Nguồn gốc sự sống có thể bắt đầu với các phân tử giống DNA
Các nhà nghiên cứu trường đại học Nagoya ở Nhật Bản đã chứng minh cách các phân tử giống DNA có thể kết hợp cùng nhau như một tiền thân của nguồn gốc sự sống.
Một số nhà khoa học nghĩ là XNA tiến hóa thành RNA, sau đó tiếp tục tiến hóa thành DNA để hình thành dạng khởi đầu của sự sống. Nguồn: Keiji Murayama
Phát hiện này, xuất bản trên Nature Communications “Nonenzymatic polymerase-like template-directed synthesis of acyclic l-threoninol nucleic acid”, không chỉ đề xuất cách sự sống có thể bắt đầu mà còn có gợi ý cho sự phát triển của sự sống nhân tạo và các ứng dụng công nghệ sinh học.
“Thế giới RNA vẫn được nghĩ một cách phổ biến là sân khấu bắt nguồn sự sống”, nhà kỹ thuật sinh học phân tử ở trường đại học Nagoya Keiji Murayama nói. “Trước giai đoạn này, thế giới tiền RNA có thể chứa các phân tử vẫn được gọi là các axit nucleic xeno (XNAs). Dẫu sao không giống RNA, sự tái tạo XNA có thể không cần đến các enzym. Chúng tôi đã có thể tổng hợp một XNA mà không cần đến enzym, qua đó ủng hộ một giả thuyết là thế giới XNA có thể tồn tại trước thế giới RNA”.
Các XNA được hình thành trên các chuỗi liên kết nucleotide, tương tự như DNA và RNA nhưng với một phân tử đường khác biệt. Các XNA có thể mang mã di truyền rất bền vững bởi cơ thể con người không thể phá hủy chúng. Một số nhà nghiên cứu đã cho biết các XNA chứa những trình tự cụ thể có thể đóng vai trò như các enzym và liên kết với các protein. Điều này khiến cho trong lĩnh vực di truyền tổng hợp thì việc nghiên cứu về XNA vô cùng hứng thú, với tiềm năng về công nghệ sinh học và các ứng dụng dược phân tử.
Murayama, Hiroyuki Asanuma và các đồng nghiệp muốn tìm được các điều kiện trong thời kỳ sớm của trái đất có thể dẫn đến việc hình thành chuỗi XNA. Họ tổng hợp các mảnh acyclic (non-circular) L-threoninol nucleic acid (L-aTNA), một phân tử được cho là đã tồn tại trước khi có RNA. Họ cũng tạo ra một L-aTNA dài hơn với một trình tự nucleobase đầy đủ các trình tự của phần đó, tương tự như cách các sợi DNA khớp với nhau.
Murayama và đồng nghiệp chứng tỏ là các mảnh L-aTNA có thể nối với L-aTNA,trên các khuôn mẫu RNA và DNA mà không cần đến các enzym. Nguồn: Keiji Murayama
Khi đặt chúng vào một ống nghiệm trong điều kiện nhiệt độ được kiểm soát, các mảnh L-aTNA ngắn hơn liên kết với nhau trên khuôn mẫu L-aTNA dài hơn. Đáng chú ý, điều này xảy ra trong một hợp chất gọi là N-cyanoimidazole và một kim loại ở dạng ion như mangan, vốn đều có ở thời kỳ sớm của trái đất. Các mảnh này nối với nhau khi một phốt phát ở điểm cuối của một liên kết về mặt hóa học với một nhóm hydroxyl không có sự hỗ trợ của một enzyme.
“Đây là thực nghiệm đầu tiên trên một khuôn mẫu có định hướng, sự tồn tại của acyclic XNA phi enzym từ một bể khuôn mẫu ngẫu nhiên, sinh ra liên kết phosphodiester”, Murayama nói.
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh là các mảnh L-aTNA có thể nối trên khuôn mẫu DNA và RNA. Điều này đề xuất là mã di truyền có thể được truyền từ DNA và RNA vào L-aTNA và ngược lại.
“Chiến lược của chúng tôi là tạo một hệ thu hút cho thí nghiệm với việc xây dựng của một dạng sự sống nhân tạo và phát triển các công cụ sinh học có chức năng cao bao gồm acyclic XNA”, Murayama nói. “Bộ dữ liệu này chỉ dấu là L-aTNA có thể từng là một tiền thân của RNA”.
Nhóm nghiên cứu lập kế hoạch tiếp tục tìm hiểu để phân loại xem là liệu L-aTNA có thể đã được tổng hợp trong những điều kiện “tiền sự sống” ở thời kỳ sớm của trái đất không và để xem xét tiềm năng của chúng trong việc phát triển những công cụ sinh học tiên tiến.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-04-life-dna-like-xnas.html
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21128-0
