Sự sống trên Trái đất bắt nguồn từ đâu?

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí hóa học Angewandte Chemie, các nhà khoa học đã chứng minh một hợp chất đơn giản được gọi là diamidophosphate (DAP), có mặt trên Trái đất trước khi sự sống xuất hiện, có thể kết hợp hóa học với nhau các khối xây dựng DNA nhỏ gọi là deoxynucleosides thành các chuỗi DNA nguyên thủy.

Phát hiện này là phát hiện mới nhất trong một loạt khám phá trong nhiều năm qua, chỉ ra khả năng DNA cùng người "anh em họ hàng" hóa học gần gũi của nó RNA hình thành cùng nhau như sản phẩm của các phản ứng hóa học tương tự và là các phân tử tự tái tạo đầu tiên.

Khám phá này cũng có thể dẫn đến những ứng dụng thực tế mới trong hóa học và sinh học, nhưng ý nghĩa chính của nó là giải quyết câu hỏi lâu đời về cách thức sự sống trên Trái đất hình thành lần đầu tiên.

Đặc biệt, nó mở đường cho những nghiên cứu sâu rộng hơn về cách thức hỗn hợp DNA-RNA tự sao chép có thể đã tiến hóa và lan rộng trên Trái đất nguyên thủy, cuối cùng gieo mầm sinh học trưởng thành hơn của các sinh vật hiện đại.

Ramanarayanan Krishnamurthy, phó giáo sư, tiến sĩ hóa học tại Scripps Research, cho biết: "Phát hiện mới là một bước quan trọng đối với sự phát triển của một mô hình hóa học chi tiết về cách thức các dạng sống đầu tiên có nguồn gốc trên Trái đất".

Phát hiện cũng thúc đẩy lĩnh vực hóa học về nguồn gốc của sự sống thoát khỏi giả thuyết đã thống trị nó trong những thập kỷ gần đây: Giả thuyết "Thế giới RNA" cho rằng các bộ sao chép đầu tiên dựa trên RNA và DNA chỉ xuất hiện sau đó như một sản phẩm của các dạng sống RNA.

Trên thực tế, Krishnamurthy và nhiều người đã nghi ngờ giả thuyết Thế giới RNA một phần vì các phân tử RNA có thể đơn giản là quá "dính".

Một sợi RNA có thể thu hút các khối cấu tạo RNA riêng lẻ khác, chúng dính vào nó để tạo thành một loại sợi trong đó mỗi khối cấu trúc trong sợi mới liên kết với khối xây dựng bổ sung của nó trên sợi "khuôn mẫu" ban đầu. Nếu sợi mới có thể tách ra khỏi sợi mẫu, bằng quá trình tương tự, bắt đầu tạo khuôn các sợi mới khác, thì nó đã đạt được kỳ tích về khả năng tự tái tạo làm nền tảng cho sự sống.

Nhưng trong khi các sợi RNA có thể tốt trong việc tạo khuôn các sợi bổ sung, chúng lại không tốt trong việc tách khỏi các sợi này.

Các sinh vật hiện đại tạo ra các enzyme có thể buộc các sợi RNA hoặc DNA đi theo những con đường riêng biệt của chúng, do đó cho phép sao chép, nhưng không rõ làm thế nào điều này có thể được thực hiện trong một thế giới chưa tồn tại enzyme.

Krishnamurthy và các đồng nghiệp đã chỉ ra trong các nghiên cứu gần đây rằng, các sợi phân tử "chimeric" là một phần DNA và một phần RNA có thể giải quyết vấn đề này bởi vì chúng có thể tạo khuôn mẫu cho các sợi bổ sung theo cách ít dính hơn cho phép chúng tách ra tương đối dễ dàng.

Các nhà hóa học cũng đã chỉ ra rằng các khối cấu tạo ribonucleoside và deoxynucleoside đơn giản, tương ứng của RNA và DNA, có thể hình thành trong những điều kiện hóa học rất giống trên Trái đất sơ khai.

Vào năm 2017, họ đã báo cáo hợp chất hữu cơ DAP có thể đã đóng vai trò quan trọng trong việc sửa đổi các ribonucleoside và xâu chuỗi chúng lại với nhau thành các sợi RNA đầu tiên. Nghiên cứu mới cho thấy rằng DAP trong các điều kiện tương tự có thể đã làm điều tương tự đối với DNA.

"Bây giờ chúng ta đã hiểu rõ hơn về cách tạo ra những RNA và DNA đầu tiên. Chúng tôi có thể bắt đầu sử dụng nó trên hỗn hợp các khối xây dựng ribonucleoside và deoxynucleoside để xem những phân tử chimeric nào được hình thành và liệu chúng có thể tự sao chép hay tiến hóa hay không", Krishnamurthy cho biết.

Ngoài ra, Krishnamurthy lưu ý rằng công trình nghiên cứu mới cũng có thể có các ứng dụng thực tế rộng rãi. Việc tổng hợp nhân tạo DNA và RNA như trong kỹ thuật PCR làm nền tảng cho các thử nghiệm COVID-19 đóng vai trò rất quan trọng.