Một nghiên cứu mới do các nhà khoa học tại Viện nghiên cứu Scripps (TSRI) ở California đã đưa ra một thay đổi giả thuyết về cách hình thành sự sống trên Trái đất ở thời điểm khoảng 4 tỷ năm trước.
Nhấn để phóng to ảnh
Hình ảnh đồ họa của một phân tử ARN
Nghiên cứu này đặt ra các nghi vấn về giả thuyết “thế giới ARN” - một giả thuyết về cách thức các phân tử ARN tiến hóa để tạo thành các protein và ADN. Thay vào đó, nghiên cứu mới này đưa ra các bằng chứng về một thế giới mà trong đó ARN và ADN tiến hóa cùng một lúc.
Axít ribonucleic (viết tắt ARN hay RNA) là một trong hai loại axít nucleic, là cơ sở di truyền ở cấp độ phân tử. Ở một số loài mà không có ADN (như một số loại virút), thì ARN đóng vai trò là vật chất di truyền. Nó khác với ADN ở chỗ có dạng mạch đơn hoặc mạch vòng, chứa đường ribose thay vì deoxyribose và uracil thay cho thymine.
Ramanarayanan Krishnamurthy – giáo sư hóa học tại TSRI và cũng là tác giả chính của nghiên cứu – cho biết “Ngay cả khi bạn chỉ tin vào thế giới chỉ có ARN, bạn vẫn phải tin là có một cái gì đó tồn tại cùng với ARN để giúp nó tiến hóa. Tại sao không nghĩ rằng ARN và ADN cùng nhau phát triển, thay vì cố gắng chuyển đổi ARN thành ADN bằng một số loại hóa chất không tưởng ở giai đoạn tiền sinh học?”
Mới đây, nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie.
Nhìn ngược về quá khứ
Các nhà nghiên cứu đã khám phá giả thuyết về thế giới ARN trong hơn 30 năm. Ý tưởng đằng sau lý thuyết này là một loạt các phản ứng hóa học dẫn đến sự hình thành các phân tử ARN tự sao chép. Sau đó ARN tiến hóa để tạo thành protein và các enzyme có thể coi là những phiên bản đầu tiên của sự sống ngày nay. Cuối cùng, các enzyme này giúp ARN sản xuất ADN và tạo ra các sinh vật phức tạp.
Về mặt hình thức, các phân tử ARN và ADN trông tương tự nhau, trong đó ADN có cấu trúc giống như bậc thang (với các cặp nucleobase giống như những thanh ngang và xương sống ở 2 bên là các phân tử đường), và cấu trúc của ARN thì trông như một cạnh của thang.
Nếu giả thuyết về thế giới ARN là chính xác, một số nhà nghiên cứu tin rằng sẽ có nhiều trường hợp nucleotide của ARN trộn lẫn với xương của ADN tạo thành những sợi đồng nhất. Nếu ổn định, những thể khảm hỗn hợp này sẽ là một bước trung gian trong quá trình chuyển đổi thành ADN.
Vấn đề về sự bất ổn
Tuy nhiên, nghiên cứu mới ngày đã cho thấy một sự thiếu ổn định rất lớn khi ARN và ADN cùng chia sẻ một xương sống. Các thể khảm này không ở cùng nhau theo một cách tốt đẹp giống như ARN đơn thuần hoặc ADN đơn thuần sẽ dàn xếp theo khả năng để lưu giữ và nhân rộng thông tin di truyền.
Krishnamurthy cho biết “chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy sự sụt giảm rất sâu ở cái mà chúng ta gọi là “ổn định nhiệt”. Sự bất ổn này xuất hiện do sự khác biệt trong cấu trúc phân tử đường của ADN đối lập với cấu trúc phân tử đường của ARN.
Phát hiện này hỗ trợ cho nghiên cứu trước đó của một giáo sư nghiên cứu về Hóa học và Sinh hóa ở Đại học Harvard đã giành giải Noble - Jack Szostak. Nghiên cứu của Jack Szostak cho thấy sự mất chức năng liên kết của điểm bám nucleotide khi ARN trộn với ADN.
Bởi vì bất ổn này, thể khảm trong thế giới ARN có thể chết đi để các phân tử ARN ổn định hơn. Điều này phản ánh những gì các nhà khoa học nhìn thấy trong các tế bào hiện nay: Nếu các nucleobase của ARN liên kết nhầm với một sợi ADN, các enzyme phức tạp sẽ vội vàng sửa chữa sai lầm này. Và 3,8 tỷ năm trước, ARN không thể có được cơ chế tự sửa chữa như thế này. Sự tiến hóa này dẫn đến một hệ thống ưu đãi cho thứ ổn định hơn - các phân tử “đồng nhất”.
Những enzyme phức tạp này có thể đã không có mặt ở thời điểm tiến hóa ban đầu của ARN và ADN. Do đó, những thay thế có tác dụng làm tê liệt khả năng của các phân tử để tái tạo và hoạt động. “Việc chuyển đổi từ ARN sang ADN sẽ không dễ dàng nếu không có các cơ chế để giữ chúng tách biệt với nhau”.
Xem xét về giả thuyết thứ 2
Điều này đã hướng các nhà khoa học xem xét về một giả thuyết khác: ARN và ADN có thể phát triển song song.
Krishnamurthy nhấn mạnh rằng, ông không phải là người đầu tiên đề xuất lý thuyết này, nhưng những phát hiện về sự bất ổn của thể khảm trong nghiên cứu của ông đã cung cấp cho các nhà khoa học những bằng chứng mới để xem xét về vấn đề này.
Nếu cả ARN và ADN đều tiến hóa đồng thời, ADN có thể đã thiết lập hệ thống đồng nhất của riêng mình từ rất sớm. ARN có thể vẫn phát triển để tạo ra ADN, nhưng điều đó có thể xảy ra sau khi ARN gặp ADN lần đầu tiên và đã biết được nguyên liệu của mình.
Krishnamurthy nói thêm rằng, các nhà khoa học sẽ không bao giờ biết được chính xác sự sống đã bắt đầu như thế nào (trừ khi phát minh ra một cỗ máy thời gian), tuy nhiên, bằng cách xem xét các hoàn cảnh tiến hóa lúc ban đầu, các nhà khoa học có thể đạt được những cái nhìn sâu sắc về các nguyên tắc cơ bản của sinh học. Và chúng ta có thể dự đoán tốt hơn về những nơi có thể tìm thấy sự sống trong vũ trụ.
Ngoài vị trí tại TSRI, Krishnamurthy còn hợp tác với Quỹ khoa học quốc gia (NSF) của Trung tâm Tiến hóa Hóa chất của NASA và tham gia chương trình nghiên cứu về nguồn gốc sự sống của tổ chức Simons - Simons Collaboration on the Origins of Life.
Các tác giả khác của nghiên cứu “Thể khảm ARN – ADN trong bối cảnh chuyển hóa từ Thế giới ARN sang thế giới ARN/ADN” là Jesse V. Gavette và Matthias Stoop tới từ TSRI và Trung tâm về Tiến hóa hóa chất - NSF-NASA Center for Chemical Evolution; Nicholas V.Hud từ Viện công nghệ Georgia và NSF-NASA Center for Chemical Evolution.
