Đi tìm nguồn gốc sự sống: Từ trên trời rơi xuống

Một câu hỏi cơ bản về nguồn gốc của sự sống là làm thế nào các giọt RNA trôi nổi xung quanh súp nguyên thủy lại biến thành các “gói sự sống” có màng bảo vệ mà chúng ta gọi là tế bào.

Hiện nay, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago (UChicago PME), Khoa Kỹ thuật Hóa học thuộc Đại học Houston và Khoa Hóa học thuộc UChicago đã đề xuất một giải pháp.

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên Science Advances, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ đến từ UChicago PME Aman Agrawal và các cộng sự gồm Trưởng khoa danh dự của UChicago PME Matthew Tirrell và nhà sinh vật học đoạt giải Nobel Jack Szostak - chỉ ra cách nước mưa có thể giúp tạo ra một bức tường dạng lưới xung quanh nguyên bào cách đây 3,8 tỉ năm. Đây là một bước quan trọng trong quá trình chuyển đổi từ các hạt RNA nhỏ thành mọi vi khuẩn, thực vật, động vật. Tirrell nhấn mạnh: “Đây là một quan sát đặc biệt và mới lạ”.

Thách thức về tính ổn định của tế bào nguyên sinh

Nghiên cứu này xem xét “các giọt coacervate” được coi là ngăn tự nhiên của các phân tử phức tạp như protein, lipid và RNA. Các giọt này, hoạt động giống như những giọt dầu ăn trong nước, bấy lâu được giới khoa học coi là ứng cử viên cho các tế bào nguyên sinh đầu tiên. Nhưng giả thuyết này có một vấn đề. Vấn đề không phải là những giọt này không thể trao đổi các phân tử với nhau, một bước quan trọng trong quá trình tiến hóa. Thay vào đó, vấn đề là chúng thực hiện quá tốt và quá nhanh việc trao đổi đó.

Bất kỳ giọt nào chứa đột biến tiền sự sống mới sẽ trao đổi với các giọt RNA khác trong vòng vài phút. Điều này có nghĩa là tất cả chúng sẽ nhanh chóng giống nhau thông qua sự trao đổi thần tốc. Như vậy sẽ không có sự phân hóa và không có sự cạnh tranh – nghĩa là không có sự tiến hóa. Và điều đó có nghĩa là không có sự sống.

Agrawal phân tích: “Nếu các phân tử liên tục được trao đổi giữa các giọt hoặc giữa các tế bào, thì tất cả các tế bào sau một thời gian ngắn sẽ giống y nhau và sẽ không có sự tiến hóa vì bạn sẽ có các bản sao giống hệt nhau”.

Nghiên cứu hợp tác và vai trò của RNA

Bản chất của sự sống là liên ngành, vì vậy Szostak, giám đốc Trung tâm nghiên cứu Nguồn gốc sự sống của UChicago, cho biết việc hợp tác với cả UChicago PME, trường kỹ thuật phân tử liên ngành của UChicago và Khoa kỹ thuật hóa học tại Đại học Houston là điều tự nhiên.

Szostak cho biết: "Các kỹ sư đã nghiên cứu hóa lý của các loại phức hợp này trong một thời gian dài. Khi chúng ta xem xét một thứ gì đó như nguồn gốc của sự sống, nó rất phức tạp và có rất nhiều phần mà chúng ta cần sự tham gia của những người có kinh nghiệm ở nhiều lĩnh vực liên quan ".

Vào đầu những năm 2000, Szostak bắt đầu xem RNA là vật liệu sinh học đầu tiên được phát triển. Nó đã giải quyết được một vấn đề đã làm các nhà nghiên cứu bối rối trong thời gian dài. Họ trước đó đã bế tắc khi coi DNA hoặc protein là những phân tử sơ khai nhất của sự sống.

Agrawal ví von: "Nó giống như bài toán về quả trứng và con gà. Cái nào xuất hiện trước?". “DNA là phân tử mã hóa thông tin, nhưng không thể thực hiện bất kỳ chức năng nào. Protein là phân tử thực hiện chức năng, nhưng không mã hóa bất kỳ thông tin di truyền nào”.

Các nhà nghiên cứu như Szostak đưa ra giả thuyết rằng RNA xuất hiện trước, “quán xuyến mọi thứ” với protein và DNA tiến hóa chậm từ RNA.

Agrawal cho biết thêm: “RNA là phân tử, giống như DNA, có thể mã hóa thông tin, nhưng cũng gấp lại như protein để có thể thực hiện các chức năng như xúc tác”.

RNA có khả năng là ứng cử viên cho vật liệu sinh học đầu tiên. Các giọt coacervate có khả năng là ứng cử viên cho các nguyên bào đầu tiên. Theo trình tự logic, các giọt coacervate chứa các dạng RNA ban đầu dường như là bước tiếp theo tự nhiên.

Phát hiện ra tính ổn định của RNA trong nước mưa

Suy luận như vậy có vẻ hợp lý cho đến khi Szostak dội gáo nước lạnh vào năm 2014. Trong báo cáo khoa học, Szostak chứng minh RNA trong các giọt coacervate trao đổi quá nhanh dẫn đến không đủ thời gian để tiến hóa sự sống.

Szostak viết: “Bạn có thể tạo ra đủ loại giọt từ các loại coacervate khác nhau, nhưng chúng lại không duy trì được bản sắc riêng biệt của mình. Chúng có xu hướng trao đổi hàm lượng RNA với nhau quá nhanh. Đó là một vấn đề tồn tại từ lâu", đồng thời khẳng định: "Những gì chúng tôi chỉ ra trong báo cáo khoa học mới này là bạn có thể khắc phục ít nhất một phần vấn đề đó bằng cách chuyển những giọt coacervate này vào nước cất, ví dụ, nước mưa hoặc nước ngọt bất kỳ loại nào. Khi đó, chúng có một loại lớp xung quanh các giọt giúp hạn chế trao đổi hàm lượng RNA giữa chúng".