Nguồn gốc sự sống: Giải mã con gà và quả trứng

Sự sống như chúng ta biết dựa trên một mạng lưới tương tác phức tạp, diễn ra ở quy mô cực nhỏ trong các tế bào sinh học và liên quan đến hàng nghìn loài phân tử riêng biệt. Trong cơ thể chúng ta, một quá trình cơ bản được lặp đi lặp lại vô số lần mỗi ngày. Trong một hoạt động được gọi là sao chép, các protein sao chép thông tin di truyền được mã hóa trong các phân tử DNA được lưu trữ trong nhân tế bào – trước khi phân phối chúng cho hai tế bào con trong quá trình phân chia tế bào. Sau đó, thông tin được sao chép có chọn lọc (‘phiên mã’) vào cái được gọi là phân tử RNA thông tin (mRNA), chỉ đạo tổng hợp nhiều loại protein khác nhau theo yêu cầu của loại tế bào liên quan. Loại RNA thứ hai – RNA vận chuyển (tRNA) – đóng vai trò trung tâm trong quá trình ‘dịch mã’ mRNA thành protein.

Làm thế nào có thể nảy sinh mối tương tác phức tạp giữa sao chép DNA và dịch mã mRNA thành protein khi các hệ thống sống lần đầu tiên tiến hóa trên Trái đất sơ khai? Ở đây chúng ta có một ví dụ điển hình về vấn đề con gà và quả trứng: Protein cần thiết cho quá trình phiên mã thông tin di truyền, nhưng bản thân sự tổng hợp của chúng phụ thuộc vào quá trình phiên mã.

Các nhà vật lý LMU do Giáo sư Dieter Braun đứng đầu đã chứng minh được cách giải quyết vấn đề hóc búa này. Họ đã chỉ ra rằng những sửa đổi nhỏ trong cấu trúc của các phân tử tRNA hiện đại cho phép chúng tương tác tự động để tạo thành một loại mô-đun sao chép, có khả năng sao chép thông tin theo cấp số nhân. Phát hiện này ngụ ý rằng tRNA – trung gian chính giữa phiên mã và dịch mã trong tế bào hiện đại – cũng có thể là mối liên hệ quan trọng giữa sao chép và dịch mã trong các hệ thống sống sớm nhất. Do đó, nó có thể cung cấp một giải pháp gọn gàng cho câu hỏi cái nào đến trước – thông tin di truyền hay protein?

Đáng chú ý, về trình tự và cấu trúc tổng thể của chúng, tRNA được bảo tồn cao trong cả ba lĩnh vực sống, tức là vi khuẩn và vi khuẩn đơn bào (thiếu nhân tế bào) và Eukaryota (sinh vật có tế bào chứa nhân thực). Thực tế này tự nó cho thấy rằng tRNA là một trong những phân tử cổ xưa nhất trong sinh quyển.

Giống như những bước sau trong quá trình tiến hóa của sự sống, sự tiến hóa của sao chép và dịch mã – và mối quan hệ phức tạp giữa chúng – không phải là kết quả của một bước đột ngột. Nó được hiểu rõ hơn là đỉnh cao của một hành trình tiến hóa. Dieter Braun cho biết: “Các hiện tượng cơ bản như tự tái tạo, tự thẩm tách, tự tổ chức và ngăn cách có thể đóng vai trò quan trọng trong những phát triển này. “Và một lưu ý tổng quát hơn, các quá trình vật lý và hóa học như vậy hoàn toàn phụ thuộc vào sự sẵn có của các môi trường cung cấp các điều kiện không cân bằng.”

Trong các thí nghiệm của họ, Braun và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng một tập hợp các sợi DNA bổ sung qua lại được mô hình hóa dựa trên dạng đặc trưng của tRNA hiện đại. Mỗi sợi được tạo thành từ hai ‘cặp tóc’ (được gọi như vậy vì mỗi sợi có thể tự ghép nối một phần với chính nó và tạo thành cấu trúc vòng kéo dài), được phân tách bằng một chuỗi thông tin ở giữa. Tám sợi như vậy có thể tương tác thông qua ghép nối bazơ bổ sung để tạo thành một phức hợp. Tùy thuộc vào các kiểu ghép nối do các vùng thông tin trung tâm quy định, phức hợp này có thể mã hóa một mã nhị phân 4 chữ số.

Mỗi thử nghiệm bắt đầu với một khuôn mẫu – một cấu trúc thông tin được tạo thành từ hai loại trình tự thông tin trung tâm xác định một chuỗi nhị phân. Trình tự này quy định dạng của phân tử bổ sung mà nó có thể tương tác trong nhóm các sợi có sẵn. Các nhà nghiên cứu tiếp tục chứng minh rằng cấu trúc nhị phân được tạo khuôn mẫu có thể được sao chép nhiều lần, tức là được khuếch đại, bằng cách áp dụng một chuỗi dao động nhiệt độ lặp lại giữa ấm và lạnh. Braun nói: “Do đó, có thể tưởng tượng rằng một cơ chế sao chép như vậy có thể đã diễn ra trên một hệ vi sinh thủy nhiệt trên Trái đất sơ khai. Đặc biệt, các dung dịch nước bị mắc kẹt trong đá xốp ở đáy biển sẽ tạo ra một môi trường thuận lợi cho các chu trình phản ứng như vậy, vì các dao động nhiệt độ tự nhiên, được tạo ra bởi các dòng đối lưu,

Trong quá trình sao chép, các sợi bổ sung (được rút ra từ nhóm phân tử) bắt cặp với đoạn thông tin của sợi khuôn. Theo thời gian, các cặp tóc liền kề của các sợi này cũng ghép đôi để tạo thành một đường trục ổn định, và các dao động nhiệt độ tiếp tục thúc đẩy quá trình khuếch đại. Nếu nhiệt độ tăng lên trong một thời gian ngắn, các sợi khuôn sẽ tách ra khỏi bản sao mới được hình thành, và cả hai sau đó có thể đóng vai trò là sợi khuôn trong vòng sao chép tiếp theo.

Nhóm nghiên cứu đã có thể chứng minh rằng hệ thống có khả năng sao chép theo cấp số nhân. Đây là một phát hiện quan trọng, vì nó cho thấy rằng cơ chế sao chép đặc biệt có khả năng chống lại sự sụp đổ do sự tích tụ của các lỗi. Thực tế là cấu trúc của phức hợp sao chép giống cấu trúc của tRNA hiện đại cho thấy rằng các dạng tRNA ban đầu có thể đã tham gia vào quá trình sao chép phân tử, trước khi các phân tử tRNA đảm nhận vai trò hiện đại của chúng trong việc dịch mã chuỗi RNA thông tin thành protein. Alexandra Kühnlein nói: “Mối liên hệ giữa sao chép và dịch mã trong một kịch bản tiến hóa ban đầu có thể cung cấp giải pháp cho vấn đề con gà và quả trứng. Nó cũng có thể giải thích dạng đặc trưng của proto-tRNA và làm sáng tỏ vai trò của tRNA trước khi chúng được đồng chọn để sử dụng trong quá trình dịch mã.

Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về nguồn gốc của sự sống và sự xuất hiện của quá trình tiến hóa Darwin ở cấp độ polyme hóa học cũng có ý nghĩa đối với tương lai của công nghệ sinh học. Braun kết luận: “Các cuộc điều tra của chúng tôi về các dạng sao chép phân tử ban đầu và việc chúng tôi phát hiện ra mối liên hệ giữa sao chép và dịch mã giúp chúng tôi tiến gần hơn đến việc tái tạo nguồn gốc của sự sống,” Braun kết luận.

Nguồn:

Tài liệu do Ludwig-Maximilians-Universität München cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.

Tham khảo Tạp chí :

1. Alexandra Kühnlein, Simon A Lanzmich, Dieter Braun. Nguồn gốc sự sống: trình tự tRNA có thể lắp ráp thành một bộ sao chép . eLife , năm 2021; 10 DOI: 10.7554 / eLife.63431

>>> Biến đổi khí hậu có thể đã thúc đẩy sự xuất hiện của SARS-CoV-2

Helena Magazine