Nhà hóa sinh này quyết tâm tạo ra một dạng sống mới bằng cách đảo ngược hình dạng của các phân tử.
Sinh quyển tối (dark biosphere) là gì
Dark biosphere là khái niệm được sử dụng để mô tả một hệ sinh thái chưa được khám phá đầy đủ, chủ yếu nằm dưới bề mặt trái đất, nơi có các sinh vật sống mà không cần ánh sáng mặt trời.
– Đặc điểm: Dark biosphere chủ yếu tồn tại ở các môi trường khắc nghiệt như đáy đại dương, vùng đất ngập nước, và các tầng sâu trong đất và đá. Tại đây, các sinh vật thường sử dụng năng lượng hóa học từ các khoáng chất hoặc quá trình phân hủy hữu cơ thay vì ánh sáng mặt trời để sinh trưởng.
– Sinh vật: Các sinh vật trong dark biosphere bao gồm vi khuẩn, archaea và một số loại nấm. Chúng thường có khả năng chịu đựng cao và có thể sống trong các điều kiện thiếu oxy, áp suất cao, và nhiệt độ cực thấp hoặc cực cao.
– Tầm quan trọng: Dark biosphere có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin về sự sống trên Trái Đất, cũng như trong các nghiên cứu về sự sống trên các hành tinh khác. Nó giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về sự đa dạng sinh học và cách mà sự sống có thể tồn tại trong các môi trường khắc nghiệt.
– Nghiên cứu: Việc nghiên cứu dark biosphere vẫn đang trong giai đoạn phát triển, với nhiều câu hỏi chưa được giải đáp về cách các sinh vật này tồn tại và tương tác với nhau cũng như với môi trường xung quanh.
Dark biosphere mang lại nhiều cơ hội để khám phá và hiểu rõ hơn về sự sống trên Trái Đất và những khả năng tồn tại của sự sống ở các môi trường ngoài hành tinh.
Chúng ta đều bị xoắn
Bạn bị xoắn (twisted). Xin lỗi, nhưng tất cả chúng ta đều như vậy. Các phân tử đóng vai trò trung tâm trong sự sống đều xoắn theo một chiều nhất định. Phân tử nổi tiếng nhất của bạn, DNA, một chuỗi xoắn ốc giống như ren của một chiếc vít, có chiều xoắn thuận. Các phân tử được mã hóa bởi DNA của bạn, protein, có chiều xoắn nghịch. Thậm chí các loại đường đơn giản như glucose cũng có hình dạng xoắn nhất định.
Tại sao đặc tính xoắn, được gọi là đối xứng tay theo từ chirality trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là bàn tay, lại có trong các phân tử (các cụm nguyên tử) cấu thành nên mọi dạng sống trên trái đất? Làm cách nào và từ khi nào mà chiều xoắn trái hoặc phải của các thành phần sự sống lại được quyết định? Không ai biết cả – mặc dù đối xứng tay của sự sống đã được ghi nhận hơn một thế kỷ rưỡi.
Chúng ta biết rằng các sinh vật sống rất nhạy cảm với đặc tính xoắn này. Cung cấp cho vi khuẩn các amino acid xoắn trái, và chúng sẽ đưa chúng vào protein của mình. Cung cấp amino acid xoắn phải cho chúng, và rất có thể chúng sẽ bỏ qua, dù đó vẫn là những phân tử giống nhau nhưng lật ngược như trong một tấm gương.
Có thể có một hệ sinh thái bóng tối – một hệ sinh thái gồm các dạng sống đối xứng qua gương.
Có lẽ chúng ta chỉ cần chấp nhận rằng sự sống là như vậy. Nó tồn tại ở một phía của tấm gương. Nhưng một số nhà nghiên cứu cho rằng có thể có những dạng sống tương đương ở phía bên kia – nếu chúng ta có thể tạo ra chúng. Họ đã chế tạo các phiên bản đối xứng qua gương của protein và các acid nucleic như DNA. Những phân tử này có thể là những loại thuốc quý giá – càng hiệu quả hơn nhờ cấu trúc đối xứng qua gương của chúng cho phép chúng hoạt động mà không bị phát hiện bởi các cơ chế phòng vệ tự nhiên của cơ thể để phá vỡ các phân tử ngoại lai.
Tạo ra các phiên bản đối xứng qua gương
Nhưng nhà hóa sinh Ting Zhu từ đại học Westlake ở Hàng Châu, Trung Quốc, quyết tâm tiến xa hơn thế rất nhiều. Ông đã làm nhiệm vụ của mình là tạo ra các phiên bản đối xứng qua gương của các thành phần phân tử chủ chốt của sự sống. Về nguyên tắc, có thể lắp ráp các thành phần đó thành những cấu trúc giống tế bào tổng hợp có khả năng tự nhân đôi và trao đổi chất: một dạng sống nguyên thủy nhưng đảo ngược so với mọi sinh vật đã biết, và do đó là dạng sống đầu tiên thực sự không tự nhiên.
Tôi tin rằng có rất nhiều khả năng thay thế cho sự sống, Zhu nói. Nhưng trong tất cả những khả năng đó, có một điều mà chúng ta biết chắc là sẽ hoạt động, đó là phiên bản đối xứng qua gương chính xác của chúng ta. Không ai biết các tế bào đối xứng qua gương đó sẽ chung sống với các tế bào bình thường như thế nào – có thể chúng sẽ bỏ qua nhau, hoặc cạnh tranh? Liệu hành tinh của chúng ta có từng thực hiện một phiên bản thử nghiệm như vậy trong tự nhiên, hàng tỷ năm trước khi sự sống bắt đầu?
Trong vài năm qua, zhu và các đồng nghiệp đã thực hiện công việc khổng lồ là chế tạo từ các phần tử phân tử cấu thành nên các phiên bản đối xứng qua gương của các phân tử sinh học quan trọng trong các tế bào sống: dna, người anh em của nó là rna, và các enzyme để sao chép chúng và dịch mã các chuỗi của chúng thành protein. ông vẫn chưa có được bộ đầy đủ, nhưng ông đang rất gần. chỉ còn một vài thành phần cần được thêm vào bộ công cụ phân tử sinh học cơ bản cần thiết cho các phiên bản đối xứng qua gương của sự sống tối giản, gọn nhẹ.
Công việc của Ting thật sự ấn tượng, nhà hóa sinh đoạt giải Nobel Jack Szostak tại đại học Harvard, người từng là cố vấn tiến sĩ của Zhu, nói. Việc tạo ra một tế bào đối xứng qua gương với hệ thống tổng hợp protein đối xứng qua gương đầy đủ là một mục tiêu rất tham vọng. Nhưng tôi nghĩ nó đáng thử, chỉ để xem những vấn đề khó khăn nhất là gì.
Điều này có thể là khởi đầu của một dạng sống mới, Zhu nói. Rất nhiều người nghĩ rằng việc này không thể thực hiện được – nhưng ông quyết tâm thử, chỉ để xem liệu nó có khả thi không. Thật sự rất khó và đầy thử thách, nhưng đó cũng là điều khiến nó trở nên thú vị, giống như leo lên một ngọn núi cao vậy.
Hình ảnh phản chiếu của cuộc sống
Cuộc sống trong hình ảnh phản chiếu lần đầu tiên được tưởng tượng bởi người khám phá ra tính đối xứng của các phân tử trong sự sống: nhà hóa học người Pháp Louis Pasteur. Vào năm 1848, Pasteur đã suy luận rằng một sản phẩm phụ của việc sản xuất rượu vang được gọi là axit tartaric có thể kết tinh thành hai hình dạng tinh thể đối xứng vì các phân tử thành phần của chúng có tính đối xứng ngược nhau. Sau khi cẩn thận phân loại hai loại tinh thể bằng tay, Pasteur đã hòa tan chúng riêng lẻ vào nước và phát hiện ra rằng khi ánh sáng phân cực đi qua các dung dịch, mặt phẳng phân cực bị xoay theo các hướng ngược nhau: một cái sang trái và cái còn lại sang phải. Các cấu trúc phân tử phản chiếu này được gọi là enantiomers, và được phân biệt bằng các tiền tố D và L, theo từ Latin chỉ bên phải (dextera) và bên trái (laeva). Chúng được phân biệt bởi cách các nguyên tử thành phần của chúng sắp xếp trong không gian.
Niềm tin của Pasteur về tính đối xứng trong sinh học
Pasteur trở nên tin rằng tính đối xứng của phân tử là một đặc tính cơ bản của sinh vật sống: điều gì đó phân biệt chúng với thế giới vô tri vô giác. Ông đã sai về điều đó nhưng lại đúng khi tin rằng tính đối xứng hiện diện khắp nơi trong các phân tử sinh học. Pasteur tự hỏi liệu tính đối xứng có bị gây ra bởi các lực như từ tính, điện hay ánh sáng hay không, và vào những năm 1850, ông đã thực hiện một loạt thí nghiệm mà từ quan điểm hiện nay có thể coi là kỳ quặc: kết tinh các hợp chất trong các trường từ tính, trồng cây dưới ánh sáng với sự phân cực được đảo ngược bằng gương. Những nỗ lực đó không dẫn đến đâu, mặc dù gần đây các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard đã đề xuất rằng từ tính trong khoáng chất thực sự có thể đã đóng một vai trò trong việc cung cấp tính đối xứng đặc thù cho sự sống đầu tiên.
Tuy nhiên, Pasteur cũng đã nghiên cứu tính đối xứng của một số phân tử tự nhiên và chỉ ra rằng axit amin asparagin, phân lập từ thực vật (cái tên này xuất phát từ việc phát hiện ra trong nước ép măng tây), chỉ tồn tại dưới dạng L. Năm 1886, nhà hóa học người Ý Arnaldo Piutti đã phát hiện dạng D của asparagin và nhận thấy rằng trong khi L-asparagin không có vị, D-asparagin lại có vị ngọt. Nói cách khác, chỉ cần sự đảo ngược hình ảnh phản chiếu đã đủ để tạo ra các tác động sinh học khác nhau. Những sự khác biệt như vậy trở nên rõ ràng một cách bi thảm khi người ta phát hiện ra vào đầu những năm 1960 rằng hai enantiomer của thuốc thalidomide, được kê đơn cho sự lo âu và ốm nghén ở phụ nữ mang thai, có những tác dụng rất khác nhau: một là thuốc an thần, cái kia có thể gây ra các dị tật bẩm sinh nghiêm trọng.
Các loại thuốc dạng gương
Chúng ta hiện biết rằng tất cả các axit amin tự nhiên trong protein đều là L-enantiomer. Nhưng các phân tử dạng protein được tạo thành từ các axit amin D bằng phương pháp tổng hợp hóa học đã được nghiên cứu trong vài thập kỷ qua như là một loại thuốc tiềm năng.
Sự sáng tạo ra các protein dạng gương (mirror image proteins, là các protein có cấu trúc phân tử đối xứng như hình ảnh phản chiếu trong gương. Những protein này có thể tồn tại dưới dạng đồng phân, trong đó các axit amin được sắp xếp theo thứ tự ngược lại so với cấu trúc tự nhiên của chúng), được tiên phong từ vài thập kỷ trước bởi nhà hóa học Stephen Kent thuộc Đại học Chicago và các đồng nghiệp của ông. Vào đầu những năm 1990, Kent và các đồng nghiệp đã có thể tổng hợp hóa học enzyme protease HIV-1, enzyme mà virus HIV sử dụng để phân hủy các protein khác. Điều này giúp các nhà nghiên cứu có được cấu trúc tinh thể đầu tiên của enzyme, hỗ trợ sự phát triển của các loại thuốc chống lại bệnh AIDS bằng cách ngăn enzyme hoạt động. Khi đã có được khả năng tạo protein từ đầu, vào năm 1992, nhóm của Kent đã tạo ra một phiên bản protease HIV dạng gương chỉ để xem nó sẽ làm gì. Họ phát hiện ra rằng phân tử này chỉ phân giải các peptide cũng được tạo từ các axit amin D, trong khi bỏ qua các peptide được tạo từ các phiên bản L tự nhiên.
Kent nhận ra rằng các protein đảo ngược (reversed proteins) như vậy có thể hữu ích cho việc phát hiện thuốc. Nhiều loại thuốc nhằm mục đích gắn vào và ngăn chặn hoạt động của các protein tự nhiên, và những hợp chất này thường được tìm thấy qua quy trình sàng lọc: protein mục tiêu được phơi bày với nhiều loại hợp chất để xem có loại nào liên kết với nó không. Nhiều hợp chất như vậy có tính chiral, và một phiên bản dạng gương của protein mục tiêu có thể tăng gấp đôi cơ hội tìm được sự phù hợp tốt, bởi vì một ứng viên trong thư viện sàng lọc có thể có đúng tay để gắn chỉ vào dạng gương. Nếu vậy, enantiomer còn lại, khi được tổng hợp hóa học, sẽ gắn vào mục tiêu tự nhiên.
D-protein và công dụng tiềm năng trong trị liệu
D-protein (và các mảnh nhỏ của chúng được gọi là peptide) cũng có thể hữu ích như một loại thuốc, chẳng hạn bằng cách gắn vào và ngăn chặn hoạt động của các protein tự nhiên là mục tiêu trị liệu. Khoảng 80 peptide L bình thường làm điều này đã có mặt trên thị trường, nhưng peptide D có lợi thế đặc biệt. Một trong những trở ngại cho thuốc dựa trên protein là các enzyme protease tự nhiên nhanh chóng phân giải chúng. Nhưng các enzyme này không hoạt động trên peptide D, và do đó chúng được cho là phần lớn không bị phân hủy trong quá trình trao đổi chất, Kent nói.
Hơn nữa, protein D sẽ không khiến hệ miễn dịch kích hoạt phản ứng viêm, bởi điều này chỉ xảy ra khi các protein ngoại lai bị cắt thành các mảnh bởi protease. Các nghiên cứu trên chuột đã chỉ ra rằng protein D có thể đi qua cơ thể mà không gây hại trước khi được lọc thải qua thận.
Protein D đang được nghiên cứu cho việc điều trị ung thư, cùng với các ứng dụng khác. Ví dụ, nhóm của Kent đã nghiên cứu một loại có thể can thiệp vào quá trình hình thành mạch máu trong các khối u. Nhưng thuốc protein dạng gương vẫn còn ở giai đoạn đầu. Theo hiểu biết tốt nhất của tôi, vẫn chưa có loại nào được phê duyệt để sử dụng làm thuốc trị liệu, Kent nói.
Khám phá phân tử acid nucleic dạng gương
Nhà hóa sinh Sven Klussmann đang hy vọng rằng các acid nucleic dạng gương cũng sẽ được sử dụng làm thuốc, và ông đã thành lập hai công ty có trụ sở tại Đức để phát triển chúng. Giống như các peptide D, các enzyme tự nhiên phân giải acid nucleic, gọi là nuclease, không thể phân giải acid nucleic dạng gương, và chúng cũng không dễ dàng bị nhận biết bởi phản ứng miễn dịch nên ít có khả năng kích hoạt các phản ứng viêm.
Khi Pasteur tiến hành các thí nghiệm kỳ lạ của mình về tính chiral phân tử bằng nam châm và ánh sáng vào những năm 1850, ông thừa nhận, Phải có một chút điên rồ mới dám thực hiện những gì tôi đang cố gắng làm bây giờ. Đó là một cảm xúc mà Zhu có thể hoàn toàn đồng cảm. Quyết tâm của ông để xây dựng các phiên bản dạng gương của các phân tử chính của sự sống từ đầu, lắp ráp các chuỗi dài từng mảnh một bằng hóa học tỉ mỉ và cực kỳ cẩn thận, đã vượt xa các nỗ lực trước đây để tạo ra protein thuận tay phải. Khi bắt đầu vào đầu những năm 2010, mục tiêu của ông có vẻ như vô cùng tham vọng. Nhưng nhiều người ngạc nhiên về tiến bộ mà ông đã đạt được. Công việc rất hấp dẫn, đầy thử thách, Klussmann nói.
Một dạng sự sống dạng gương sơ khai chỉ cần một vài thành phần phân tử thiết yếu – một bài học sinh học cơ bản sẽ giúp giải thích chúng là gì.
Trong các tế bào, enzyme DNA polymerase tạo ra các bản sao của các phân tử DNA khi tế bào chuẩn bị phân chia, trong khi RNA polymerase tạo ra các phân tử được gọi là RNA thông tin (mRNA) mang thông tin để tạo protein. Trong cả hai trường hợp, trình tự nucleotide được tạo bởi polymerase được xác định bởi trình tự của _dải DNA khuôn mẫu mà enzyme sử dụng để tổng hợp acid nucleic mới. Các nucleotide DNA có bốn loại, được phân biệt bởi các phân tử gọi là base nucleotide mà chúng chứa: adenine (A), cytosine (C), thymine (T), và guanine (G). Mỗi base được gắn vào một phân tử đường gọi là deoxyribose và một nhóm phosphate, cùng tạo nên xương sống của chuỗi xoắn kép mà các base gắn vào. Deoxyribose là một phân tử chiral, và trong DNA tự nhiên, nó luôn là D-enantiomer, khiến chuỗi xoắn theo hướng tay phải.
Sự tương tác và mã di truyền trong cấu trúc DNA
Các base nucleotide có thể gắn vào nhau theo cặp qua các liên kết hóa học yếu gọi là liên kết hydro. Các cặp này có sở thích đặc biệt do cách mà các base khớp với nhau: A gắn với T, và C gắn với G. Do đó, các dải DNA song song được gắn kết bằng các liên kết hydro, và chúng có các chuỗi bổ sung: nơi một dải có A, dải còn lại có T, và ngược lại. Nói đơn giản, một số chuỗi DNA – những vùng tương ứng với các gen – mã hóa các cấu trúc protein, là các chuỗi axit amin cuộn lại. Mỗi bộ ba base DNA, gọi là codon, mã hóa một axit amin duy nhất: sự tương ứng này được gọi là mã di truyền.
Sự gắn kết cơ bản cho phép một dải DNA mới được tạo trên một dải hiện có, khi phần đó của chuỗi xoắn kép được mở ra. Sự gắn kết bổ sung có nghĩa là chuỗi mới có trình tự bổ sung với chuỗi khuôn mẫu: Thông tin mã hóa trong trình tự được bảo tồn. Tất cả những gì enzyme DNA polymerase cần làm là nối các phân đoạn xương sống của các nucleotide mới khi chúng gắn vào dải khuôn mẫu.
Quá trình chuyển thông tin liên quan đến sao chép DNA, phiên mã, và dịch mã được gọi là Nguyên lý Trung tâm của sinh học phân tử, do nhà sinh học người Anh Francis Crick đưa ra năm 1957, người đồng phát hiện ra cấu trúc xoắn kép của DNA. Thông tin đi từ DNA đến DNA trong quá trình sao chép, Crick nói, và từ DNA đến RNA đến protein trong quá trình phiên mã và dịch mã. Ông cũng đưa ra khả năng thông tin có thể truyền ngược từ RNA trở lại DNA – một đề xuất được xác nhận vào những năm 1970 khi các nhà nghiên cứu phát hiện rằng các virus mã hóa gen của chúng trong RNA (như HIV và SARS-CoV-2) có thể chèn chúng vào DNA của vật chủ. _Quá trình phiên mã ngược này được điều phối bởi một polymerase gọi là phiên mã ngược, enzyme này được mã hóa trong bộ gen của virus.
Mục tiêu của Zhu là tạo ra các phiên bản đối xứng của tất cả các thành phần tham gia trong quá trình thực hiện Định lý Trung tâm. Sau đó, ông có thể tiến từ DNA đến protein trong thế giới đối xứng này, cũng như cho phép sao chép DNA. Điều này sẽ cung cấp cho ông bộ phân tử sinh học tối thiểu cần thiết để tạo ra một dạng sống đảo ngược.
Đích đến đầu tiên
Mục tiêu đầu tiên của ông, đạt được vào năm 2016 khi ông còn làm việc tại Đại học Thanh Hoa ở Bắc Kinh, là một DNA polymerase đảo ngược. Lựa chọn khôn ngoan của ông là tổng hợp protein nhỏ nhất được biết đến, được gọi là polymerase X của virus sốt heo châu Phi. Để tạo ra enzyme đảo ngược này, nhóm của Zhu đã sử dụng các phương pháp hóa học hiện đã được thiết lập để gắn kết các amino acid từng cái một, mặc dù việc áp dụng các phương pháp này cho một chuỗi dài như vậy gặp phải nhiều thách thức. Là một kỹ sư cơ khí được đào tạo, Zhu đã học kỹ thuật hóa học của mình dưới sự hướng dẫn chuyên môn của Szostak, người đã theo đuổi thử thách tạo ra các thực thể sống sơ khai tổng hợp, được gọi là protocell, từ đầu.
Khi nhóm của Zhu đã lắp ráp enzyme này, họ đã xác minh rằng nó có thể hoàn thành một chuỗi 12-base của L-DNA trên một chuỗi khuôn mẫu dài 18-base, bổ sung sáu nucleotide còn lại. Tuy nhiên, enzyme thực hiện nhiệm vụ này khá chậm so với các polymerase tự nhiên, mất khoảng bốn giờ: do polymerase X của virus sốt heo châu Phi rất nhỏ, nên nó không hoạt động hiệu quả. Thậm chí khi được kéo dài thời gian hơn – một ngày rưỡi – enzyme có thể kéo dài chuỗi mồi 12-base dọc theo một khuôn mẫu dài 56-nucleotide. Hơn nữa, polymerase đảo ngược còn hoạt động để tạo RNA, sao chép L-RNA trên một khuôn mẫu L-DNA.
Ma quỷ nằm trong chi tiết, ông nói cẩn trọng, và có rất nhiều ma quỷ.
Sử dụng DNA polymerase đối xứng
Một DNA polymerase đối xứng như vậy có thể hữu ích trong việc nhân đôi các chuỗi L-DNA – nghĩa là, tạo ra các bản sao mà từ đó có thể tiếp tục tạo ra các bản sao khác, giúp tăng số lượng chuỗi một cách lũy tiến. Đó là điều xảy ra trong quá trình gọi là phản ứng chuỗi polymerase (PCR), phổ biến trong công nghệ sinh học di truyền để tạo ra nhiều DNA từ các mẫu nhỏ. (Đó là quy trình được sử dụng trong xét nghiệm PCR cho Covid 19, nơi các lượng nhỏ của bộ gen virus trong các mẫu ngoáy mũi được tăng lên để có thể xác định được.) Để thực hiện PCR, các chuỗi đôi được tạo ra bởi một DNA polymerase được tách ra để mỗi chuỗi có thể đóng vai trò làm khuôn mẫu cho quá trình nhân bản tiếp theo, và chu trình này được lặp lại nhiều lần. Các chuỗi được tách ra bằng cách làm nóng chúng lên, khiến các liên kết hydrogen giữ chúng lại bị phá vỡ. Việc làm nóng này có xu hướng phá hủy hầu hết các enzyme polymerase, nhưng PCR tiêu chuẩn sử dụng một enzyme lấy từ một loại vi khuẩn nhiệt sinh (ưa nhiệt) sống ở các suối nước nóng, có khả năng chịu nhiệt tốt hơn.
Là mục tiêu tiếp theo cho hóa sinh đối xứng, Zhu đã chọn một DNA polymerase gọi là Dpo-4 từ một vi sinh vật chịu nhiệt, Sulfolobus solfataricus. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra enzyme này vào năm 2017 và chứng minh rằng nó có thể được sử dụng cho PCR đối xứng. Năm 2019, nhóm của Zhu đã tạo ra một dạng đột biến của polymerase không chỉ có thể sao chép L-RNA từ L-DNA mà còn có thể sao chép ngược, viết một chuỗi RNA trở lại thành DNA: một mắt xích khác trong mạng lưới truyền thông tin của Định lý Trung tâm.
Năm 2022, Zhu và các đồng nghiệp đã tổng hợp dạng đối xứng của protein RNA polymerase lớn 883-amino-acid được sử dụng bởi virus T7 của vi khuẩn, một enzyme được sử dụng rộng rãi trong quá trình sao chép vì hiệu quả và độ chính xác của nó. Thành tựu này, nhà hóa sinh Richard Payne của Đại học Sydney nói, đại diện cho một kỳ tích đáng kể trong tổng hợp hóa học và là một bước đột phá quan trọng trên con đường hướng tới cuộc sống đối xứng.
Thử thách lớn nhất: Ribosome đảo ngược
Với việc tổng hợp axit nucleic đã nằm trong tầm tay, Zhu chuyển sang thử thách lớn nhất cho Định lý Trung tâm đối xứng: một ribosome đảo ngược có khả năng dịch L-RNA thành D-protein. Ribosome không phải là một enzyme đơn lẻ mà là một cỗ máy sinh hóa khổng lồ, với nhiều thành phần khác nhau. Trong các ribosome được sử dụng bởi vi khuẩn Escherichia coli, chẳng hạn, có khoảng 55 protein và ba RNA ribosome.
Zhu bắt đầu tiến tới mục tiêu này vào năm 2019, và vào năm sau, nhóm của ông tại Đại học Thanh Hoa đã báo cáo rằng họ đã tổng hợp được các phiên bản đối xứng của ba protein ribosome quan trọng. Họ cũng sử dụng các polymerase của mình để tạo ra một phân tử RNA ribosome đối xứng và cho thấy rằng ba protein này có thể tự lắp ráp với RNA này thành phức hợp tìm thấy trong ribosome.
Giờ đây, Zhu cho biết ông và nhóm của mình tại Hàng Châu đã tạo ra gần như tất cả các thành phần phân tử của ribosome, mặc dù họ chưa công bố công trình này. Ông gần đến đâu? Ma quỷ nằm trong chi tiết, ông nói cẩn trọng, và có rất nhiều ma quỷ.
Nếu Zhu thành công trong việc tạo ra một ribosome đối xứng, điều đó có thể là một cú huých lớn cho các liệu pháp D-protein, vì khi đó các protein như vậy có thể được tạo ra chỉ bằng cách sản xuất DNA đối xứng tương ứng – một nhiệm vụ đơn giản hơn – và sao chép, dịch mã nó.
Hệ thống ribosome tổng hợp hoạt động để tạo ra các protein đối xứng sẽ là một minh chứng thực tế về sức mạnh của tổng hợp hóa học được áp dụng cho các phân tử enzyme protein, Kent nói. Nó sẽ cho thấy rằng chúng ta thực sự hiểu rõ các khía cạnh chính của cách protein được sinh tổng hợp.
Tuy nhiên, mục tiêu cuối cùng của Zhu không phải là thuốc mà là chính sự sống: tạo ra một protein dạng gương với tất cả những gì nó cần để sao chép và sử dụng bộ gen của nó để tạo ra các enzyme cần thiết để hoạt động và chuyển hóa. Điều đó có thể tạo nên dạng sống nhân tạo đầu tiên thực sự. Trời biết thứ như vậy sẽ được dùng vào mục đích gì, nhưng Kent cho rằng công trình này được thúc đẩy bởi sự tò mò – thứ mà ông gọi là khoa học tham vọng và xuất sắc – là lý do đủ để biện minh. Nghiên cứu tốt không cần phải được biện minh bằng ứng dụng thực tế, ông nói.
Liệu cuộc sống đối xứng có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm?
Một protocell tối thiểu có thể phiên mã và dịch mã bộ gen của nó thành các protein chức năng chỉ cần có các thành phần phân tử cơ bản được bao bọc trong một màng lipid. Một mục tiêu tham vọng hơn sẽ là tạo ra một vi khuẩn đối xứng hoàn chỉnh, với tất cả các axit nucleic, protein và đường bị đảo ngược. Nếu một sinh vật như vậy từng được tạo ra, nó sẽ trông và hành động không khác gì một vi khuẩn bình thường. Chỉ bằng cách phóng to vào từng phân tử riêng lẻ, sự khác biệt đối xứng mới sẽ trở nên rõ ràng.
Hiện tại, tất cả điều này vẫn chỉ là tưởng tượng. Zhu chỉ ra rằng chưa ai từng tạo ra một protocell tổng hợp có khả năng tự sao chép ngay cả khi sử dụng máy móc phân tử sinh học thông thường. Ông nghĩ rằng có lý khi chờ đợi cho đến khi điều đó được thực hiện trước khi thử làm điều đó với các phân tử đối xứng.
Cuộc sống đối xứng cũng có thể giúp khám phá một trong những bí ẩn lớn nhất xung quanh nguồn gốc sự sống trên Trái Đất, Zhu nói – đó là homochirality, hay lý do tại sao nó chỉ sử dụng D-nucleic acid và L-protein. Một số người nghĩ rằng sự lựa chọn này hoàn toàn ngẫu nhiên: có lẽ cả hai dạng đồng phân đều tồn tại trong số các thành phần xây dựng tiền sinh học, và một sự dao động ngẫu nhiên nào đó trong nồng độ của một loại đã được khuếch đại bởi các quá trình phản hồi và chiếm ưu thế. Những người khác tự hỏi liệu có thể có một thiên kiến chirality nhỏ nào đó được giới thiệu bởi các yếu tố cơ bản hơn, chẳng hạn như sự phá vỡ đối xứng trái-phải được gọi là vi phạm đối xứng, được biết là xảy ra trong các quá trình hạt nhân liên quan đến phân rã beta phóng xạ.
Việc có một hóa sinh đối xứng (mirror image biochemistry) có thể không trả lời câu hỏi về homochirality, nhưng nó có thể cung cấp một hướng mới để thăm dò: bằng cách đưa cả hai dạng đồng phân của các phân tử sinh học vào cùng một ống nghiệm và quan sát điều gì xảy ra, đặc biệt nếu các phân tử có thể đột biến và tiến hóa. Zhu nói rằng trong các dung dịch loãng, protein đối xứng và axit nucleic dường như không ảnh hưởng đến nhau. Nhưng nếu chúng tương tác trong điều kiện đậm đặc hơn, liệu chỉ có một chirality duy nhất xuất hiện từ hỗn loạn này?
Có một khả năng khác nữa. Liệu sự sống trên Trái Đất thực sự là homochiral, hay chúng ta chỉ chưa có các công cụ phù hợp để tìm kiếm phiên bản chirality còn lại?, Zhu hỏi. Điều gì sẽ xảy ra nếu có sự sống đối xứng tồn tại ở một số góc của môi trường tự nhiên mà chúng ta đã bỏ qua vì không có phương tiện để phát hiện nó? Có thể tồn tại một sinh quyển tối – một hệ sinh thái hoàn toàn của các dạng sống đối xứng chưa được phát hiện. Nếu vậy, một hệ thống PCR có thể khuếch đại DNA đảo ngược từ các sinh vật như vậy có thể giúp đưa chúng ra ánh sáng.
Khi đã tạo ra được một ribosome đối xứng hoạt động, Zhu nói rằng có lẽ ông sẽ để lại thách thức tạo ra cuộc sống đối xứng hoàn chỉnh cho người khác. Đến lúc đó, ông sẽ sẵn sàng chuyển sang các dự án khác. Hơn nữa, ông còn có một cách khác để khám phá những giấc mơ về sự sống thay thế. Những điều tôi có thể làm, tôi sẽ làm trong phòng thí nghiệm, ông nói. Những điều tôi chưa thể làm được, tôi sẽ viết chúng thành tiểu thuyết khoa học viễn tưởng.
