Thêm bước tiến lý giải về nguồn gốc sự sống trên Trái đất

Các nhà khoa học đã phát hiện ra cách các phân tử đơn giản, được xúc tác bởi thủy tinh silica, có thể hình thành nên màng tế bào đầu tiên trên Trái đất thời kỳ đầu, làm sáng tỏ nguồn gốc sự sống.

Ít có câu hỏi nào thu hút loài người hơn là bí ẩn về nguồn gốc sự sống trên Trái đất. Các tế bào sống đầu tiên xuất hiện như thế nào? Các nguyên bào sơ khai này phát triển các màng cấu trúc cần thiết cho sự phát triển mạnh mẽ và cuối cùng là lắp ráp thành các sinh vật phức tạp như thế nào?

Nghiên cứu mới từ phòng thí nghiệm của Giáo sư Hóa học và Hóa sinh Neal Devaraj thuộc Đại học California San Diego đã khám phá ra lời giải thích hợp lý liên quan đến phản ứng giữa hai phân tử đơn giản.

Vai trò của màng lipid trong sự sống

Sự sống trên Trái đất cần có màng lipid – cấu trúc của tế bào chứa các cơ chế bên trong và hoạt động như một khung cho nhiều phản ứng sinh học. Lipid được tạo thành từ các chuỗi axit béo dài, nhưng trước khi sự sống phức tạp xuất hiện, các màng tế bào đầu tiên này hình thành như thế nào từ các phân tử đơn giản có trên Trái đất hàng tỷ năm trước?

Các nhà khoa học tin rằng các phân tử đơn giản của các chuỗi chất béo ngắn có ít hơn 10 liên kết carbon-carbon (các chuỗi chất béo phức tạp có thể có gần gấp đôi số liên kết đó) rất nhiều trên Trái đất sơ khai. Tuy nhiên, các phân tử có chuỗi dài hơn là cần thiết để hình thành các túi, các ngăn chứa bộ máy phức tạp của tế bào.

Mặc dù một số phân tử chất béo đơn giản có thể tự hình thành các ngăn lipid, nhưng các phân tử này sẽ cần ở nồng độ rất cao. Điều kiện nồng độ như vậy có thể không tồn tại trên Trái đất thời tiền sinh vật - thời điểm mà các điều kiện trên Trái đất có thể thuận lợi cho sự sống nhưng chưa có sinh vật nào tồn tại.

Devaraj, cũng là Giáo sư Hóa học và Hóa sinh Murray Goodman, cho biết: "Nhìn bề ngoài, điều này có vẻ không mới lạ vì quá trình sản xuất lipid luôn diễn ra khi có sự hiện diện của enzyme. Nhưng hơn bốn tỉ năm trước, không có enzyme. Nhưng bằng cách nào đó, các cấu trúc nguyên mẫu đầu tiên này đã được hình thành. Bằng cách nào? Đó là câu hỏi mà chúng tôi đang cố gắng trả lời".

Một khám phá mang tính đột phá: Hình thành lipid mà không cần enzyme

Để khám phá ra lời giải thích cho các màng lipid đầu tiên này, nhóm của Devaraj đã bắt đầu với hai phân tử đơn giản: một loại axit amin có tên là cysteine và một choline thioester chuỗi ngắn, tương tự như các phân tử tham gia vào quá trình hình thành và phân hủy sinh hóa của axit béo.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thủy tinh silica làm chất khoáng xúc tác vì silica tích điện âm bị hút bởi thioester tích điện dương. Trên bề mặt silica, cysteine và thioester tự phản ứng để tạo thành lipid, tạo ra các túi màng giống như tế bào nguyên sinh đủ ổn định để duy trì các phản ứng sinh hóa. Điều này xảy ra ở nồng độ thấp hơn so với nồng độ cần thiết khi không có chất xúc tác.

Devaraj cho biết: “Một phần công việc chúng tôi đang thực hiện là cố gắng hiểu cách sự sống có thể xuất hiện khi chưa có sự sống trước đó. Quá trình chuyển đổi từ vật chất sang sự sống ban đầu diễn ra như thế nào? Ở đây, chúng tôi đã đưa ra một lời giải thích khả thi về những gì có thể đã xảy ra”.

Anh Tú