Nghiên cứu rọi ánh sáng mới vào nguồn gốc của mã di truyền

Bất chấp sự đa dạng đáng kinh ngạc, gần như mọi hình thức sống – từ vi khuẩn đến các con cá voi xanh – chia sẻ cùng mã hóa di truyền. Vậy mã hóa này đến như thế nào và khi nào là một chủ đề của nhiều tranh cãi khoa học.

Với một cách tiếp cận mới cho một vấn đề cũ, Sawsan Wehbi, một nghiên cứu sinh tại Chương trình liên ngành gene học tại ĐH Arizona, đã khám phá ra bằng chứng thuyết phục là phiên bản sách giáo khoa về mã hóa di truyền phổ quát tiến hóa cần được sửa đổi.

Wehbi là tác giả đầu của một nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí PNAS. Bài báo đề xuất bậc mà các amino acids – các khối cơ bản của mã – được sử dụng lại mâu thuẫn với những gì được chấp nhận rộng rãi về “sự liên ứng” của tiến hóa mã di truyền.

“Mã di truyền là điều vô cùng kỳ diệu mà trong đó một chuỗi DNA hay RNA chứa các trình tự bốn nucleotide được chuyển thành các chuỗi protein bằng việc sử dụng 20 amino acids khác nhau”, theo Joanna Masel, tác giả chính của bài báo và là một giáo sư về sinh học và sinh học tiến hóa ở U of A. “Đó là một quá trình phức tạp một cách đáng kinh ngạc, và mã di truyền của chúng ta thì vô cùng tốt. Nó gần như là tối ưu cho cả vô số điều và có phải được tiến hóa theo các giai đoạn”.

Nghiên cứu này cho thấy sự sống ban đầu ưa thích những phân tử amino acid nhỏ hơn là các phân tử lớn hơn và những phân tử phức tạp hơn nhiều đã được bổ sung sau đó, trong khi các amino acids liên kết với kim loại sớm hơn nhiều so với từ trước đến nay chúng ta vẫn nghĩ. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu phát hiện ra mã hóa di truyền ngày nay có thể xuất hiện sau khi những mã hóa khác đã trở nên tuyệt chủng.

Các nhà nghiên cứu đồng ý rằng hiểu biết hiện nay về mã tiến hóa vẫn còn chưa hoàn thiện bởi vì nó phụ thuộc vào những thí nghiệm được thiết kế lạc hướng hơn là dựa vào bằng chứng tiến hóa. Ví dụ, một trong những hòn đá tảng của quan điểm phổ biến về sự tiến hóa của mã di truyền dựa vào thực nghiệm nổi tiếng Urey-Miller năm 1952, vốn nỗ lực mô phỏng các điều kiện ban đầu của trái đất có thể chứng kiến nguồn gốc sự sống.

Mặc dù giá trị trong chứng minh vật chất không sống có thể đem đến sự khởi nguồn của những khối cơ bản của sự sống, bao gồm các amino acids, thông qua các phản ứng hóa học, những gợi ý của thực nghiệm đã làm dấy lên câu hỏi. Ví dụ, không thu được bất kỳ amino acids chứa sulfur nào, bất chấp nguyên tố này có rất nhiều trên trái đất thuở ban đầu. Và kết quả, amino acids sulfur được tin là đã tham gia vào mã di truyền muộn hơn. Tuy nhiên, kết quả này hầu như gây ngạc nhiên bởi sulfur đã bị loại khỏi thành phần thực nghiệm.

Theo đồng tác giả Dante Lauretta, giáo sư khoa học hành tinh và hóa vũ trụ của Phòng thí nghiệm Mặt trăng và hành tinh U of A, bản chất giàu sulfur của sự sống ban đầu đưa ra những hiểu biết về sinh học thiên văn, cụ thể là hiểu về khả năng cư ngụ và các dấu hiệu sinh học của môi trường ngoài trái đất.

“Trong các thế giới như sao Hỏa, Enceladus (mặt trăng lớn thứ sáu của sao Thổ) và Europa (mặt trăng thứ sáu, tính theo quỹ đạo từ trong ra ngoài, của Sao Mộc), nơi có các hợp chất sulfur, điều này có thể đem lại thông tin cho cuộc tìm kiếm của của chúng ta về sự sống bằng việc nhấn mạnh đến các chu trình sinh hóa tương tự hoặc các chuyển hóa vi sinh”, ông nói. “Nhiều cái nhìn mới có thể tinh chỉnh lại cái chúng ta tìm kiếm trong những dấu hiệu sinh học, hỗ trợ việc dò các hình thức sống phát triển trong những hóa học giàu sulfur hoặc tương tự bên ngoài trái đất”.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp mới để phân tích các chuỗi amino khắp cây sự sống, mọi con đường trở lại với tổ tiên chung phổ quát trong quá khứ (LUCA), một giả thuyết về quần thể sinh vật sống khoảng bốn tỉ năm trước và đại diện cho tổ tiên chung giữa mọi hình thức sống trên trái đất ngày nay. Không giống như những nghiên cứu trước, vốn sử dụng các chuỗi protein đủ độ dài, Wehbi và nhóm nghiên cứu của bà đã tập trung vào các miền protein, các mảnh ngắn hơn của amino acids.

“Nếu bạn nghĩ protein là một cái xe ô tô, một miền trong đó như cái bánh xe”, Wehbi nói. “Đó là một phần có thể được sử dụng trong nhiều loại xe khác nhau và các bánh xe thì tồn tại lâu hơn nhiều so với các loại xe”.

Để có được điểm xuất phát từ chỗ khi một amino acid cụ thể có thể được sử dụng trong mã di truyền, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các công cụ phân tích dữ liệu thống kê để so sáng việc làm giàu của từng amino acid trong các chuỗi protein có niên đại từ LUCA, và có thể còn đưa quay trở lại thời điểm đó. Một amino acid chứng tỏ các trình tự cổ đại có thể có xu hướng tích hợp sớm hơn. Các trình tự của LUCA đều nghèo amino acids mà chúng sẽ phải sử dụng sau đó nhưng lại sẵn có ở thời điểm các trình tự protein muộn hơn xuất hiện.

Nhóm nghiên cứu đã nhận diện được hơn 400 họ trình tự có niên đại từ LUCA. Hơn 100 trình tự trong số đó có nguồn gốc thậm chí còn sớm hơn và có sự đa dạng trước cả LUCA. Hóa ra chúng chứa nhiều amino acids với các cấu trúc vòng thơm, như tryptophan và tyrosine, bất chấp các amino acids đó được đưa thêm vào bộ mã của chúng ta.

“Điều đó đem lại những gợi ý về những mã di truyền đến trước khi có chúng ta và đã biến mất trong vực thẳm của thời gian địa chất”, Masel nói. “Sự sống ban đầu dường như thích có nhiều vòng hơn”.

Thanh Vân dịch từ University of Arizona

Nguồn: https://news.arizona.edu/news/study-sheds-light-origin-genetic-code