Hồi sinh enzyme 3,2 tỷ năm tuổi hé lộ nguồn gốc sự sống trên Trái đất

Nitơ là nguyên tố thiết yếu cho mọi dạng sống đã biết trên Trái đất. Giờ đây, các nhà khoa học cho rằng nguyên tố phổ biến này cũng có thể giúp giải thích cách thức tiến hóa của sự sống sơ khai trên hành tinh chúng ta và cách sự sống có thể phát triển ở những nơi khác trong vũ trụ.

"Tất cả các sinh vật sống đều cần nitơ để tồn tại và mặc dù nó có ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta, nhưng chúng ta không thể tiếp cận trực tiếp được nó," nhà hóa sinh Lance Seefeldt thuộc Đại học bang Utah cho biết.

Ezym cố định ni tơ cổ đại được các nhà khoa học hồi sinh để tìm hiểu nguồn gốc sự sống. Ảnh: Live Science

Các enzyme gọi là nitrogenase cho phép quá trình cố định nitơ diễn ra, chuyển đổi nitơ thành dạng mà thực vật, động vật, con người và các dạng sống khác có thể hấp thụ được. Và chúng ta mới chỉ bắt đầu hiểu được mức độ tiến hóa của các enzyme nitrogenase này trong suốt bốn tỷ năm lịch sử của Trái đất.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, các nhà khoa học đã sử dụng sinh học tổng hợp để nghiên cứu ngược từ các nitrogenase hiện đại và tái tạo các phiên bản tổ tiên có thể có của các enzyme này.

Nghiên cứu này xác định đặc điểm của các gen nitrogenase tổ tiên được tái tạo tổng hợp. Trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát, nhóm đã đo sự phân tách đồng vị nitơ trong sinh khối tế bào của các chủng được thiết kế.

Nghiên cứu này cho phép các nhà khoa học xem xét cách thức hoạt động của các enzyme nitrogenase cổ đại cách đây hàng tỷ năm.

Các tế bào nguyên thủy trong giai đoạn đầu lịch sử sự sống trên Trái đất sử dụng enzym để hấp thụ ni tơ.

GS Seefeldt, Trưởng khoa Hóa học và Sinh hóa tại Đại học USU, đã dành hơn 30 năm nghiên cứu cấu trúc và chức năng của các enzyme nitrogenase. Ông cho rằng khả năng tái tạo các dạng cổ xưa của những enzyme này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong nỗ lực tìm hiểu nguồn gốc sự sống trên Trái đất và có thể cả trên các hành tinh khác.

Cho đến nay, khoa học vẫn dựa vào đá và hóa thạch cổ đại để nghiên cứu sự sống sơ khai. Hành tinh của chúng ta khác biệt rất nhiều cách đây hàng tỷ năm. Vi sinh vật hiện đại tiếp cận các nguồn nitơ trong khí quyển thông qua các enzyme nitrogenase, chỉ là một trong số các họ enzyme.

GS Seefeldt cho biết, nghiên cứu các enzyme hóa thạch giả định rằng các enzyme cổ đại tạo ra cùng dấu hiệu đồng vị như các enzyme hiện đại.

Các enzyme nitrogenase được tái tạo cung cấp một phương pháp mới để nghiên cứu xem các điều kiện trên Trái đất và trong khí quyển của nó có thể như thế nào trong quá khứ xa xôi.

"Hiểu rõ về các enzyme nitrogenase, cả cổ đại và hiện đại, là điều vô cùng quan trọng để giúp chúng ta giải quyết những thách thức hiện tại trong nông nghiệp trong bối cảnh khí hậu thay đổi", ông nói.

Những phát hiện này cũng có thể có ứng dụng thực tiễn ngoài Trái Đất nhằm xác định cách thức trồng trọt lương thực trong không gian và trên sao Hỏa.

Tiến trình 4 tỷ năm hình thành sự sống trên trái đất trong 1 phút.