Nhìn nhận tế bào đầu tiên trên trái đất theo quan điểm mới

Một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Harvard mới đây vừa tạo dựng mô hình một tế bào nguyên thủy, hay còn gọi là tiền tế bào, trong phòng thí nghiệm có khả năng sinh trưởng, sao chép và chứa ADN.

Do không hề có nguồn ghi chép nào về hình dạng của tế bào đầu tiên trên trái đất, cũng như cách thức sinh trưởng và phân chia của nó, do đó dự án tiền tế bào của nhóm nghiên cứu mang lại một phương pháp hữu ích nhằm tìm hiểu mối quan hệ tương tác giữa những tế bào đầu tiên với môi trường sống vào khoảng 3,5 tỉ năm về trước.

Màng axit béo của tiền tế bào cho phép các hợp chất hóa học, trong đó bao gồm khối kiến tạo ADN, đi vào bên trong mà không cần có sự hỗ trợ của các ống và bơm protein giống như màng tế bào bậc cao ngày nay. Khác với tế bào hiện đại, tiền tế bào không sử dụng enzim để xúc tác cho quá trình sao chép ADN.

Nhóm nghiên cứu do Jack W. Szostak thuộc đại học Y Harvard đã công bố trực tuyến những kết quả nghiên cứu đầu tiên của họ vào ngày 4 tháng 6 năm 2008 trên tờ Nature. Luis Echegoyen – giám đốc khoa hóa NSF - cho biết: “Nhóm nghiên cứu của Szostak đã áp dụng một phương pháp sáng tạo trong nghiên cứu, đồng thời đóng góp đáng kể cho hiểu biết của chúng ta về quá trình vận chuyển phân tử kích cỡ nhỏ qua màng tế bào”.

Trong ảnh là hình 3 chiều một mẫu tiền tế bào có đường kính khoảng 100 nanomet. Lớp màng axit béo của tiền tế bào cho phép chất dinh dưỡng cũng như các khối kiến tạo ADN đi qua, tham gia vào quá trình sao chép ADN không cần có enzim xúc tác. Mạch ADN mới tạo thành được duy trì trong tế bào nguyên thủy. (Ảnh: Janet Iwasa, phòng thí nghiệm Szostak, đại học Y Harvard và Bệnh viện đa khoa Massachusetts)

Một số nhà khoa học cho rằng các lỗ thông thủy nhiệt trên tế bào cổ đại có thể chính là nơi phân tử prebiotic (phân tử được tạo ra trước khi sự sống hình thành) như axit béo hay amino axit được tạo thành.

Khi các phân tử axit béo tồn tại trong môi trường nước, chúng tự phát sắp xếp sao cho các “đầu” ưa nước tương tác với phân tử nước xung quanh nhằm che chắn “đuôi” kị nước, từ đó hình thành nên khối cầu axit béo kích cỡ nhỏ được gọi là Mixen.

Tuy nhiên tùy thuộc vào nồng độ chất hóa học và độ pH của môi trường, mixen có thể chuyển hóa thành màng nhiều lớp hoặc túi khép kín (vesicle). Các nhà nghiên cứu thường sử dụng túi khép kín để mô hình hóa màng tế bào của tế bào tiền thân.

Khi nhóm bắt đầu tiến hành nghiên cứu, họ không chắc chắn liệu khối kiến tạo cần thiết cho quá trình sao chép vật liệu di truyền của tiền tế bào có thể đi qua lớp màng hay không. Szostak cho biết: “Bằng việc chứng minh điều đó hoàn toàn có thể xảy ra và thực tế là rất hiệu quả, chúng tôi đã tiến gần hơn một chút tới mục tiêu chế tạo tiền tế bào trong môi trường phù hợp có khả năng sinh trưởng và tự phân chia”.

Tiến sĩ Jack Szostak thuộc khoa Sinh học phân tử MGH và Trung tâm Sinh học hợp nhất và điện toán đồng thời là tác giả chính viết báo cáo nghiên cứu nói rằng: “Chúng tôi phát hiện thấy màng tế bào tạo thành từ axit béo cùng các phân tử liên quan có đặc tính rất khác với thành phần màng tế bào hiện đại. Màng tế bào hiện đại có hệ thống ống và bơm chuyên biệt hay các lỗ kiểm soát mọi chất ra vào. Tế bào nguyên thủy có thể hấp thu chất dinh dưỡng từ môi trường chứ không sản xuất nguyên liệu cần thiết bên trong tế bào. Đây là bằng chứng chứng minh cho một trong hai giả thuyết đối lập về đặc tính cơ bản của tiền tế bào”.

Nhóm nghiên cứu của Szostak tiến hành phân tích kỹ lưỡng vesicle cấu thành từ nhiều phân tử axit béo khác nhau mang những đặc điểm cụ thể khiến màng tế bào có đặc tính thẩm thấu đối với phân tử chất dinh dưỡng cần thiết. Trong khi loại phân tử lớn như mạch ADN hoặc ARN không thể đi qua màng axit béo, phân tử đường đơn cũng như các nucleotit riêng lẻ có thể kết hợp để tạo phân tử axit nucleic lớn lại dễ dàng xuyên qua màng tế bào.

Nhằm khám phá sâu hơn chức năng màng axit béo của tế bào, các nhà nghiên cứu sử dụng nucleotit họat hóa cho mục đích nghiên cứu để sao chép mạch ADN mẫu mà không cần enzim xúc tác polimeraza thường xuất hiện trong quá trình nhân đôi của ADN. Sau khi đặt phân tử mẫu vào vesicle axit béo rồi đưa nucleotit hoạt hóa vào môi trường ngoài, thêm một mạch ADN được hình thành bên trong vesicle. Điều đó khẳng định phân tử nucleotit đã xuyên qua lớp màng axit béo.

Các đồng tác giả của bài viết trên tờ Nature bao gồm Sheref S. Mansy, Jason P. Schrum, Mathangi Krishnamurthy, Sylvia Tobe và Douglas A. Treco (Phòng thí nghiệm Szostak). Nghiên cứu được Quỹ khoa học quốc gia (Khoa hóa, số 0434507) tài trợ. Jack W. Szostak đồng thời nhạn được sự hỗ trợ từ Chương trình Sinh học ngoài trái đất và hàng không học quốc gia số EXB02-0031-0018. Viện y tế quốc gia hỗ trợ cho Sheref S. Mansy hồ sợ số F32 GM07450601.