Xúc tác tự xúc tác của sự sống

Loạt bài thứ ba trong chuỗi ba phần về lịch sử nghiên cứu nguồn gốc của sự sống.

Phân tử RNA tự tái tạo – một mục tiêu đã được tìm kiếm hơn ba thập kỷ – là một ví dụ của cái gọi là phản ứng tự xúc tác.

Xúc tác tự xúc tác trong hóa học

Trong hóa học, một chất xúc tác là một phân tử giúp tăng tốc độ của một phản ứng mà không bị tiêu hao trong quá trình đó. Nhiều protein hoạt động như chất xúc tác. Ví dụ, một số phản ứng hóa học cần thiết để tạo ra và duy trì một sinh vật sống có thể mất hàng ngàn năm để hoàn thành nếu để tự nhiên. Nhưng với sự hiện diện của protein thích hợp làm chất xúc tác, các phản ứng này có thể xảy ra chỉ trong vài phút, hoặc thậm chí nhanh hơn.

Sau khi phát hiện rằng một số phân tử RNA cũng có thể hoạt động như chất xúc tác giống như protein, người ta đã đề xuất rằng sự sống bắt đầu từ RNA tự tái tạo – tức là một phân tử RNA xúc tác quá trình hình thành chính nó (do đó gọi là tự xúc tác). Điều này đã dẫn đến giả thuyết về thế giới RNA, như đã được mô tả trong phần trước của loạt bài này.

Khám phá của Stuart Kauffman và phản ứng tự xúc tác

Có nhiều ví dụ về các phản ứng tự xúc tác trong hóa học. Tuy nhiên, vào đầu những năm 1970, một nhà khoa học trẻ người Mỹ tên là Stuart Kauffman đã đưa ra giả thuyết rằng có lẽ sự sống không bắt đầu từ các phân tử tự sao chép đơn lẻ. Trong một bài viết năm 1971 đăng trên tạp chí Cybernetics, Kauffman khẳng định:

Sao chép là một thuộc tính của một hệ thống động học phức tạp, chứ không phải của một phân tử đơn lẻ. Về cơ bản, tự sao chép là một quá trình tự xúc tác trong đó một tập hợp các phân tử xúc tác quá trình hình thành của một tập hợp thứ hai gần như giống hệt. Không có phân tử nào cần phải xúc tác cho chính quá trình hình thành của nó.

Thay vì có một phân tử duy nhất xúc tác quá trình sao chép của chính nó, Kauffman lập luận rằng nên có một tập hợp các phân tử xúc tác sự hình thành của nhau. Ông gọi tập hợp các phân tử xúc tác lẫn nhau này là một tập hợp tự xúc tác.

Điều thú vị là, cùng năm đó, nhà khoa học đoạt giải Nobel Manfred Eigen đã xuất bản một bài báo mà trong đó ông đưa ra một ý tưởng gần như giống hệt như vậy – nhưng sau đó nhanh chóng bác bỏ nó. Ông không bác bỏ vì cho rằng không thể có một tập hợp như vậy xuất hiện từ hóa học tiền sinh học, mà vì ông lập luận rằng tập hợp này sẽ không có khả năng tiến hóa và trở nên phức tạp hơn. Nói cách khác, dù cho tập hợp này có xuất hiện, nó cũng sẽ không thể dẫn đến các hệ thống sống và tiến hóa thực sự.

Kauffman không quay lại với ý tưởng ban đầu của mình cho đến năm 1986, 15 năm sau, khi ông xuất bản một bài viết chi tiết hơn trên tạp chí Theoretical Biology. Trong bài viết này, ông giới thiệu một mô hình toán học cụ thể về mạng lưới phản ứng hóa học. Sử dụng một kết quả lý thuyết nổi tiếng của các nhà toán học người Hungary Erdős và Rényi, Kauffman lập luận rằng sự xuất hiện của các tập hợp tự xúc tác trong mô hình của ông là không thể tránh khỏi, miễn là có đủ đa dạng các loại phân tử.

Thử nghiệm máy tính về tập hợp tự xúc tác

Khẳng định này được xác minh trong cùng năm đó với các mô phỏng trên máy tính do các nhà vật lý Doyne Farmer và Norman Packard thực hiện. Trong bài viết chung về các kết quả này, Farmer, Kauffman, và Packard đã bao gồm một sơ đồ minh họa một tập hợp tự xúc tác được sinh ra từ mô hình của họ.

Trong những năm sau đó, các kết quả tương tự được nhiều nhà nghiên cứu độc lập khác đạt được, khi họ sử dụng các mô hình tương tự về mạng lưới phản ứng hóa học. Tất cả các mô hình này cho thấy rằng các tập hợp tự xúc tác thực sự hình thành khá dễ dàng – mà không cần đến mức độ xúc tác quá cao. Ví dụ, trong mô hình ban đầu của Kauffman, mỗi phân tử chỉ cần xúc tác cho không quá hai phản ứng, trung bình, để có xác suất cao cho sự tồn tại của các tập hợp tự xúc tác. Như đã biết từ hóa học thực tế, có rất nhiều phân tử có thể xúc tác cho nhiều hơn một phản ứng.

Tiến hóa tự xúc tác

Một điều nữa cũng được chứng minh từ một số mô hình và mô phỏng này là các tập hợp tự xúc tác thực sự có khả năng tiến hóa và trở nên phức tạp hơn, mặc cho sự chỉ trích ban đầu của Eigen. Điều này đã được chứng minh rõ ràng bởi một nhóm các nhà nghiên cứu do nhà sinh học tiến hóa Eörs Szathmáry dẫn đầu, cùng với sự tham gia của Kauffman. Cũng trong lĩnh vực này, các kết quả tương tự sau đó được nhiều nhà nghiên cứu khác đạt được.

Tất cả các kết quả này đều dựa trên các mô hình toán học và mô phỏng máy tính về mạng lưới phản ứng hóa học. Tuy nhiên, các tập hợp tự xúc tác cũng đã được tạo ra một cách thực nghiệm, với các phân tử thực tế. Ví dụ đầu tiên được tạo ra vào năm 1994, trong phòng thí nghiệm của Günter von Kiedrowski ở Đức. Kauffman và von Kiedrowski đã chia sẻ một chai champagne để ăn mừng thành tựu này.

Tập hợp tự xúc tác trong phòng thí nghiệm

Gần đây hơn, các tập hợp tự xúc tác với tối đa 16 phân tử RNA xúc tác – gọi là ribozyme – đã được tạo ra một cách thực nghiệm. Thêm vào đó, một tập hợp tự xúc tác gồm chín protein ngắn (hoặc peptide) được tạo ra dựa trên các tính toán lý thuyết chính xác.

Những ví dụ thực nghiệm này, mặc dù là bằng chứng quan trọng về nguyên lý, đều được thiết kế và tạo ra một cách cẩn thận trong các môi trường phòng thí nghiệm kiểm soát. Tuy nhiên, người ta cũng đã chứng minh rằng các mạng lưới trao đổi chất của các sinh vật sống thực sự chứa các tập hợp tự xúc tác. Mạng lưới trao đổi chất là tập hợp các phản ứng hóa học diễn ra trong một sinh vật để biến thức ăn và năng lượng bên ngoài thành các khối xây dựng cơ bản (chẳng hạn như nucleotide, axit amin và lipid) tạo thành các phân tử cần thiết cho sự phát triển, duy trì và sinh sản.

Mạng lưới trao đổi chất của vi khuẩn Escherichia Coli

Mạng lưới trao đổi chất của vi khuẩn Escherichia coli (hoặc E. coli) là một trong những mạng lưới được nghiên cứu nhiều nhất trong số các sinh vật. E. coli là một loại vi khuẩn sống trong ruột của con người, giúp sản xuất vitamin K và hỗ trợ chống lại các vi khuẩn có hại khác. Năm 2015, các nhà sinh học phân tử Filipa Sousa và Bill Martin đã chứng minh rằng mạng lưới trao đổi chất của E. coli chứa một tập hợp tự xúc tác lớn.

Rất gần đây, Joana Xavier và Martin đã chứng minh rằng các mạng lưới trao đổi chất của các vi sinh vật nguyên thủy cũng chứa các tập hợp tự xúc tác. Những vi sinh vật đặc biệt này sống dựa trên nguồn carbon và năng lượng đơn giản nhất được biết đến, và được cho là tương tự với một số dạng sống sớm nhất, ngay sau khi sự sống bắt đầu.

Một kịch bản hoàn toàn khác

Điều đáng chú ý nhất về các tập hợp tự xúc tác trong các mạng lưới trao đổi chất này là chúng không cần protein hay RNA làm chất xúc tác. Thay vào đó, chúng sử dụng các nguyên tố tự nhiên như kim loại (sắt, kẽm, magiê…) hoặc các phân tử nhỏ khác do chính mạng lưới tạo ra. Tuy nhiên, các tập hợp tự xúc tác nguyên thủy này thực tế tạo ra một số nucleotide và axit amin – những khối xây dựng cơ bản cho RNA và protein. Điều thú vị là các tập hợp tự xúc tác của vi sinh vật này cũng tương thích với hóa học của miệng phun thủy nhiệt.

Kết luận

Bộ sưu tập lớn các kết quả lý thuyết và thực nghiệm về các tập hợp tự xúc tác này đang gợi ý một kịch bản rất khác cho khả năng nguồn gốc của sự sống, khác với giả thuyết thế giới RNA. Thay vì sự sống bắt đầu từ các phân tử RNA tự sao chép đơn lẻ (mà vẫn chưa có bằng chứng thực nghiệm), có thể nó bắt đầu từ các tập hợp tự xúc tác đơn giản, dễ dàng hình thành và ban đầu sử dụng kim loại và các phân tử tự sản sinh nhỏ làm chất xúc tác.

Tuy nhiên, các tập hợp tự xúc tác ban đầu này đã có thể tạo ra các khối xây dựng cơ bản cho RNA và protein. Khi các phân tử lớn hơn này xuất hiện, chúng có thể bắt đầu đảm nhiệm vai trò của các chất xúc tác ban đầu, vì các phân tử lớn này hiệu quả hơn. Điều này, đến lượt nó, sẽ cho phép hình thành các phân tử khác, tạo thành một vòng xoáy tăng dần về độ phức tạp và đa dạng, cho đến các mạng lưới trao đổi chất thực sự đầu tiên.

Sau gần 50 năm, ý tưởng ban đầu về các tập hợp tự xúc tác đã tiến một chặng đường dài. Kauffman sẽ kỷ niệm sinh nhật lần thứ 80 của mình trong năm nay – và ông vẫn đang tích cực tham gia vào nghiên cứu về nguồn gốc của sự sống. Một phần công việc này có thể được theo dõi thông qua website của CLUB COOLscience (mà Kauffman là một thành viên).

Với nỗ lực chung của nhiều nhà khoa học có chuyên môn khác nhau, vấn đề lâu đời về việc làm thế nào, ở đâu và khi nào sự sống bắt đầu chắc chắn sẽ được giải quyết cuối cùng.

Và cùng với đó, chúng ta cũng sẽ hiểu rõ hơn về sự sống là gì, khả năng nó xuất hiện (hoặc vẫn có thể xuất hiện) ở nơi khác như thế nào, và liệu chúng ta có thể mong đợi nó giống hệt hoặc rất khác với sự sống trên Trái đất.

Điều này chắc chắn sẽ mang lại một cái nhìn sâu sắc hơn về vị trí của chúng ta trong vũ trụ, và giữa bất kỳ dạng sống nào có thể tồn tại ngoài kia.