Con gà hay quả trứng có trước?

Sự sống đã bắt đầu với RNA- chứ không phải với DNA, kịch bản này về nguồn gốc sự sống dường như đã được chứng minh. Các nhà hóa học Đại học Manchester đã thành công trong việc tổng hợp một trong các thành phần của RNA [1], kết quả này góp phần củng cố giả thuyết RNA-đầu tiên (RNA-first).

Nhập đề

Có thể nói hiện nay chưa có một mô hình chuẩn nào về nguồn gốc sự sống trong vũ trụ nói chung và trên Trái đất nói riêng. Song người ta thường dừng lại ở hai phạm trù mô hình chính: Quá trình Chuyển hóa- đầu tiên (Metabolism-first) & RNA – đầu tiên (RNA-first)^[2].

Điều gì đã xuất hiện trước trong những năm đầu đời của Trái đất, DNA cần thiết cho việc tổng hợp các protein^[3] hay các protein  cần thiết cho quá trình nhân bản (replication) của DNA? Câu hỏi này có thể biến thành câu hỏi rất bình thường nhưng mang một nghịch lý  hàm ẩn một ý nghĩa khoa học rất lớn:

Con gà (protein) có trước hay quả trứng (DNA) có trước?

Mathew Powner, Beatrice Gerland & John Sutherland (Đại học Manchester) đã đưa ra câu trả lời vào tháng 5/2009: không phải quả trứng có trước mà cũng không phải con gà có trước!

Những thí nghiệm của các tác giả này đã củng cố một giả thuyết tồn tại đã 40 năm nay: sự sống đã bắt đầu bởi sự hình thành RNA, một phân tử cũng có khả năng mang thông tin về gene. Nhóm hóa học hữu cơ tại Đại học Manchester đã chứng minh rằng một số thành phần base của RNA có thể được tổng hợp không cần đến protein, đây là điều mà nhiều nhà hóa học đã có ý đồ làm từ lâu.

DNA(acid  deoxyribonucleic) & RNA (acid ribonucleic)

Các phân tử di truyền như DNA và RNA là các đa phân tử (polymer-dãy của nhiều phân tử nhỏ hơn) được cấu tạo bằng những blốc thành phần gọi là nucleotide (Hình 1). Còn các nucleotide có ba thành phần khác nhau: đường, phosphat và một

Hình 1 . Mô hình phân tử DNA

nucleobase. Các nucleobase có bốn loại  và tạo thành vần chữ cái (alphabet, Hình 2) nhờ đó các đa phân tử lập được mã thông tin. Trong DNA các nucleobase có thể là A (phân tử adenine), G (phân tử guanine), C (phân tử cytosine) và T (phân tử thymine), trong RNA chữ cái T được thay bằng U (phân tử uracine). Các nucleobase là các hợp chất giàu nitrogen mà liên kết với nhau theo một quy luật đơn giản: A liên kết với U (hoặc T), G với C. Mỗi cặp base làm thành một nấc thang của hai sợi xoắn DNA. Và sự kết cặp đặc thù riêng biệt là quan trọng để sao chép trung thành thông tin. Các phân tử phosphate và đường làm thành xương sống của mỗi sợi DNA hoặc RNA. DNA có cấu trúc sợi kép xoắn, quan trọng là RNA khác với DNA có thể ở dạng sợi đơn.

Hình 2 . Vần chữ cái A, G, C, T (U) để mã hóa thông tin

Hình 3. Sơ đồ đơn giản hóa của quá trình tổng hợp protein

Các tế bào hiện tại chế tạo protein bằng cách sao chép các gene từ DNA sang RNA và sử dụng RNA như những bản thiết kế (blueprint) để chế tạo protein. (Hình 3)

Thế giới RNA

Giả thuyết sự sống bắt đầu với RNA đã được đưa ra bởi Carl Woese (Đại học Illinois) năm 1965 và sau đó ba năm bởi Leslie Orgel (Viện nghiên cứu sinh học California) và Francis Crick (đồng tác giả mô hình DNA). Theo các tác giả này thì RNA có trước DNA trong các giai đoạn đầu của sự sống, 3,8 tỷ năm về trước.

Trong thế giới RNA (tên gọi do Walter Gilbert, Đại học Harvard, đặt ra năm 1986), nước tồn tại dưới dạng lỏng ngưng tụ trong các ao hồ và bốc hơi vào một bầu khí quyển chứa N và dioxyde carbon. Những tia cực tím lúc bấy giờ có khả năng đi xuyên thẳng xuống mặt đất mang đến năng lượng cần thiết cho các phản ứng hóa học. Như vậy các nguyên tố và các điều kiện đã có đầy đủ cho RNA nhân bản (replicate) và tiến hóa nhờ những lỗi trong quá trình chuyển mã (transcription). Những công đoạn này trong hiện tại đang lặp lại bởi DNA.

Năm 1982 Thomas Cech (Đại học Colorado) & Sydney Altman (Đại học Yale) đã có một phát hiện quan trọng: ribozyme (cấu tạo bằng RNA) là một chất xúc tác của nhiều phản ứng hóa học. Nhờ phát hiện này hai tác giả trên nhận giải Nobel năm 1989.

Các ribozyme ^[4], đóng một vai trò bản lề trong các tế bào hiện tại. Những cấu trúc mà RNA dịch mã sang protein là những bộ máy lai (hybrid) RNA-protein (Hình 3 ) và chính RNA trong bộ máy đó đóng vai trò xúc tác (catalytic). Như vậy mỗi tế bào của chúng ta mang trong các ribosome^[5] sự hiển nhiên “hóa thạch” của thế giới RNA nguyên thủy.

Như vậy RNA không những mang thông tin mà còn có khả năng tổng hợp protein và tự nhân bản (replicate). Vậy RNA có khả năng tự sinh lớn.

Những phép tổng hợp không thực hiện được

Ý tưởng xem RNA là thành phần quan trọng của thế giới sống nguyên thủy gặp phải một khó khăn: các thành phần của RNA không tổng hợp được trong phòng thí nghiệm nếu không có… RNA.

Vì các nucleotide khó lòng được tổng hợp trực tiếp, tập thể  các nhà sinh học Mathew Powner, Beatrice Gerland & John Sutherland (Đại học Manchester) đã đề ra một tiếp cận sáng tạo: trước hết chế tạo một  một phân tử ½ đường ½ base rồi sử dụng những tiền-nucleotide này để cuối cùng có được nucleotide  (Hình 4).

    Tập thể các nhà sinh học nói trên đã thành công trong việc tổng hợp một thành phần (trong số 4 thành phần) là nucleotide với base là cytosine. Cách đây 3,8 tỷ năm không tồn tại oxygen trong bầu khí quyển, vậy không có sự hình thành tầng ôzôn, các tia tử ngoại có thể đến mặt đất không bị trở ngại. Nhóm các nhà sinh học Manchester đã bằng cách sử dụng tia tử ngoại để biến ribonucleotide với base cytosine thành ribonucleotide với base uracile. Như vậy chúng minh được rằng ở thời nguyên thủy sự xuất hiện 2 thành phần đó của ribonucleotide là khả dĩ. Jack Szostak,  giải Nobel về Sinh-Y năm 2009, cho rằng đây là một kết quả rực rỡ của hóa học tiền sinh (prebiotique-trước khi có sự sống).

Song muốn củng cố giả thuyết RNA-đầu tiên (RNA-first), cần xét đến hai thành phần còn lại của ribonucleotide (với base là adenine & guanine). Beatrice Gerland nhận xét rằng không giống trường hợp cytosine & uracile, với base adenine & guanine sự tổng hợp với đường ribose ^[6] có thể thực hiện trực tiếp song tiếc thay với một hiệu suất quá thấp cho nên nhóm Manchester lại trở về cách tiếp cận tổng hợp qua các tiền nucleotide (Hình 4). Nếu thành công nhóm sẽ dự định đa phân tử hóa (polymerisation) bốn nucleotide để thu được một sợi RNA hoàn chỉnh.

Kết luận

Câu hỏi Con gà (protein) có trước hay quả trứng (DNA) có trước? dường như đã có được một phần câu trả lời đưa ra bởi nhóm các nhà sinh học Mathew Powner, Beatrice Gerland & John Sutherland (Đại học Manchester) song một phần câu trả lời đó cũng đã là quan trọng rồi về nguyên tắc như Jack Szostak (Nobel Sinh-Y 2009) khẳng định. Sự sống có thể bắt đầu với RNA .

Tài liệu tham khảo và chú thích

[1]  Jacques-Olivier Baruch, La vie a commencé avec l’ARN, La Recherche, tháng 1/2010
      (2]  Jack W.Szostak (Nobel Sinh-Y 2009) & Alonso Ricardo: The Origin of Life on Earth, Scientific American, sè th¸ng 09/2009
      [3]   Protein = polymer các amino acid, protein đảm đương nhiều nhiệm vụ trong tế bào sống. Dạng thức (form), sự điều chỉnh (regulation) và sự sinh sản (reproduction) của sinh thể… đều do protein thực hiện. Protein được tổng hợp tại những ribosome.
      [4]  Ribozyme= RNA có tính năng xúc tác
      [5]  Ribosome có sơ đồ cấu trúc: protein+RNA, có dạng hạt đường kính 300 Angstrom.
     [6]  Ribose=C5H10O5,  đường thành phần trong cấu trúc của RNA (còn deoxyribose là đường thành phần trong cấu trúc DNA).