Phát hiện cơ chế hoạt động địa chất tạo khởi đầu sự sống trên Trái đất

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một bối cảnh tiến hóa hợp lý trong đó axit nucleic – khối xây dựng di truyền cơ bản của sự sống – có thể tự sao chép, có khả năng tạo ra sự sống trên Trái đất.

Nghiên cứu được mô tả là công trình quan trọng với bằng chứng thuyết phục cho thấy cách một bối cảnh địa vật lý đơn giản của dòng khí chảy qua dòng nước hẹp có thể tạo ra môi trường vật lý dẫn đến sự sao chép của axit nucleic. Công trình này sẽ truyền cảm hứng cho các nhà khoa học nghiên cứu về nguồn gốc sự sống và rộng hơn là về axit nucleic và các ứng dụng chẩn đoán.

Sự xuất hiện của sự sống trên Trái đất vẫn là câu đố chưa có lời giải, nhưng một lý thuyết phổ biến là sự sao chép vật liệu di truyền – axit nucleic DNA và RNA – là quá trình trung tâm và quan trọng. Các phân tử RNA có thể lưu trữ thông tin di truyền và xúc tác quá trình sao chép của chính chúng thông qua việc hình thành các chuỗi xoắn kép.

Sự kết hợp của các khả năng này cho phép chúng đột biến, tiến hóa và thích nghi với các môi trường đa dạng và cuối cùng mã hóa các khối xây dựng protein của sự sống. Để điều này xảy ra, các sợi RNA không chỉ cần sao chép thành dạng sợi đôi mà còn phải tách ra một lần nữa để hoàn tất chu kỳ sao chép. Tuy nhiên, việc tách sợi là một nhiệm vụ khó khăn ở nồng độ muối và axit nucleic cao vốn cần thiết cho quá trình sao chép.

Nghiên cứu cơ chế địa chất để tách sợi DNA

Tác giả chính Philipp Schwintek, một nghiên cứu sinh tiến sĩ về Hệ thống Vật lý sinh học tại Đại học Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Đức cho biết: “Nhiều cơ chế khác nhau đã được nghiên cứu về khả năng tách các sợi DNA tại thời điểm sự sống manh nha, nhưng tất cả chúng đều đòi hỏi những thay đổi về nhiệt độ dẫn đến sự phân hủy axit nucleic. Chúng tôi đã nghiên cứu một kịch bản địa chất đơn giản và phổ biến hơn, trong đó chuyển động của nước qua lỗ rỗng của đá bị làm khô bởi khí thấm qua đá để bốc hơi. Bối cảnh như vậy sẽ rất phổ biến trên các đảo núi lửa trên Trái đất thời kỳ đầu, nơi cung cấp các điều kiện khô cần thiết cho quá trình tổng hợp RNA”.

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng một mô phỏng thí nghiệm về lỗ rỗng của đá có dòng nước hướng vuông góc với dòng khí bốc hơi lên tại giao điểm, dẫn đến sự tích tụ các phân tử khí hòa tan trên bề mặt tiếp xúc. Đồng thời, dòng khí tạo ra các dòng chảy xoáy trong nước, đẩy các phân tử trở lại khối. Để hiểu mô hình này sẽ ảnh hưởng đến axit nucleic trong môi trường như thế nào, họ đã sử dụng các hạt để theo dõi động lực của dòng nước và sau đó theo dõi chuyển động của các đoạn DNA ngắn được gắn nhãn huỳnh quang.

Schwintek cho biết: "Chúng tôi kỳ vọng rằng sự bốc hơi liên tục sẽ dẫn đến sự tích tụ các sợi DNA tại bề mặt tiếp xúc". Trong vòng năm phút sau khi bắt đầu thí nghiệm, đã có sự tích tụ gấp ba lần các sợi DNA và sau một giờ, có các sợi DNA tích tụ tại bề mặt tiếp xúc nhiều hơn 30 lần.

Mặc dù điều này cho thấy bề mặt tiếp xúc khí/nước cho phép nồng độ axit nucleic đủ để xảy ra quá trình sao chép, nhưng việc tách các sợi DNA đôi khi cũng xảy ra. Thông thường, cần phải thay đổi nhiệt độ, nhưng khi nhiệt độ không đổi, cần phải thay đổi nồng độ muối.

Tác giả chính Dieter Braun, Giáo sư Vật lý sinh học hệ thống tại Ludwig-Maximilians-Universität München giải thích: "Chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng dòng chất lỏng chảy xoáy tại bề mặt tiếp xúc do luồng khí cung cấp, cùng với sự khuếch tán thụ động, sẽ thúc đẩy sự tách sợi bằng cách buộc các axit nucleic đi qua các khu vực có nồng độ muối khác nhau".

Kiểm tra sự tách sợi và sao chép DNA

Để kiểm tra điều này, họ đã sử dụng một phương pháp gọi là quang phổ FRET để đo sự tách sợi DNA (tín hiệu FRET cao cho thấy các sợi DNA vẫn liên kết, trong khi FRET thấp cho thấy các sợi đã tách ra). Như dự đoán, tín hiệu FRET ban đầu tăng lên gần phía bề mặt tiếp xúc khí-nước, cho thấy sự hình thành DNA sợi đôi. Nhưng trong quá trình thử nghiệm, khi có dòng nước chảy lên, tín hiệu FRET lại thấp - cho thấy DNA sợi đơn xuất hiện nhiều hơn. Hơn nữa, khi họ chồng dữ liệu này lên mô phỏng dòng nước và nồng độ muối, họ phát hiện ra rằng dòng xoáy tại bề mặt tiếp xúc khí-nước gây ra những thay đổi làm tăng nồng độ muối lên gấp ba lần, có khả năng thúc đẩy sự tách sợi.

Mặc dù axit nucleic và muối tích tụ gần bề mặt tiếp xúc khí-nước, nhưng trong phần lớn nước, nồng độ muối và axit nucleic vẫn ở mức thấp đến mức không thể nhận ra. Điều này thúc đẩy nhóm nghiên cứu kiểm tra xem quá trình sao chép axit nucleic có thực sự diễn ra trong môi trường này hay không, bằng cách thêm axit nucleic được gắn nhãn bằng thuốc nhuộm huỳnh quang và một loại enzyme có thể tổng hợp DNA sợi đôi vào mô hình lỗ rỗng của đá trong phòng thí nghiệm. Không giống như các phản ứng tổng hợp DNA trong phòng thí nghiệm thông thường, nhiệt độ được giữ nguyên và thay vào đó, phản ứng được tiếp xúc với dòng nước và khí kết hợp.

Sau hai giờ, tín hiệu huỳnh quang tăng lên, cho thấy số lượng phân tử DNA sợi đôi được sao chép tăng lên. Tuy nhiên, khi dòng khí và nước bị tắt, không thấy tín hiệu huỳnh quang tăng lên và do đó không thấy DNA sợi đôi tăng lên.

Braun kết luận: "Trong công trình này, chúng tôi đã nghiên cứu một môi trường địa chất hợp lý và phong phú có thể kích hoạt quá trình sao chép của sự sống ban đầu. Chúng tôi đã xem xét bối cảnh khí chảy qua lỗ rỗng đá hở chứa đầy nước, không có bất kỳ thay đổi nào về nhiệt độ và phát hiện ra rằng dòng khí và nước kết hợp có thể kích hoạt các biến động muối hỗ trợ quá trình sao chép DNA. Vì đây là một mô hình rất đơn giản, nên những phát hiện của chúng tôi mở rộng đáng kể phạm vi các môi trường tiềm năng có thể cho phép sao chép DNA trên các hành tinh sơ khai”.