Các polyme di truyền RNA và DNA là trung tâm lưu trữ thông tin trong tất cả các hệ thống sinh học và do đó tạo thành cốt lõi của hầu hết các giả thuyết về nguồn gốc của sự sống. Điểm nổi bật nhất trong số các lý thuyết này là giả thuyết 'thế giới RNA', cho rằng RNA đã từng là chất mang thông tin trung tâm và là chất xúc tác cho các phản ứng sinh hóa trên Trái đất trước khi xuất hiện sự sống (1). Tuy nhiên, các nghiên cứu trong vài năm qua (ví dụ, tham khảo (2)) đã gợi ý rằng các hệ thống di truyền đầu tiên có thể dựa trên các phân tử axit nucleic có chứa cả nucleotide RNA và DNA, sau đó tự tách ra thành RNA ngày nay và DNA. Viết trong Nature , Xu et al . (3) cung cấp hỗ trợ thử nghiệm hấp dẫn cho một thế giới DNA RNA RNA hỗn hợp.
Các quá trình địa hóa nguyên thủy được cho là đã dẫn đến sự hình thành các khối xây dựng của axit nucleic - nucleotide và nucleoside (nucleotide thiếu một nhóm phosphate). Trong điều kiện thích hợp, các khối xây dựng này được trùng hợp và các chuỗi kết quả cuối cùng được sao chép, mà không cần sự trợ giúp từ các enzyme protein hiện đại.
Công nhân từ cùng một nhóm nghiên cứu như Xu et al . trước đây đã xác định được (4) mạng phản ứng được thúc đẩy bởi tia cực tím dẫn đến tổng hợp hai trong số các nucleoside tiêu chuẩn có trong RNA: uridine (U) và cytidine (C), được gọi chung là pyrimidine (Hình 1). Những phản ứng này bắt đầu từ hydro xyanua (HCN) và các dẫn xuất của chúng, các phân tử đơn giản được cho là đã có sẵn trên Trái đất sơ khai. Các nghiên cứu sâu hơn và phát triển mạng lưới phản ứng này đã làm tăng khả năng hấp dẫn rằng tiền chất protein và lipid có thể phát sinh đồng thời cùng với nucleoside (5) - do đó cung cấp ba trong số các loại phân tử chính cần thiết để tạo ra các tế bào. Tuy nhiên, một lộ trình bổ sung cho sự hình thành hai nucleoside RNA tiêu chuẩn khác (adenosine và guanosine, được gọi là purin) sử dụng cùng một hóa chất dựa trên HCN vẫn còn khó nắm bắt.
Trong công việc hiện tại, Xu et al . Các hợp chất được xem xét lại được sản xuất như các chất trung gian trong mạng phản ứng được thiết lập trước đó (4) tổng hợp U và C. Họ đã xác định một con đường trong đó một chất trung gian chính của tổng hợp pyrimidine-nucleoside, ribo-aminooxazoline (RAO; Hình 1), cũng có thể được chuyển đổi thành hai nucleoside DNA purine, deoxyadenosine (dA) và deoxyinosine (dI, không phải là một trong những nucleoside tiêu chuẩn được tìm thấy trong DNA hiện đại). Điều quan trọng là, các nucleoside DNA này có thể tạo thành cặp bazơ với U và C. Bốn nucleoside - U, C, dA và dI - do đó tạo thành một "bảng chữ cái" hoàn chỉnh có thể mã hóa thông tin di truyền trong axit nucleic trong thế giới DNA RNA tiền sinh học.
Điều quan trọng là sự tổng hợp của dA và dI có thể xảy ra song song với U và C, tạo ra hỗn hợp của bốn sản phẩm trong sản lượng và tỷ lệ phù hợp cho việc xây dựng một hệ thống di truyền. Sự tương thích lẫn nhau của hai con đường tổng hợp này làm tăng tính hợp lý của mạng phản ứng như là một hệ thống prebiotic - nếu hai tổng hợp không tương thích, thì các kịch bản địa chất sẽ cần phải được giải thích làm thế nào chúng có thể được tách ra thành các nhóm khác nhau để cho phép hóa học xảy ra, và sau đó kết hợp để cho phép hình thành các phân tử DNA RNA RNA lai. Đáng chú ý, trong các điều kiện phản ứng nhất định, U và C chỉ có thể tồn tại khi có các hợp chất thioanhydropurine hoạt động như tiền chất trực tiếp của dA và dI.
Nhiều phân tử hữu cơ có thể được sản xuất dưới dạng phiên bản thuận tay trái và tay phải, được gọi là enantiomers, là hình ảnh phản chiếu của nhau. Tuy nhiên, các nucleotide hiện đại và các khối xây dựng của chúng đều có dạng enantiomeric giống nhau. Một trong những khó khăn chính trong nghiên cứu về nguồn gốc của cuộc sống là giải thích làm thế nào các chất đồng hóa đơn có thể được tạo ra từ các phân tử tiền chất đơn giản không có bàn tay và có thể hình thành trên Trái đất tiền sinh học. Sự tổng hợp purine của Xu và đồng nghiệp rất hấp dẫn về mặt này, bởi vì nó có tính chọn lọc cao đối với các chất đồng hóa và các chất đồng phân khác của nucleoside được quan sát thấy trong sinh học hiện đại.
Các tuyến đường thay thế đã được báo cáo cho sự tổng hợp prebiotic kết hợp của nucleoside pyrimidine và purine và nucleotide (6,7). Những tuyến đường này đòi hỏi các loại đường tinh khiết về mặt hóa học và hóa học được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu, điều này đặt ra vấn đề mà các quá trình prebiotic khác, thường không biết, sẽ cần thiết để cung cấp các nguyên liệu ban đầu (8). Ngược lại, enantioselectivity được báo cáo bởi Xu et al . có nguồn gốc từ RAO, có thể kết tinh thành một đồng phân đơn từ các phản ứng trong đó các nguyên liệu ban đầu gần như là chủng (9) (nghĩa là các nguyên liệu ban đầu bao gồm một hỗn hợp gần như bằng nhau).
Sự tổng hợp nucleoside cũng có thể dẫn đến các sản phẩm trong đó cơ sở của nucleoside được gắn với đường sai hướng. Trong con đường tổng hợp của Xu và đồng nghiệp, việc giảm hóa chất do tia cực tím xảy ra dẫn đến sự phá hủy có chọn lọc các sản phẩm phụ không mong muốn này, cuối cùng chỉ tạo ra các chất đồng phân có liên quan về mặt sinh học của purin. Cho rằng Trái đất sơ khai bị chiếu xạ mạnh bởi tia cực tím, tính chọn lọc đáng chú ý của phản ứng này cho thấy một cơ chế khả dĩ trong đó tổng số các đồng phân axit nucleic tiềm năng đã bị giảm xuống thành tập hợp các đồng phân quan sát được trong tự nhiên ngày nay.
Công trình của Xu và các đồng nghiệp ủng hộ tầm nhìn về sự tiến hóa phân tử sớm phần nào được loại bỏ khỏi giả thuyết thế giới RNA 'tinh khiết' thông thường, và có lẽ đưa ra một lộ trình hợp lý hơn về nguồn gốc của sự sống từ các môi trường hóa học hỗn hợp và phức tạp. Do thiếu 'hóa thạch' và sự không chắc chắn về các điều kiện và hóa học chính xác xảy ra trên Trái đất sơ khai, không thể nói con đường hóa học nào thực sự diễn ra. Thay vào đó, chúng ta phải đảm bảo rằng các hệ thống được đề xuất tuân thủ chặt chẽ nhất có thể theo sự hiểu biết của chúng ta về những gì thực tế có thể xảy ra trên Trái đất tiền sinh học - không chỉ là hóa học, mà cả sự phức tạp chung của các mạng phản ứng và khả năng tương thích của chúng với các quá trình khác.
Trong nghiên cứu hiện tại, các tác giả cho thấy bốn nucleoside thực sự có thể được sản xuất thông qua các quá trình có thể dự kiến sẽ xảy ra trên Trái đất sớm (như thủy phân, sấy khô và chiếu xạ UV), và cung cấp các con đường tổng hợp hợp lý có thể cung cấp các phản ứng với các vật liệu bắt đầu cần thiết của họ. Tuy nhiên, như đối với tất cả các tổng hợp prebiotic, vẫn khó có thể hình dung được môi trường vi mô thực tế có thể hỗ trợ nhiều biến đổi hóa học cụ thể cần thiết để tạo ra các khối xây dựng về số lượng.
Tuy nhiên, công việc của Xu và các đồng nghiệp chứng minh một cách ấn tượng cách một bảng chữ cái di truyền hoàn chỉnh có thể phát sinh. Bất kể chúng ta nghĩ rằng sự sống phát triển từ RNA đơn thuần hay từ các hỗn hợp axit nucleic phức tạp hơn, suy nghĩ ở cấp độ hệ thống để tìm ra các con đường hóa học prebiotic tương thích lẫn nhau sẽ rất quan trọng để phát triển các mô hình thực sự hợp lý của giai đoạn đầu tiên của sự sống.
Nature 582 , 33-34 (2020)
References
1. Joyce, G. F. & Szostak, J. W. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 10, a034801 (2018).
2. Gavette, J. V., Stoop, M., Hud, N. V. & Krishnamurthy, R. Angew. Chem. Int. Edn 55, 13204–13209 (2016).
3. Xu, J. et al. Nature 582, 60–66 (2020).
4. Powner, M. W., Gerland, B. & Sutherland, J. D. Nature 459, 239–242 (2009).
5. Patel, B. H., Percivalle, C., Ritson, D. J., Duffy, C. D. & Sutherland, J. D. Nature Chem. 7, 301–307 (2015).
6. Teichert, J. S., Kruse, F. M. & Trapp, O. Angew. Chem. Int. Edn 58, 9944–9947 (2019).
7. Becker, S. et al. Science 366, 76–82 (2019).
8. Yadav, M., Kumar, R. & Krishnamurthy, R. Chem. Rev. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00546 (2020).
9. Hein, J. E., Tse, E. & Blackmond, D. G. Nature Chem. 3, 704–706 (2011).
