DNA giữ mã di truyền, nhưng những gì đọc nó? Tác giả 'Máy gen' giải thích

Cốt lõi như DNA đối với chính chúng ta, chuỗi xoắn kép nổi tiếng là cốt lõi của nghiên cứu sinh học trên toàn thế giới. Nhưng những phân tử cơ bản này không thể hoạt động một mình. DNA lưu trữ mã nguồn và dữ liệu để xây dựng cơ thể của chúng ta, và khám phá của nó đã mở ra vô số chủ đề nghiên cứu mới, bao gồm cả câu hỏi, máy nào đọc mã của chúng ta?

Nhà sinh vật học từng đoạt giải Nobel Venki Ramakrishnan làm sáng tỏ hành trình theo đuổi câu trả lời trong Máy gen: Cuộc đua giải mã bí mật của Ribosome. Ông đưa ra hành trình đầy tham vọng của mình khi đối mặt với sự không chắc chắn, giải thích không chỉ khoa học với sự rõ ràng sáng suốt, mà còn đưa ra quan điểm về chính trị phức tạp xung quanh việc theo đuổi tri thức với sự khiêm tốn.

Dưới đây là một đoạn trích từ Máy gen, được xuất bản trong tuần này bởi Sách cơ bản.

Nổi lên từ sương mù nguyên thủy

Cuộc sống bắt đầu như thế nào là một trong những bí ẩn lớn còn lại của sinh học. Tất cả sự sống đòi hỏi một số dạng năng lượng trong môi trường hóa học phù hợp. Một số người đã chỉ ra rằng rất nhiều hóa học mà cuộc sống sử dụng giống như loại hóa học xảy ra ở rìa của các lỗ thông địa nhiệt trong đại dương. Ngay cả khi đây chỉ là một sự trùng hợp ngẫu nhiên như những người khác đã tranh luận, thì vẫn hữu ích khi nghĩ về những điều kiện khiến cuộc sống có thể xuất hiện. Nhưng về cơ bản, cuộc sống không chỉ là một tập hợp các phản ứng hóa học; đó là khả năng lưu trữ và tái tạo thông tin di truyền theo cách cho phép các dạng sống phức tạp phát triển từ những thứ rất nguyên thủy. Theo tiêu chí này, không có câu hỏi rằng ngay cả virus vẫn còn sống, mặc dù mọi người thường đặt câu hỏi vì họ cần một tế bào chủ để sinh sản. Tuy nhiên, bất cứ ai bị bệnh do vi-rút và trải nghiệm cơ thể của mình chống lại nhiễm trùng sẽ không nghi ngờ rằng vi-rút còn sống.

Vấn đề là trong gần như tất cả các dạng của sự sống, DNA mang thông tin di truyền, nhưng bản thân DNA đã trơ và được tạo ra bởi một số lượng lớn enzyme protein, không chỉ cần RNA mà cả ribosome để tạo ra các enzyme đó. Hơn nữa, đường trong DNA, deoxyribose, được tạo ra từ ribose bởi một loại protein phức tạp lớn. Không ai có thể hiểu làm thế nào toàn bộ hệ thống có thể đã bắt đầu. Các nhà khoa học đang suy nghĩ về cách cuộc sống bắt đầu, như Crick, Leslie Orgel tại Viện Salk ở La Jolla và Carl Woese tại Đại học Illinois, cho rằng có lẽ cuộc sống bắt đầu với RNA. Vào thời điểm đó, đây chỉ là suy đoán thuần túy - gần như khoa học viễn tưởng - bởi vì RNA không được biết là có khả năng thực hiện các phản ứng hóa học.

Phát hiện của Cech và Altman đã thay đổi tất cả. RNA bây giờ là một phân tử có thể mang thông tin như một chuỗi các bazơ, giống như DNA và cũng có thể thực hiện các phản ứng hóa học như protein. Bây giờ chúng ta biết rằng các khối xây dựng của RNA có thể được tạo ra từ các hóa chất đơn giản có thể tồn tại trên trái đất hàng tỷ năm trước. Vì vậy, có thể tưởng tượng cuộc sống có thể đã bắt đầu như thế nào với rất nhiều phân tử RNA được tạo ngẫu nhiên cho đến khi một số trong chúng có thể tự sinh sản. Một khi điều này xảy ra, quá trình tiến hóa và chọn lọc tự nhiên có thể cho phép ngày càng có nhiều phân tử phức tạp hơn, cuối cùng thậm chí có thứ gì đó phức tạp như một ribosome nguyên thủy. Ý tưởng về một thế giới RNA nguyên thủy, một thuật ngữ đầu tiên được đặt ra bởi Wally Gilbert, đã được chấp nhận rộng rãi.

Ribosome có thể đã bắt đầu trong một thế giới thống trị RNA nhưng vì nó tạo ra protein, nó đã trở thành một con ngựa thành Troia. Protein hóa ra lại tốt hơn nhiều trong việc thực hiện hầu hết các loại phản ứng so với RNA vì các axit amin của chúng có khả năng hóa học đa dạng hơn so với phân tử RNA đơn giản hơn. Điều này có nghĩa là khi protein được tạo ra, chúng dần dần phát triển để chiếm hầu hết các chức năng của các phân tử RNA vào thời điểm đó và nhiều hơn nữa. Khi làm như vậy, họ đã biến đổi cuộc sống như chúng ta biết. Điều này cũng có thể giải thích tại sao mặc dù ribosome có rất nhiều RNA, các enzyme sao chép DNA hoặc sao chép nó thành RNA hiện được làm hoàn toàn bằng protein. Điều này có lẽ là do việc sử dụng DNA để lưu trữ gen đến sau; vào thời điểm đó, protein đã trở nên phổ biến và đang thực hiện hầu hết các phản ứng trong tế bào.

Tất nhiên, điều này không giải thích cách các gen mang mã để tạo ra protein. Dự đoán tốt nhất là một dạng ribosome ban đầu chỉ tạo ra các chuỗi peptide ngẫu nhiên ngắn, giúp cải thiện các enzyme RNA có ở đó. Nhưng từ đó, làm thế nào các gen có nguồn gốc thực hiện các hướng dẫn để tạo ra các protein có các axit amin nối với nhau theo một thứ tự rất cụ thể là một bước nhảy vọt và vẫn là một trong những bí ẩn lớn của cuộc sống. Và điều đó có nghĩa là ngoài tiểu đơn vị lớn, nhiều yếu tố khác sẽ phải tồn tại: mRNA để mang mã di truyền, tRNA để mang axit amin và tiểu đơn vị nhỏ để cung cấp nền tảng cho mRNA và tRNA để liên kết. Nhưng trước khi phát hiện ra xúc tác RNA, mọi người không thể thấy cách hệ thống có thể bắt đầu ngay cả về nguyên tắc.

Trích từ Máy gen: Cuộc đua giải mã bí mật về Ribosome của Venki Ramakrishnan. Bản quyền © 2018. Xuất bản bởi Sách cơ bản