Protêin với “bộ điều khiển định vị”

Một nhóm những nhà khoa học thuộc trường đại học Princeton vừa nghiên cứu ra chuỗi protein trên các sinh vật sống giống như các chiếc máy có khả năng thích nghi cao, có khả năng điều chỉnh quá trình tiến hoá của chính sinh vật đó.

Theo các nhà khoa học, dự án nghiên cứu này đã đưa ra được bằng chứng về cơ cấu ẩn sâu bên trong các sinh vật để phù hợp với chọn lọc tự nhiên, tạo ra mối quan hệ bên trong của quy luật tiến hoá.

Các nhà nghiên cứu Raj Chakrabarti, Herschel Rabitz, Stacey Springs và George McLendon đã có khám phá mới trong khi thực hiện thí nghiệm về chất protein tạo ra chuỗi luân chuyển electron (ETC), một mạng lưới hoá sinh rất cần thiết cho quá trình trao đổi chất. Một bài phân tích toán học về các thí nghiệm chỉ ra rằng chất protein sẽ tự làm việc để chữa những đoạn không cân bằng thông qua quá trình hoán chuyển nhân tạo và khôi phục chuỗi protein theo trật tự đúng.

“Phát hiện trả lời một câu hỏi đã làm đau đầu các nhà sinh vật học kể từ thời Darwin. Làm thế nào mà các sinh vật có thể phức tạp đến thế trong khi quá trình tiến hoá thì hoàn toàn là ngẫu nhiên, hoạt động giống như “người mù xem giờ” vậy" theo Chakrabarti, một học giả tại khoa Hoá của trường đại học Princeton nhận xét. “Giả thuyết của chúng ta được mở rộng từ mẫu của Darwin, chứng minh rằng bằng cách nào mà các tổ chức sinh vật có thể điều khiển các mặt trong quá trình tiến hoá xảy ra theo đúng trật tự mà không phải là ngẫu nhiên.”

Bài viết này đã làm rõ hơn vấn đề nảy sinh trong một bài viết năm 1858 của Alfred Wallace, ông là người đã cùng Charles Darwin khám phá ra học thuyết tiến hoá. Wallace đã từng nghi ngờ hệ thống lựa chọn tự nhiên có thể điều chỉnh được quá trình tiến hoá của nó theo cái cách “như máy ly tâm của động cơ hơi nước, rà soát và sửa những chỗ không theo luật bình thường trước khi chúng trở nên rõ ràng”. Ở thời của ông Wallace, động cơ hơi nước hoạt động với máy điều khiển ly tâm đó là một trong số những ví dụ liên quan đến bộ điều chỉnh đầu ra của nó. Tuy nhiên, có rất nhiều ví dụ khác có thể tìm thấy trong công nghệ hiện đại, bao gồm bộ điều khiển tự động và bộ điều chỉnh nhiệt ở nhà hay ở các văn phòng làm việc.

Nghiên cứu này được phát hành thành sách “Những bài viết nghiên cứu về quy luật tự nhiên”, cung cấp những bằng chứng rõ ràng cho ý tưởng của Wallace, Rabitz nói. “Cái mà chúng ta thấy đó là các loại cấu trúc sinh học khác nhau tồn tại có thể lái quá trình tiến hoá theo hướng phù hợp. Các thông tin đưa ra ngụ ý rằng tất cả chúng ta đều có một bộ máy tuyệt vời như vậy bên trong và nó luôn đáp ứng với sức ép của quá trình tiến hoá”. 

Các tác giả đã tìm kiếm để xác định ra nguyên nhân ẩn sâu bên trong cho khả năng tự sửa chữa ở chuỗi protein. Học thuyết tiến hoá chuẩn thì không đưa ra một quy luật nào cụ thể cả. Áp dụng những khái niệm trong học thuyết này, một tổ chức chuyên nghiên cứu về họat động của hệ thống chức năng, các nhà nghiên cứu đã đi đến kết luận rằng việc chuỗi protênin có khả năng tự sửa chữa chỉ có thể xảy ra khi trong thời kỳ đầu của tiến hoá các chất protêin phát triển được một cơ chế tự điều tiết, giống với bộ điều khiển tìm kiếm ở ô tô hay bộ điều chỉnh nhiệt tự động ở nhà, cho phép chúng phối hợp và điều tiết quá trình tiến hoá sau này. Các nhà khoa học đang tính toán cho ra một học thuyết tổng thể dựa trên phát hiện này họ gọi là “bộ điều khiển quá trình tiến hoá”. 

Nghiên cứu dường như cũng đã kích thích thêm nhiều ý tưởng, theo như ông Charles Smith, một người chuyên viết tiến trình lịch sử của ngành khoa học tại trường đại học Kentucky. “Hệ thống ý tưởng xuyên suốt trong dự án nghiên cứu về quá trình tiến hoá có lẽ được bắt đầu từ ý tưởng so sánh sự lựa chọn tự nhiên với máy điều chỉnh ở động cơ hơi nước của Alfred Wallace—cái đó giống như một cơ chế loại bỏ những cái không phù hợp và giữ lại những cái phổ biến với vai trò giống như những nhà hoạt động môi trường,” Smith còn nhận xét thêm “Wallace chưa bao giờ thực sự quan tâm tới giai đoạn điều chỉnh đầu ra trong chu trình hoạt động tuy nhiên để có được thông tin thì thông qua học thuyết điều chỉnh tối ưu Chakrabarti et al. có thể đưa ra một sự móc nối trong thuyết nhân quả ở mức độ phân tử tạo thuận lợi cho sự tiếp cận có định hướng hệ thống của Wallace tới lĩnh vực nghiên cứu”.

Thuyết tiến hoá, học thuyết chính trong ngành sinh học hiện đại được xem như sự thay đổi đều đặn trong quá trình tạo ra các gen phổ biến trong một khoảng thời gian. Đó là quá trình thay đổi diễn ra liên tục được Wallace và Darwin gọi là “sự chọn lọc tự nhiên”. Trong quá trình này, các loài tiến hoá do sự đột biến gen ngẫu nhiên hay do sự chọn lọc từ tự nhiên. Không giống với Darwin, Wallace đã dự đoán được các loài có thể tự phát triển khả năng thích ứng tối ưu với áp lực phải tiến hoá. Cho đến bài nghiên cứu này thì các bằng chứng để chứng minh cho dự đoán của Wallace vẫn còn thiều.

Các thí nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm Frick ở Princeton tập trung nghiên cứu vùng protein trên mitochondria – vùng phát nhiệt của tế bào. Một chuỗi protein, tạo thành hình một dãy, chuyên vận chuyển electron qua màng phát nhiệt của tế bào. Quá trình trao đổi chất này tạo ra ATP, đó chính là năng lượng cần thiết cho cuộc sống.

Rất nhiều nhà nghiên cứu làm việc trong nhiều thập kỷ qua, bao gồm cả một số nhà nghiên cứu đến từ Princeton như George McClendon - hiện đang làm việc tại trường đại học Duke và Stacey Springs- hiện đang làm tại viện nghiên cứu công nghệ Massachusetts, đã bổ sung cơ chế làm việc của các chất protein này, đã nghiên cứu thấy chúng được chuyển tới vị trí cực điểm, hoạt động hết tốc độ hoặc ở mức năng lượng thấp nhất có thể.

Chakrabarti và Rabitz đã cùng nhau phân tích các quan sát phản ứng của protein từ góc độ toán học, kết luận rằng về mặt sô học thì điều đó là không thể xảy ra cho quá trình tự sửa chữa để trở thành ngẫu nhiên được, và chứng minh rằng kết quả được quan sát là chính xác đúng với dự đoán đưa ra do sự cân bằng của học thuyết điều phối. Luôn hoạt động ở mức độ cao nhất, các chất protein có được sự hoạt động bền vững với hệ thống tự quản lý tối ưu theo thuyết tiến hoá.

“Trong bài báo, chúng tôi đưa ra bằng chứng thí nghiệm về lượng đầu tiên là gì, kể từ dự án đầu tiên của Wallace, bản chất áp dụng các chiến lược điều phối tiến hoá để tối đa hoá sự phối hợp trong mạng lưới sinh học”, Chakrabarti nói. “Thuyết điều phối tiến hoá đưa ra một cách giải thích trực tiếp cho những quan sát phức tạp và chỉ ra rằng tiến hoá vẫn đang hoạt động theo quy luật mà kỹ sư chúng ta đều biết”.

Các nhà khoa học thì không biết bằng cách nào bộ máy tế bào tiên phong trong quá trình này lại được phát minh ra nhưng họ nhấn mạnh bộ máy này thì không thể đáp ứng với các trường hợp có sự thay đổi tinh vi hơn, một quan điểm đang rất gây tranh luận khẳng định sự luôn thay đổi cho phù hợp với sự phức tạp trong thiên nhiên.

Chakrabarti đã nhận xét mục đích của học thuyết tiến hoá là để tìm ra quy luật của chính các tổ chức sinh học này để thúc đẩy quá trình sản sinh ra các cấu trúc sinh học phức tạp khác. “Các quy luật này thì luôn phù hợp với quy luật chọn lọc của tự nhiên. Sự thay đổi sinh học thì luôn luôn có xu hướng diễn ra theo sự chuyển hoá ngẫu nhiên và chọn lọc tự nhiên, nhưng những điểm mấu chốt trong lịch sử tiến hoá này ví như các quá trình chuyển hoá ngẫu nhiên này có thể tạo ra những cấu trúc có khả năng điều chỉnh quá trình tiến hoá kế tiếp theo hướng phức tạp và tinh vi hơn”.

Các nhà nghiên cứu vẫn đang tiếp tục làm những phân tích của họ để tìm kiếm sự cân bằng trong các hống sinh học khác. Nghiên cứu được tài trợ bởi Viện Khoa Học Quốc Gia.