chúng tự làm mọi việc hết rồi. Sự sống đã bắt đầu như thế nào

Đó là một ý tưởng “quyến rũ”, nhưng khi đó nó hoàn toàn là suy đoán mà thôi. Không ai chỉ ra được RNA có thể xúc tác phản ứng như enzyme protein. Điều đó kéo dài đến năm 1982, sau một thập kỷ nghiên cứu, rằng một enzyme RNA lần đầu tiên được khám phá. Thomas Cech từ Đại học Colorado đã phát hiện nó trong  Tetrahymena thermophila, một động vật đơn bào kỳ quái với 6 giới tính. Sự sống đã bắt đầu như thế nào

Sự việc diễn ra sau đó như cơn thác lũ. Con người phát hiện thậm chí nhiều enzyme RNA hơn trong các sinh vật sống và đã tạo ra những RNA enzyme mới trong phòng thí nghiệm. RNA có thể không tốt bằng DNA trong khía cạnh lưu trữ thông tin, do thiếu tính bền vững, cũng không toàn điện như protein, nhưng nó nổi lên như là một phân tử chuyên viên đa ngành. Đây là một sự thúc đẩy to lớn cho ý tưởng rằng sự sống đầu tiên chứa RNA đã xúc tác sự sản sinh nhiều phân tử RNA hơn – “thế giới của RNA” – nhà hóa học của Harvard, Walter Gilbert, đã gán cho nó từ 3 thập kỷ trước.

Các yếu tố sao chép RNA này thậm chí còn có thể mang giới tính. Enzyme RNA mà Cech phát hiện ra không chỉ xúc tác cho bất cứ phản ứng nào. Nó là một mảnh RNA ngắn, có thể tự cắt khỏi chuỗi lớn. Đảo ngược phản ứng có thể thêm RNA vào chuỗi, đồng nghĩa rằng các yếu tố sao chép RNA có lẽ đã từng có khả năng trao đổi từng chút một với các RNA khác. Khả năng này có vẻ tăng tốc mạnh mẽ cho tiến hóa, vì những đổi mới được tạo ra bởi các dòng yếu tố sao chép riêng biệt có thể được kết hợp với nhau trong một dòng duy nhất.

Tiến hóa các yếu tố sao chép

Đối với nhiều nhà sinh học lý lẽ đanh thép xuất hiện vào năm 2000, khi mà cấu trúc của bộ máy sản xuất protein trong tế bào được giải mã. Nghiên cứu đó đã xác nhận rằng ở trung tâm của bộ máy đó là một enzyme RNA – và nếu các protein được tạo ra bởi RNA, chắc chắn là RNA đã đến trước.

Thế nhưng vẫn còn tồn tại những vấn đề. Một trong số đó là vẫn chưa rõ ràng rằng liệu RNA có thực sự có khả  năng tự sao chép. Ngày nay, DNA và RNA cần sự giúp đỡ của nhiều protein thì mới sao chép được. Nếu thực sự từng tồn tại những yếu tố tự sao chép, nó đã biến mất từ lâu. Vì thế các nhà hóa sinh học đã bố trí để tạo ra một yếu tố như thế, lấy ngẫu nhiên RNA và tiến hóa chúng trong nhiều thế hệ để thấy rốt cuộc chúng trở thành thứ gì. Sự sống đã bắt đầu như thế nào

Đến 2001, quy trình này đã thu được một enzyme RNA được gọi là R18 có thể gắn 14 nucleotide – khối cấu trúc của RNA và DNA – vào một RNA sẵn có, sử dụng một RNA khác làm khuôn. Tuy nhiên, bất kỳ RNA tự sao chép nào cũng cần tạo ra các RNA có độ dài tối thiểu bằng nó – và R18 không thỏa mãn.

Một tiến bộ lớn đến vào năm 2013, khi Philipp Holliger tại phòng thí nghiệm Sinh học phân tử MRC của Cambridge và cộng sự đã tiết lộ một enzyme RNA gọi là tC9Y. Nó dài 202 nucleotide, có thể sao chép một cách tin cậy các trình tự RNA dài hơn nó, có thể đến 206 ký tự. Để làm được thế, tC9Y kẹp vào một đầu của RNA, gắn nucleotide chính xác vào rồi di chuyển một bước tiếp và lại thêm một nucleotide. “Nó gây ấn tượng mạnh với tôi rằng bạn có thể làm một số việc phức tạp như thế với một phân tử đơn giản như vậy,” Holliger nói. Quan trọng là, enzyme này vẫn chưa tự sao chép chính nó và các nhà sinh học vẫn chưa vượt qua cột mốc này.

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.

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

[Xem tiếp phần 2 ở đây]

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

Đọc thêm:

Sự sống bắt đầu như thế nào (phần 2)

Hiểu biết mới về cơ chế tiến hóa

 

Iceberg (biên tập)

tapchisinhhoc.com