Nhà khoa học người Việt gắng tái tạo phản ứng hóa học hình thành sự sống

Sự sống đã bắt đầu như thế nào? Làm thế nào các phản ứng hóa học trên Trái đất sơ khai tạo ra các cấu trúc phức tạp, tự sao chép và phát triển thành các sinh vật như chúng ta biết?

Trước khi khám phá ra thế giới DNA, người ta đã biết có một loại phân tử gọi là RNA (hay axit ribonucleic). RNA - vẫn là thành phần quan trọng của sự sống ngày nay - có thể tự tái tạo và xúc tác cho các phản ứng hóa học khác.

Nhưng bản thân phân tử RNA được tạo thành từ các thành phần nhỏ hơn gọi là ribonucleotide. Làm thế nào những khối xây dựng này có thể hình thành trên Trái đất sơ khai và sau đó kết hợp thành RNA?

Các nhà hóa học như Quoc Phuong Tran (nghiên cứu sinh Tiến sĩ Hóa học Prebiotic, Đại học New South Wales, Sydney) đang cố gắng tái tạo chuỗi phản ứng cần thiết để hình thành RNA vào buổi bình minh của sự sống, nhưng đó là một nhiệm vụ đầy thách thức. Chúng ta biết bất kỳ phản ứng hóa học nào tạo ra ribonucleotide đều có thể xảy ra trong môi trường hỗn độn, phức tạp trên hành tinh của chúng ta hàng tỉ năm trước (ngày nay rất khó tái tạo được môi trường như vậy).

Tác giả đang nghiên cứu xem liệu các phản ứng "tự xúc tác" có đóng góp một phần nào trong đó hay không. Đây là những phản ứng tạo ra các chất hóa học khuyến khích phản ứng tương tự xảy ra lần nữa, nghĩa là chúng có thể tự duy trì trong nhiều trường hợp khác nhau.

Trong nghiên cứu mới nhất, nhóm của Tran đã tích hợp quá trình tự xúc tác vào quá trình hóa học nổi tiếng để sản xuất các khối xây dựng ribonucleotide, quá trình có thể đã xảy ra một cách hợp lý với các phân tử đơn giản nhưng được thúc đẩy nhờ điều kiện phức tạp hiện diện trên Trái đất sơ khai.

Phản ứng formose

Phản ứng tự xúc tác đóng vai trò quan trọng trong sinh học, từ việc điều chỉnh nhịp tim của chúng ta đến việc hình thành các họa tiết trên vỏ sò. Trên thực tế, sự tái tạo của chính sự sống mà trong đó một tế bào lấy chất dinh dưỡng và năng lượng từ môi trường để tạo ra hai tế bào, là một ví dụ cho thấy sự phức tạp đặc biệt của quá trình tự xúc tác.

Một phản ứng hóa học được gọi là phản ứng formose, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1861. Đó là một trong những ví dụ điển hình nhất về phản ứng tự xúc tác có thể xảy ra trên Trái đất sơ khai.

Về bản chất, phản ứng formose bắt đầu bằng một phân tử của hợp chất đơn giản gọi là glycolaldehyde (được tạo thành từ hydro, carbon và oxy) và kết thúc bằng hai phân tử. Cơ chế này dựa vào việc cung cấp liên tục một hợp chất đơn giản khác gọi là formaldehyde.

Phản ứng giữa glycolaldehyde và formaldehyde tạo ra một phân tử lớn hơn, đồng thời tách ra các sản phẩm hồi tiếp duy trì phản ứng. Tuy nhiên, khi hết formaldehyde, phản ứng sẽ dừng lại và các sản phẩm bắt đầu phân hủy từ các phân tử đường phức tạp thành nhựa đường.

Phản ứng formose có một số thành phần chung với chuỗi phản ứng hóa học để tạo ra ribonucleotide. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có ai chủ động tìm cách liên kết hai phản ứng này. Lý do là gì? Có lẽ là do phản ứng formosa nổi tiếng với tính "không định hướng" do nó tạo ra rất nhiều phân tử vô dụng bên cạnh sản phẩm mà chúng ta chú ý.

Dám thử làm điều khó khăn

Trong nghiên cứu của Tran và các đồng nghiệp, họ đã thử thêm một phân tử đơn giản khác gọi là cyanamide vào phản ứng formose. Điều này giúp một số phân tử được tạo ra trong quá trình phản ứng có thể được "rút ra" để tạo ra ribonucleotide.

Dù vậy, phản ứng vẫn không tạo ra số lượng lớn khối xây dựng ribonucleotide. Tuy nhiên, những thứ nó tạo ra ổn định hơn chứ không lung tung như phản ứng formose. Điều thú vị trong nghiên cứu của Tran và nhóm là sự tích hợp giữa phản ứng formose và sản xuất ribonucleotide. Các nghiên cứu trước đây thường chỉ xem xét từng chất riêng biệt, điều này phản ánh cách các nhà hóa học thường nghĩ về việc tạo ra các phân tử.

Nói chung, các nhà hóa học có xu hướng tránh sự phức tạp để khỏi phải tối đa hóa số lượng và độ tinh khiết của sản phẩm. Tuy nhiên, cách tiếp cận tối giản này có thể ngăn cản chúng ta nghiên cứu các tương tác động giữa những quá trình phán ứng hóa học khác nhau. Trên thực tế, những tương tác này xảy ra ở mọi nơi trong thế giới thực bên ngoài phòng thí nghiệm và được cho là cầu nối giữa hóa học với sinh học.

Ứng dụng công nghiệp

Quá trình tự xúc tác cũng có ứng dụng công nghiệp. Khi ta thêm xyanua vào phản ứng formose, sẽ tạo ra một sản phẩm khác là hợp chất gọi là 2-aminooxazole, được sử dụng trong nghiên cứu hóa học và sản xuất nhiều loại dược phẩm.

Sản xuất 2-aminooxazole thông thường thường sử dụng cyanamide và glycolaldehyde mà hai chất này lại rất đắt tiền. Nếu 2-aminooxazole có thể được tạo ra bằng phản ứng formose thì chỉ cần một lượng nhỏ glycolaldehyde để khởi động phản ứng và điều đó cắt giảm chi phí.

Phòng thí nghiệm của Tran và đồng nghiệp hiện đang tối ưu hóa quá trình này với hy vọng có thể điều khiển phản ứng tự xúc tác để tạo ra các phản ứng hóa học dễ thực hiện với chi phí rẻ hơn, hiệu quả hơn cũng như dễ tiếp cận các sản phẩm phục vụ ngành dược hơn. Có thể chuyện này sẽ không quan trọng bằng việc tạo ra sự sống, nhưng nhóm tác giả tin rằng điều đó vẫn có giá trị.