Câu hỏi làm thế nào sự sống trên Trái đất lần đầu tiên xuất hiện là một câu hỏi mà con người đã tự hỏi mình từ thời xa xưa. Trong khi các nhà khoa học tương đối tự tin về thời điểm nó xảy ra, không có câu trả lời dứt khoát về lý do tại sao nó lại xảy ra. Làm thế nào mà các axit amin, các khối xây dựng hóa học của sự sống, kết hợp với nhau khoảng bốn tỷ năm trước để tạo ra các phân tử protein đầu tiên?
Trong khi câu hỏi vẫn chưa được trả lời, các nhà khoa học đang thực hiện những khám phá mới có thể giúp thu hẹp nó. Ví dụ, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Tiến hóa hóa học (CCT) của Georgia gần đây đã tiến hành một nghiên cứu cho thấy một số tiền thân sớm nhất của phân tử protein có thể tự liên kết với nhau để tạo thành chuỗi.
Nghiên cứu gần đây đã xuất hiện trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. Nghiên cứu được tiến hành bởi Tiến sĩ Moran Frenkel-Pinter của Georgia Tech và bao gồm nhiều nhà nghiên cứu từ CCT - được NASA và Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) hỗ trợ - với sự hỗ trợ của Tiến sĩ Luke Leman, và trợ lý giáo sư hóa học tại Scripps Research, một viện nghiên cứu y tế phi lợi nhuận.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã có lý thuyết về cách các axit amin đầu tiên kết hợp với nhau để tạo thành các phân tử protein. Thật không may, tất cả các nỗ lực để xác minh những lý thuyết này cho đến nay đã thất bại. Như Tiến sĩ Leman đã giải thích:
Cách thức hóa học dẫn đến cuộc sống phức tạp là một trong những câu hỏi hấp dẫn nhất mà nhân loại đã suy ngẫm. Có rất nhiều lý thuyết về nguồn gốc của protein nhưng không có quá nhiều sự hỗ trợ trong phòng thí nghiệm cho những ý tưởng này.
Đối với nghiên cứu của họ, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một thí nghiệm trong đó một lựa chọn nhỏ các axit amin (lysine, arginine và histidine) được đặt cùng với ba axit amin đối thủ không sinh học. Các axit sau đó phải chịu các điều kiện tương tự như những gì được cho là đã tồn tại trên Trái đất trong Hadean Eon (khoảng 4 tỷ năm trước).
Điều này bao gồm việc đưa các axit amin được chọn vào nước có chứa axit hydroxy, được biết là tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng axit amin và sẽ phổ biến trên Trái đất prebiotic. Hỗn hợp này sau đó được làm nóng đến 85 °C (185 °F), làm tăng quá trình phản ứng và làm cho nước bay hơi. Các phản ứng hóa học kết quả sau đó đã được nghiên cứu.
Trước sự ngạc nhiên của họ, các axit amin sinh học tự phát hình thành các phân đoạn gọn gàng liên kết với nhau thông qua các nhóm? -Aamine. Những nhóm này là những nhóm được làm từ nitơ và hydro và khá phản ứng. Tuy nhiên, chúng cũng là một phần của lõi của axit amin và các amin khác tạo thành sidechain kéo dài từ lõi (được sử dụng trong thí nghiệm này) thường phản ứng mạnh hơn. Frenkel-Pinter nói:
Một điều khiến chúng tôi ngạc nhiên là hóa học này ủng hộ kết nối? -Amine được tìm thấy trong protein, mặc dù các nguyên tắc hóa học có thể khiến chúng tôi tin rằng kết nối phi protein sẽ được ưa chuộng. Sở thích liên kết giống như protein so với phi protein là khoảng bảy đến một.
Một điều ngạc nhiên khác là thực tế là các axit amin sinh học đánh bại những chất phi sinh học về khả năng phản ứng. Các axit sau này, không được tìm thấy trong protein ngày nay, có khả năng phản ứng hóa học tốt (hoặc tốt hơn) các chất sinh học. Hơn thế nữa, nhóm nghiên cứu dự đoán rằng việc bao gồm các axit này sẽ giúp các sinh vật chạy theo tiền của họ và thậm chí có thể dẫn đến c
Tuy nhiên, các phản ứng dẫn đến chủ yếu là sự hình thành các peptide (hai hoặc nhiều khối xây dựng axit amin liên kết với nhau) gần với protein thực tế ngày nay. Cụ thể, các nhà nghiên cứu nghĩ rằng các axit amin không sinh học sẽ vượt trội hơn axit amin sinh học được gọi là lysine và lysine sẽ không thể tạo thành chuỗi đáng tin cậy.
Trong cả hai trường hợp, họ đã sai và thay vào đó thấy rằng lysine chủ yếu đi vào chuỗi theo cách tương tự như những gì xảy ra với protein ngày nay. Từ đó, nhóm nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng các chuỗi axit amin đúc sẵn có ích trong các hệ thống sống được phát triển trước khi sự sống tìm ra cách tạo ra protein.
Thực tế là thí nghiệm của họ cho thấy rằng các axit amin sinh học được ưa thích hơn các axit phi sinh học cũng có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về lý do tại sao chỉ có 20 axit amin đi vào sự hình thành của sự sống. Các nhà khoa học tin rằng có hơn 500 axit tự nhiên có mặt trên Trái đất trong thời kỳ Hadean Eon. Như Loren Williams, giáo sư hóa sinh tại Georgia Tech, giải thích
Ý tưởng của chúng tôi là cuộc sống bắt đầu với nhiều khối xây dựng ở đó và chọn một tập hợp con của chúng, nhưng chúng tôi không biết cách chọn được bao nhiêu trên cơ sở hóa học thuần túy hoặc bao nhiêu quá trình sinh học đã chọn. Nhìn vào nghiên cứu này, nó xuất hiện ngày hôm nay sinh học có thể phản ánh những phản ứng hóa học prebiotic sớm này nhiều hơn chúng ta nghĩ.
Ở Trái đất prebiotic, sẽ có một bộ axit amin lớn hơn nhiều. Có điều gì đặc biệt về 20 axit amin này, hay chúng chỉ bị đóng băng tại một thời điểm trong quá trình tiến hóa? Nói tóm lại, thí nghiệm cho thấy các loại axit amin được sử dụng trong protein có nhiều khả năng liên kết với nhau hơn vì chúng phản ứng với nhau hiệu quả hơn và có ít phản ứng phụ không hiệu quả.
Nói tóm lại, thí nghiệm cho thấy các loại axit amin được sử dụng trong protein có nhiều khả năng liên kết với nhau hơn vì chúng phản ứng với nhau hiệu quả hơn và có ít phản ứng phụ không hiệu quả. Nó cũng cho vay thêm uy tín cho lý thuyết rằng hầu hết các polyme sinh học hình thành trong chu kỳ khô và ướt, đó là điều mà các nhà nghiên cứu CCT hav
Giả thuyết này, nói rằng các protein đầu tiên xảy ra trên các bãi đất sét quét mưa hoặc đá lakeshore nướng dưới ánh nắng mặt trời, là mâu thuẫn với câu chuyện thông thường hơn rằng các khối xây dựng của sự sống dựa vào các sự kiện hiếm hoi và thảm khốc, cũng như nhiều thành phần trong để xuất hiện. Bằng cách chỉ ra rằng nó có thể là một quá trình đơn giản hơn nhiều, nghiên cứu này có thể đưa chúng ta một bước gần hơn để mở khóa bí ẩn lâu đời này.
Nó cũng có thể có ý nghĩa trong việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất. Nếu các khối xây dựng của sự sống phản ứng tự nhiên và thu hút lẫn nhau, thì có khả năng làm tăng tỷ lệ cược rằng các phản ứng hóa học tương tự đã diễn ra ở nơi khác trong Vũ trụ!
