Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các vi khuẩn đầu tiên đã có những công cụ để thực hiện một bước quan trọng trong quang hợp, làm thay đổi cách chúng ta suy nghĩ về sự sống được tiến hóa trên Trái đất.

Phát hiện này cũng thách thức những kỳ vọng về việc sự sống đã có thể tiến hóa như thế nào trên các hành tinh khác. Sự tiến hóa của quang hợp tạo ra oxy được cho là yếu tố then chốt dẫn đến sự xuất hiện sau cùng của sự sống phức tạp. Quá trình này được cho là mất vài tỉ năm để tiến hóa, nhưng trên thực tế, nếu sự sống đầu tiên có thể thực hiện điều này thì các hành tinh khác có thể đã tiến hóa sự sống phức tạp sớm hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.

Nhóm nghiên cứu, do các nhà khoa học tại Trường Đại học Hoàng Gia London dẫn đầu, đã truy tìm sự tiến hóa của các protein chủ chốt cần thiết cho quang hợp mà trở lại có thể là nguồn gốc của sự sống vi khuẩn trên Trái đất. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí BBA – Bioenergetics.
  Trưởng nhóm nghiên cứu, Tiến sĩ Tanai Cardona công tác tại Bộ môn Khoa học Sự sống, Trường Đại học Hoàng Gia London, cho biết: “Trước đây chúng tôi đã chỉ ra rằng hệ thống sinh học thực hiện việc sản xuất oxy, được gọi là quang hệ thống II, đã tồn tại rất lâu đời, nhưng đến nay chúng tôi vẫn không thể xác định được vị trí của nó trên dòng thời gian của lịch sử sự sống. Hiện tại, chúng tôi biết rằng quang hệ thống II hiển thị các mô hình tiến hóa thường chỉ được quy cho các enzyme cổ xưa nhất đã biết, vốn rất quan trọng cho sự sống tự tiến hóa”.

Quang hợp chuyển ánh sáng mặt trời thành năng lượng, có thể chia thành hai dạng: một dạng tạo ra oxy và một dạng không. Dạng tạo ra oxy thường được cho là đã tiến hóa muộn hơn, đặc biệt với sự xuất hiện của vi khuẩn lam, hay tảo lam, cách đây khoảng 2,5 tỷ năm. Trong khi một số nghiên cho rằng quá trình quang hợp sản xuất oxy có thể đã xuất hiện trước đó, nó vẫn được xem là một sự đổi mới cần ít nhất vài tỷ năm để tiến hóa trên Trái đất.

Nghiên cứu mới này phát hiện ra rằng các enzyme có khả năng thực hiện một quá trình quan trọng trong quang hợp – tách nước thành hydro và oxy – có thể đã thật sự hiện diện ở một số vi khuẩn đầu tiên. Bằng chứng sớm nhất về sự sống trên Trái đất là hơn 3,4 tỷ năm tuổi và một số nghiên cứu cho rằng sự sống sớm nhất cũng có thể đã hơn 4 tỷ năm tuổi.

Giống như sự tiến hóa của mắt, phiên bản đầu tiên của quá trình quang hợp có thể rất đơn giản và không hiệu quả; bởi những con mắt đầu tiên chỉ cảm nhận được ánh sáng, quá trình quang hợp đầu tiên có thể rất kém hiệu quả và chậm.

Trên Trái đất, phải mất hơn một tỷ năm để vi khuẩn hoàn thiện quá trình dẫn đến sự tiến hóa của vi khuẩn lam, và hai tỷ năm nữa để động, thực vật xâm chiếm đất liền. Tuy nhiên, quá trình sản xuất oxy có mặt từ rất sớm trong các môi trường khác, chẳng hạn như trên các hành tinh khác, quá trình chuyển đổi sang sự sống phức tạp có thể mất ít thời gian hơn nhiều.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra phát hiện của mình bằng cách truy vết “đồng hồ phân tử” của các protein quang hợp chủ chốt chịu trách nhiệm cho sự phân tách nước. Phương pháp này ước tính tốc độ tiến hóa của protein bằng cách xem xét thời gian giữa các thời điểm tiến hóa đã biết, chẳng hạn như sự xuất hiện của các nhóm vi khuẩn lam hay thực vật trên cạn khác nhau mang một phiên bản của những protein này ngày nay. Tốc độ tiến hóa đã tính toán sau đó được mở rộng trở lại quá khứ, để xem thời điểm nào các protein đó được tiến hóa đầu tiên.

Họ so sánh tốc độ tiến hóa của những protein quang hợp này với tốc độ tiến hóa của những protein quan trọng khác trong quá trình tiến hóa của sự sống, bao gồm những protein hình thành nên các phân tử dự trữ năng lượng trong cơ thể và cả những protein phiên mã trình tự DNA thành RNA, phân tử được cho là xuất hiện trước tổ tiên của tất cả sự sống tế bào trên Trái đất. Nhóm nghiên cứu cũng so sánh tốc độ này với các sự kiện mới xuất hiện gần đây hơn, khi mà sự sống đã đa dạng và vi khuẩn lam đã xuất hiện.

Các protein quang hợp hiển thị các mô hình tiến hóa gần giống với các enzyme cổ xưa nhất, kéo rất xa trở về quá khứ, cho thấy chúng đã tiến hóa theo một cách giống nhau.

Tác giả chính của nghiên cứu này, Thomas Oliver cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng một kỹ thuật được gọi là Tái xây dựng Trình tự Tổ tiên (Ancestral Sequence Reconstruction) để dự đoán trình tự của các protein quang hợp tổ tiên. Các trình tự này cho chúng tôi thông tin về cách thức Quang hệ thống II tổ tiên đã hoạt động và chúng tôi có thể cho thấy rằng nhiều thành phần chính cần thiết cho sự tiến hóa oxy trong quan hệ thống II có thể được truy tìm từ các giai đoạn đầu tiên trong quá trình tiến hóa của enzyme”.

Biết được cách thức những protein quang hợp quan trọng này tiến hóa không chỉ liên quan đến việc tìm kiếm sự sống trên các hành tinh khác, mà còn giúp các nhà nghiên cứu tìm ra các chiến lược để sử dụng quang hợp theo các cách mới thông qua sinh học tổng hợp.

Tiến sĩ Cardona cho biết: “Hiện tại chúng tôi có một dự cảm tốt về cách thức các protein quang hợp tiến hóa, thích nghi với một thế giới đang thay đổi, chúng tôi có thể sử dụng “quá trình tiến hóa có định hướng” để tìm hiểu về cách thức thay đổi chúng nhằm tạo ra những loại chất hóa học mới. Chúng tôi có thể phát triển các quang hệ thống có thể thực hiện các phản ứng hóa học xanh và bền vững mới hoàn toàn bằng ánh sáng”.