RNA nhỏ bé, dài 45 base, có khả năng tự sao chép.

Tác giả dangkhoa 25/02/2026 22 phút đọc

RNA nhỏ bé, dài 45 base, có khả năng tự sao chép.

Các RNA tự sao chép có thể là một bước quan trọng trên con đường dẫn đến sự sống.

Bằng cách bắt cặp bazơ với chính nó, RNA có thể tạo thành các cấu trúc phức tạp có hoạt tính enzym. (Nguồn ảnh: Laguna Design)

Có rất nhiều câu hỏi chưa được giải đáp về nguồn gốc sự sống trên Trái đất. Nhưng cộng đồng nghiên cứu phần lớn đã đạt được sự đồng thuận rằng một trong những bước quan trọng là sự xuất hiện của phân tử RNA có khả năng tự sao chép. RNA, giống như người họ hàng nổi tiếng hơn của nó là DNA, có thể mang thông tin di truyền. Nhưng nó cũng có thể gấp lại thành các cấu trúc ba chiều hoạt động như chất xúc tác. Hai đặc điểm này đã dẫn đến giả thuyết rằng sự sống sơ khai không có protein, với RNA đảm nhiệm cả việc truyền gen và xúc tác cho một quá trình trao đổi chất đơn giản.

Để điều này hoạt động, một trong những phản ứng mà các RNA sơ khai cần xúc tác là sao chép các phân tử RNA, nếu không thì bất kỳ hình thức di truyền nào cũng sẽ không thể xảy ra. Mặc dù chúng ta đã tìm thấy một số RNA xúc tác có thể sao chép các phân tử khác, nhưng chưa có RNA nào có thể thực hiện một phản ứng quan trọng: tự sao chép chính nó. Tuy nhiên, giờ đây, một nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một đoạn RNA cực ngắn—chỉ dài 45 bazơ—có thể tự sao chép chính nó.

Tìm kiếm RNA polymerase

Chúng tôi đã xác định được một số lượng lớn các RNA xúc tác (thường được gọi là ribozyme, viết tắt của enzyme dựa trên RNA), và một số trong số chúng có thể xúc tác các phản ứng liên quan đến các RNA khác. Một số ít trong số này là ligase, có chức năng liên kết hai phân tử RNA với nhau. Trong một số trường hợp, chúng cần các phân tử này được giữ lại với nhau bởi một phân tử RNA thứ ba có khả năng bắt cặp bazơ với cả hai. Chúng tôi chỉ xác định được một vài loại có thể hoạt động như polymerase, có chức năng thêm các bazơ RNA vào một phân tử đang phát triển, từng bazơ một, và mỗi bazơ mới được thêm vào sẽ bắt cặp bazơ với một phân tử khuôn mẫu.

Hình ảnh đen trắng thể hiện 3 hoạt động enzym khác nhau. Một enzym liên kết bất kỳ hai chuỗi axit nucleic nào, enzym khác chỉ liên kết các chuỗi đã ghép cặp bazơ, và enzym thứ ba liên kết từng bazơ một.

Rõ ràng, có một số chức năng chồng chéo giữa chúng, vì bạn có thể hình dung polymerase như một enzyme nối từng bazơ một. Và trên thực tế, ở cấp độ ribozyme, cũng có một số sự chồng chéo trong thực tế, vì một số ribozyme ban đầu được xác định là ligase đã được chuyển đổi thành polymerase bằng cách chọn lọc chức năng mới này.

Mặc dù điều này rất thú vị, nhưng vẫn có một vài vấn đề với những ví dụ đã biết về ribozyme polymerase. Một trong số đó là chúng rất dài. Trên thực tế, chúng dài đến mức vượt quá chiều dài của loại phân tử mà chúng ta đã quan sát thấy hình thành một cách tự phát từ hỗn hợp các bazơ RNA riêng lẻ. Chiều dài này cũng có nghĩa là chúng hầu như không có khả năng tự sao chép – các phản ứng diễn ra chậm và kém hiệu quả đến mức chúng đơn giản là dừng lại trước khi sao chép toàn bộ phân tử.

Một yếu tố khác liên quan đến chiều dài của chúng là chúng có xu hướng tạo thành các cấu trúc rất phức tạp, với nhiều vùng khác nhau của phân tử liên kết với nhau bằng cặp bazơ. Điều đó khiến cho rất ít phân tử tồn tại ở dạng mạch đơn, vốn cần thiết để tạo ra bản sao.

Dựa trên những thành công trong quá khứ, một nhóm nghiên cứu Pháp-Anh đã quyết định bắt đầu tìm kiếm polymerase bằng cách tìm kiếm ligase. Và họ đã giới hạn phạm vi tìm kiếm theo một cách quan trọng: Họ chỉ thử nghiệm các phân tử ngắn. Họ bắt đầu với các nhóm phân tử RNA, mỗi nhóm có một trình tự ngẫu nhiên khác nhau, từ 40 đến 80 bazơ. Nhìn chung, họ ước tính rằng họ đã tạo ra được một quần thể gồm 10¹³ ^phân tử từ tổng số ^10²⁴ trình tự có thể có thuộc loại này.

Các phân tử ngẫu nhiên này được cho ăn một tập hợp các RNA dài ba base, mỗi RNA được liên kết với một thẻ hóa học. Ý tưởng là nếu một phân tử có khả năng liên kết một trong những đoạn RNA ngắn này với chính nó, thì nó có thể được tách ra bằng cách sử dụng thẻ. Sau đó, hỗn hợp được đặt trong hỗn hợp nước muối và đá, vì điều này có thể thúc đẩy các phản ứng liên quan đến RNA.

Sau 11 vòng phản ứng và tinh chế dựa trên thẻ, các nhà nghiên cứu đã thu được ba phân tử RNA khác nhau, mỗi phân tử có thể nối các RNA dài ba base với các phân tử hiện có. Mỗi phân tử này đều được trải qua quá trình đột biến và chọn lọc thêm. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu thu được một phân tử duy nhất dài 51 base, có thể thêm các cụm ba base vào một chuỗi RNA đang phát triển, tùy thuộc vào khả năng bắt cặp base của chúng với khuôn mẫu RNA. Họ gọi phân tử này là “polymerase QT-51”, với QT viết tắt của “quite tiny” (khá nhỏ). Sau đó, họ phát hiện ra rằng họ có thể rút ngắn nó thành QT-45 mà không làm mất đi hoạt tính enzyme đáng kể.

Kiểm tra chức năng của nó

Việc phân tích đặc tính cơ bản của QT-45 cho thấy nó sở hữu một số đặc tính rất ấn tượng đối với một phân tử mà theo tiêu chuẩn axit nucleic thì thực sự khá nhỏ. Mặc dù được chọn để liên kết các chuỗi phân tử dài ba bazơ, nó cũng có thể liên kết các RNA dài hơn, hoạt động trên các phân tử ngắn hơn gồm hai bazơ, hoặc thậm chí thêm từng bazơ một, mặc dù hiệu quả kém hơn. Mặc dù hoạt động chậm, thời gian bán hủy hoạt động của phân tử này lên đến hơn 100 ngày, vì vậy nó có đủ thời gian để hoàn thành công việc trước khi bị phân hủy.

Nó cũng không cần tương tác với bất kỳ trình tự RNA cụ thể nào để hoạt động, cho thấy nó có ái lực chung với các phân tử RNA. Do đó, nó không quá kén chọn về các trình tự mà nó có thể sao chép.

Như bạn có thể dự đoán từ một phân tử nhỏ như vậy, QT-45 không chịu đựng tốt những thay đổi trong trình tự của chính nó—gần như toàn bộ phân tử đều quan trọng theo cách này hay cách khác. Các thử nghiệm liên quan đến việc thay đổi từng bazơ riêng lẻ một cho thấy hầu hết các thay đổi đều làm giảm hoạt tính của ribozyme. Tuy nhiên, có một số ít thay đổi lại cải thiện hoạt tính, cho thấy rằng việc chọn lọc thêm có thể mang lại những cải tiến hơn nữa. Và tác động của các đột biến gần trung tâm trình tự nghiêm trọng hơn nhiều, cho thấy vùng đó rất quan trọng đối với hoạt tính enzym của QT-45.

Sau đó, nhóm nghiên cứu bắt đầu thử nghiệm khả năng tổng hợp các bản sao của các phân tử RNA khác khi được cung cấp hỗn hợp tất cả các chuỗi ba bazơ có thể có. Một trong những thử nghiệm bao gồm một đoạn dài trong đó một đầu của chuỗi bắt cặp bazơ với đầu kia. Để sao chép đoạn đó, các cặp bazơ này cần phải được tách ra bằng cách nào đó. Nhưng QT-45 đã có thể tạo ra một bản sao, nghĩa là nó đã tổng hợp một chuỗi có khả năng bắt cặp bazơ với chuỗi gốc.

Nó cũng có khả năng tạo ra bản sao của một chuỗi khuôn mẫu có thể bắt cặp với một ribozyme nhỏ. Quá trình sao chép đó tạo ra một ribozyme hoạt động.

Nhưng phát hiện quan trọng nhất là nó có thể tổng hợp một chuỗi liên kết cặp bazơ với chính nó, và sau đó tự tổng hợp chính nó bằng cách sao chép chuỗi đó. Quá trình này cực kỳ kém hiệu quả và mất hàng tháng trời, nhưng nó đã xảy ra.

Trong suốt các thí nghiệm này, độ chính xác trung bình đạt khoảng 95%, có nghĩa là khi tự sao chép, nó sẽ mắc trung bình từ hai đến ba lỗi. Mặc dù điều này có nghĩa là một số lượng đáng kể các bản sao của nó sẽ không hoạt động được, nhưng nó cũng có nghĩa là các nguyên liệu thô cho quá trình chọn lọc tiến hóa nhằm cải thiện chức năng—các đột biến ngẫu nhiên—sẽ có mặt.

Điều này có nghĩa là gì

Điều đáng để xem xét là việc enzyme này sử dụng các đoạn RNA ba bazơ. Thoạt nhìn, điều này có vẻ hơi giống như gian lận, vì các polymerase RNA hiện nay thêm chuỗi từng bazơ một. Nhưng trên thực tế, bất kỳ môi trường hóa học nào có thể tự lắp ráp một phân tử RNA dài 45 bazơ đều sẽ tạo ra nhiều đoạn ngắn hơn thế. Vì vậy, theo nhiều cách, đây có thể là một mô hình thực tế hơn về các điều kiện mà sự sống đã xuất hiện.

Các tác giả lưu ý rằng những đoạn ngắn hơn này có thể rất cần thiết cho hoạt động của QT-45. Ribozyme ngắn có lẽ không có khả năng tách các chuỗi RNA bắt cặp bazơ để sao chép chúng. Nhưng trong hỗn hợp nhiều đoạn nhỏ, có thể có trạng thái cân bằng, với một số chuỗi bắt cặp bazơ tự động tách ra và tạm thời bắt cặp bazơ với một đoạn ngắn hơn. Việc làm việc với các đoạn bắt cặp bazơ này có lẽ rất cần thiết cho hoạt động tổng thể của ribozyme.

Hiện tại, QT-45 chưa phải là một enzyme ấn tượng. Nhưng các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng nó mới chỉ trải qua 18 vòng chọn lọc, con số này không nhiều. Các polymerase ribozyme hiệu quả nhất mà chúng ta có hiện nay đã được nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu trong nhiều năm. Tôi kỳ vọng QT-45 sẽ nhận được sự quan tâm tương tự và cải thiện đáng kể theo thời gian.

Điều đáng chú ý nữa là nhóm nghiên cứu đã tìm ra ba loại ligase khác nhau trong một thử nghiệm chỉ trên một tập hợp con nhỏ của tổng số RNA có kích thước như vậy. Nếu tần suất đó được duy trì, thì có khoảng 10¹¹ ^ribozyme ligase trong số các trình tự có kích thước này. Điều này làm dấy lên khả năng chúng ta có thể tìm thấy nhiều hơn nữa nếu thực hiện một cuộc tìm kiếm toàn diện. Điều đó cho thấy RNA tự sao chép đầu tiên có thể không phải là điều bất khả thi như thoạt nhìn.