Một chuỗi RNA mới được tạo ra đã củng cố ý tưởng về cách cuộc sống trên Trái đất bắt đầu

Một tài sản cơ bản của cuộc sống là khả năng tái tạo chính nó. Các nhà nghiên cứu hiện đã tạo ra các phân tử RNA đầu tiên, họ hàng có chuỗi đơn DNA, có khả năng sao chép hầu hết các RNA khác. Phát hiện này đã thúc đẩy quan điểm của nhiều nhà nghiên cứu, những người nghiên cứu về nguồn gốc sự sống rằng RNA có khả năng đi trước DNA là kho lưu trữ thông tin di truyền trung tâm trong các tế bào sớm nhất khoảng 4 tỷ năm trước. Trớ trêu thay, máy photocopy RNA mới vẫn không thể tự nhân đôi. Nhưng nếu các phiên bản cải tiến trong tương lai có thể loại bỏ điều đó, thì nó có thể làm được nhiều hơn là củng cố các quan niệm về vai trò nguyên thủy của RNA, nó có thể dẫn đến việc tạo ra các vi khuẩn hiện đại tổng hợp sử dụng RNA làm nguồn thông tin di truyền duy nhất của chúng.

Để phát triển và nhân lên, tất cả các tế bào hiện đại đều cần DNA, RNA và protein, và sự tổng hợp của từng tế bào bên trong đòi hỏi hai tế bào còn lại. Các nhà nghiên cứu trong những năm 1960 đã đưa ra giả thuyết rằng các tế bào hiện đại phát triển từ các tổ tiên không đòi hỏi sự phụ thuộc lẫn nhau này. RNA dường như là một phân tử sinh học đầu tiên, bởi vì, giống như DNA, nó có thể lưu trữ thông tin và giống như protein, nó có thể hoạt động như một chất xúc tác để tăng tốc các phản ứng hóa học nhất định. Các nhà nghiên cứu cũng sớm phát hiện ra rằng RNA là cốt lõi của một số enzyme hiện đại quan trọng đối với sự sống, chẳng hạn như ribosome tạo ra protein. Vì vậy, một số nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết về sự sống bắt đầu từ thời kỳ RNA trong đó RNA kiểm soát cả di truyền và sinh hóa bên trong tất cả các tế bào.

Nếu RNA là trung tâm của sinh hóa sớm, RNA phải có khả năng tự sao chép để các tế bào đó nhân lên và phát triển. Gerald Joyce, nhà hóa học tại Viện nghiên cứu Scripps ở San Diego, California cho biết, việc tìm kiếm một máy photocopy RNA như vậy là mắt của giả thuyết thế giới RNA. Thay vào đó, các tế bào hiện đại có một loại enzyme dựa trên protein gọi là RNA polymerase (RNAP) sao chép các chuỗi DNA thành RNA tương đương. Năm 1993, các nhà nghiên cứu do Jack Szostak tại Đại học Harvard dẫn đầu đã tạo ra một phiên bản RNAP toàn RNA, còn được gọi là ribozyme RNAP, nối hai đoạn RNA nhỏ trên một chuỗi RNA mẫu riêng biệt. Kể từ đó, nhóm của Szostak và những người khác đã tiếp tục cải thiện máy photocopy RNA của họ. Hai năm trước, chẳng hạn, các nhà nghiên cứu ở Vương quốc Anh đã báo cáo việc phân lập một ribozyme RNAP có khả năng ghép các RNA dài tới 200 nucleotide, một lần nữa khi ghép chúng thành một chuỗi mẫu.

Vấn đề với tất cả các ribozyme RNAP này, Joyce lưu ý, là chúng rất khó. Họ chỉ có thể sao chép các chuỗi cơ sở nucleotide nhất định, các khối xây dựng tạo nên RNA và DNA và các chuỗi đó không thực hiện bất kỳ chức năng quan trọng nào bên trong các tế bào. Vì vậy, Joyce và trợ lý sau tiến sĩ David Horning đã cố gắng đưa ra một ribozyme RNAP linh hoạt hơn, sử dụng một kỹ thuật nổi tiếng được gọi là tiến hóa trong ống nghiệm.

Họ bắt đầu bằng cách tổng hợp một thư viện lớn các chuỗi DNA nhằm mã hóa ribozyme RNAP bắt đầu. Nhưng họ đã đột biến đột biến trình tự DNA, đảm bảo mỗi RNAP cuối cùng sẽ khác nhau. Họ đã thêm các RNAP này vào một lọ chứa các đoạn RNA nhỏ mà họ muốn liên kết với nhau trên một chuỗi RNA mẫu khác. Nếu ribozyme RNAP tạo thành công một RNA mới, chuỗi mới sẽ báo hiệu điều đó bằng cách liên kết với một mục tiêu phân tử cụ thể trong lọ của nó. Và bởi vì mỗi ribozyme RNAP được thiết kế để duy trì liên kết với chuỗi RNA mới, tổng hợp của nó, điều này cho phép nhóm nghiên cứu cách ly bất kỳ thành công nào. Mỗi ribozyme RNAP bị bắt sau đó được sử dụng làm điểm khởi đầu cho một vòng tiến hóa khác.

Sau 24 vòng tiến hóa của ống nghiệm này, trong đó các nhà khoa học liên tiếp đưa ra các yêu cầu cho một ribozyme RNAP phải làm để thành công, họ đã thử nghiệm với một loại polymerase 24-3. Chuỗi RNA đó, họ báo cáo trực tuyến ngày hôm nay trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, có thể sao chép hầu hết các RNA khác, từ các chất xúc tác nhỏ đến các enzyme dựa trên RNA dài. Polyme 24-3 cũng có thể tạo ra các bản sao RNA mà nó đã sao chép, cho phép nó khuếch đại sự hiện diện của các RNA cụ thể 10.000 lần. Điều đó cung cấp phiên bản RNA đầu tiên của phản ứng chuỗi polymerase, một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để tạo ra các bản sao DNA.

"Bài báo này là một bước đột phá quan trọng trong nỗ lực không ngừng để hoàn thành mô hình RNA đầu tiên" cho nguồn gốc của sự sống ", Steven Benner, một nhà hóa học gốc của cuộc sống tại Quỹ Ứng dụng Tiến hóa phân tử ở Alachua, Florida. Nhưng Benner cảnh báo rằng một xác nhận thực sự về thế giới RNA vẫn là một lối thoát. Benner không chỉ cấu trúc vết thương chặt chẽ 24-3 polymerase khiến nó không thể tự sao chép, mà Benner lưu ý rằng cộng đồng hóa học phải mất 25 năm để đưa ra một máy photocopy RNA thành thạo trong việc sao chép các RNA khác, bất chấp tất cả các công cụ của hóa sinh hiện đại. [Điều đó] cho thấy chúng ta vẫn đang thiếu một cái gì đó quan trọng, Benner nói.

Joyce đồng ý và lưu ý rằng ngay cả khi một thế giới RNA có trước sự gia tăng của DNA và protein, thì nó cũng có thể được đi trước bởi các hình thức sinh hóa trước đó. Tuy nhiên, Joyce cho biết thêm, anh và Horning đang nỗ lực cải thiện 24-3 polymerase hơn nữa với hy vọng tạo ra một phiên bản có thể tự sao chép. Nếu họ thành công, Joyce nói, một phân tử như vậy sau đó có thể trở thành cơ sở cho các tế bào tổng hợp đầu tiên sử dụng RNA làm phân tử thông tin di truyền duy nhất.