Nghiên cứu làm sáng tỏ nguồn gốc của mã di truyền
- Thứ hai - 06/01/2025 16:22
- In ra
- Đóng cửa sổ này
Tiếp cận một vấn đề cũ theo cách mới, Sawsan Wehbi, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong Chương trình liên ngành sau đại học về di truyền học tại Đại học Arizona, đã phát hiện ra bằng chứng mạnh mẽ cho thấy kiến thức trong giáo khoa về sự tiến hoá của mã di truyền phổ quát cần được sửa đổi. Wehbi là tác giả đứng đầu của một nghiên cứu được công bố trên tạp chí PNAS, đề xuất thứ tự mà các axit amin - khối xây dựng nên mã di truyền, được huy động theo thứ tự số lẻ trái ngược với điều được "sự đồng thuận" rộng rãi về quá trình tiến hóa của mã di truyền.
"Mã di truyền là thứ tuyệt vời trong đó một chuỗi DNA hoặc RNA chứa các trình tự gồm bốn nucleotide được dịch thành các trình tự protein bằng cách sử dụng 20 loại axit amin khác nhau", Joanna Masel, tác giả chính của bài báo và là giáo sư về sinh thái học và sinh học tiến hóa tại Đại học Arizona cho biết. "Đó là một quá trình phức tạp đến kinh ngạc, và mã của chúng tôi tốt một cách đáng ngạc nhiên. Nó gần như tối ưu cho rất nhiều thứ, và nó hẳn đã tiến hóa theo từng giai đoạn".
Nghiên cứu cho thấy rằng sự sống ban đầu ưa chuộng các phân tử axit amin nhỏ hơn so với các phân tử lớn hơn và phức tạp hơn được thêm vào sau đó, trong khi các axit amin liên kết với kim loại tham gia sớm hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng mã di truyền ngày nay có thể xuất hiện sau các mã khác đã tuyệt chủng.
Các tác giả cho rằng hiểu biết hiện tại về cách mã di truyền tiến hóa là sai lầm vì nó được khám phá dựa trên các sai sót thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, thay vì bằng chứng tiến hóa. Ví dụ, một trong những nền tảng của quan điểm thông thường về sự tiến hóa của mã di truyền dựa trên thí nghiệm Urey-Miller nổi tiếng năm 1952, thí nghiệm này cố gắng mô phỏng các điều kiện trên Trái đất sơ khai có khả năng chứng kiến nguồn gốc của sự sống. Mặc dù có giá trị trong việc chứng minh rằng vật chất vô tri có thể tạo ra các khối xây dựng sự sống, bao gồm axit amin, thông qua các phản ứng hóa học đơn giản, nhưng ý nghĩa của thí nghiệm đã bị đặt dấu hỏi. Ví dụ, nó không tạo ra bất kỳ axit amin nào chứa lưu huỳnh, mặc dù nguyên tố này rất phổ biến trên Trái đất thời kỳ đầu. Do đó, người ta tin rằng axit amin sulfuric đã tham gia vào mã muộn hơn nhiều. Tuy nhiên, kết quả này không có gì đáng ngạc nhiên, vì lưu huỳnh đã bị loại khỏi các thành phần của thí nghiệm.
Theo Giáo sư Dante Lauretta - Giáo sư khoa học hành tinh và hóa học vũ trụ tại Phòng thí nghiệm Mặt trăng và hành tinh của Đại học Alberta, đồng tác giả của nghiên cứu, lý giải thêm: bản chất giàu lưu huỳnh của sự sống ban đầu mang lại hiểu biết sâu sắc cho ngành sinh học vũ trụ, đặc biệt là trong việc hiểu khả năng sinh sống và dấu hiệu sinh học tiềm tàng của môi trường ngoài Trái đất. "Trên các hành tinh như Sao Hỏa, Enceladus (mặt trăng của sao Thổ) và Europa (mặt trăng của sao Mộc), nơi các hợp chất lưu huỳnh phổ biến, điều này có thể cung cấp thông tin cho việc tìm kiếm sự sống của chúng ta bằng cách làm nổi bật các chu trình sinh địa hóa tương tự hoặc quá trình trao đổi chất của vi khuẩn", ông nói. "Những hiểu biết như vậy có thể tinh chỉnh những gì chúng ta tìm kiếm trong các dấu ấn sinh học, hỗ trợ việc phát hiện các dạng sống phát triển mạnh trong các chất hóa học giàu lưu huỳnh hoặc tương tự ở bên ngoài ngoài Trái đất".
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp mới để phân tích trình tự amino trên toàn bộ cây tiến hóa của sự dống, ngược về tổ tiên chung phổ quát cuối cùng, hay LUCA, một quần thể giả thuyết của sinh vật đã sống cách đây khoảng 4 tỷ năm và đại diện cho tổ tiên chung của mọi sự sống trên Trái đất ngày nay. Không giống như các nghiên cứu trước đây, sử dụng trình tự protein toàn phần, Wehbi và nhóm của cô đã tập trung vào các tiểu phần (domain) protein, các đoạn amino axit ngắn hơn. "Nếu bạn nghĩ về protein như một chiếc ô tô, thì domain giống như một bánh xe", Wehbi nói. "Đó là một bộ phận có thể được sử dụng trong nhiều loại ô tô khác nhau và bánh xe đã tồn tại lâu hơn nhiều so với ô tô”.
Để nắm bắt được thời điểm một loại axit amin cụ thể có khả năng được huy động vào mã di truyền, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các công cụ phân tích dữ liệu thống kê để so sánh mức độ làm giàu của từng axit amin riêng lẻ trong các chuỗi protein có niên đại từ LUCA, và thậm chí còn xa hơn nữa. Một loại axit amin xuất hiện ưu tiên trong các chuỗi cổ xưa có khả năng được kết hợp từ sớm. Ngược lại, các chuỗi của LUCA bị cạn kiệt đối với các axit amin được huy động sau đó nhưng trở nên khả dụng vào thời điểm các chuỗi protein ít cổ xưa hơn xuất hiện.
Nhóm nghiên cứu đã xác định được hơn 400 họ trình tự có niên đại từ LUCA. Hơn 100 trong số chúng có nguồn gốc thậm chí còn sớm hơn và đã đa dạng hóa trước LUCA. Chúng hóa ra chứa nhiều axit amin hơn với cấu trúc vòng thơm, như tryptophan và tyrosine, mặc dù các axit amin này là những bổ sung muộn vào mã di truyền của chúng ta.
"Điều này gợi ý về các mã di truyền khác xuất hiện trước mã của chúng ta và kể từ đó đã biến mất trong vực thẳm của thời gian địa chất", GS. Masel cho biết. "Sự sống ban đầu dường như chứa các axit amin vòng".
Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241212190257.htm