Peptide sống sót và gấp nếp trong axit sulfuric đậm đặc như mây sao Kim

Nghiên cứu của MIT không cho thấy sao Kim có sự sống. Phát hiện này hẹp hơn nhưng rất đáng chú ý: trong mô phỏng phòng thí nghiệm về các đám mây axit sulfuric của sao Kim, một số peptide ngắn vẫn tồn tại trong nhiều tuần và gấp nếp thành những cấu trúc omega-loop xác định — về nguyên tắc có thể hỗ trợ nhận diện phân tử hoặc các chức năng hóa học khác. 412

Thí nghiệm MIT đã chứng minh điều gì?

Các nhà nghiên cứu đưa những chuỗi peptide ngắn vào axit sulfuric gần như tinh khiết, sau đó theo dõi chúng bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) trong dung dịch. Thay vì nhanh chóng biến mất hoặc trở thành những chuỗi hoàn toàn hỗn loạn, các peptide được chọn vẫn có thể phát hiện sau nhiều tuần và hình thành những cấu trúc không gian lặp lại, trong đó có dạng giống omega-loop. 412

Omega-loop là một đoạn uốn cong gọn trong chuỗi peptide. Những dạng gấp nếp như vậy rất quan trọng vì hoạt tính của một phân tử không chỉ phụ thuộc vào thành phần nguyên tử, mà còn phụ thuộc vào cách các nguyên tử được sắp xếp trong không gian. Một cấu trúc ổn định có thể tạo ra bề mặt để liên kết chọn lọc, tập hợp hoặc tham gia vào các tương tác hóa học.

Tuy nhiên, kết quả chỉ áp dụng cho những trình tự peptide nhất định, không phải mọi peptide. Một nghiên cứu trước đó trên 20 dipeptide đồng loại cho thấy phần lớn bị solvolysis — tức bị dung môi axit phân cắt — trong vòng vài tuần ở axit sulfuric đậm đặc. Một số ngoại lệ, gồm histidine-histidine và glycine-glycine, vẫn ổn định trong axit sulfuric 98% ít nhất bốn tháng. 1

Vì sao ít nước có thể làm chậm sự phân hủy?

Quá trình thủy phân liên kết peptide thông thường cần nước phá vỡ liên kết giữa các amino acid. Trong dung dịch axit sulfuric giống môi trường mây sao Kim, nước hiện diện với lượng rất nhỏ và bị axit liên kết mạnh. Điều này có thể hạn chế con đường thủy phân, qua đó giúp một số trình tự peptide tồn tại lâu hơn dù môi trường có tính axit cực cao.

Đây mới là một khả năng hóa học, không phải quy luật áp dụng cho mọi phân tử. Axit sulfuric đậm đặc vẫn có thể phá vỡ liên kết peptide; độ bền còn phụ thuộc vào trình tự phân tử, nồng độ axit, nhiệt độ và thời gian tiếp xúc. Kết quả trên dipeptide cho thấy rõ sự khác biệt này: nhiều trình tự không ổn định, trong khi một số ít chống chịu được trong những điều kiện nhất định. 1

Một nghiên cứu liên quan về axit nucleic peptide (PNA) cũng đưa ra kết luận tương tự nhưng có điều kiện. Bốn PNA hexamer — các chuỗi PNA gồm sáu đơn vị — bị phân hủy từ 0,4% đến 28,6% tùy trình tự sau 14 ngày trong axit sulfuric 98% ở khoảng 25°C. Khi nhiệt độ vượt 80°C, chúng bị solvolysis hoàn toàn. 3

NMR 800 MHz cho thấy điều gì?

Các phép đo NMR tần số cao không chỉ kiểm tra xem peptide có “sống sót” hay không. Tín hiệu NMR cho phép theo dõi liệu phân tử còn nguyên vẹn về mặt hóa học, đồng thời cung cấp thông tin về cách các nguyên tử được sắp xếp trong dung dịch. Trong nghiên cứu của MIT, dữ liệu cho thấy các peptide giữ được cấu trúc gấp nếp xác định và có thể tái lập trong axit sulfuric, thay vì chỉ tồn tại dưới dạng những chuỗi ngẫu nhiên. 4

Cách giải thích của nhóm nghiên cứu là các phân tử axit sulfuric tạo ra một môi trường solvat hóa có trật tự xung quanh peptide. Nói cách khác, dung môi có thể giúp tổ chức và ổn định hình dạng của chuỗi trong điều kiện thiếu nước. Đây là sự tương phản đáng chú ý với sinh học quen thuộc trên Trái đất, nơi protein gấp nếp trong nước và phụ thuộc vào nhiều tương tác có nước tham gia.

Phát hiện này không chứng minh các peptide đã thực hiện được xúc tác giống protein hoàn chỉnh, chuyển hóa, tự sao chép hay bất kỳ quá trình sinh học trọn vẹn nào. Nó chỉ cho thấy một số phân tử nhỏ có thể tồn tại và gấp nếp. Đây là những tiền đề quan trọng, nhưng chưa phải bằng chứng về một sinh vật.

Phát hiện mới nối tiếp những bằng chứng nào?

Nghiên cứu peptide bổ sung cho một chuỗi kết quả thực nghiệm ngày càng dài, cho thấy axit sulfuric đậm đặc không nhất thiết phá hủy mọi phân tử hữu cơ liên quan đến sự sống trên Trái đất.

• Một nghiên cứu cho thấy 19 trong 20 amino acid có nguồn gốc sinh học được thử nghiệm либо không phản ứng, либо chỉ bị biến đổi ở mạch bên sau bốn tuần trong axit sulfuric nồng độ 81% và 98%. Phần khung amino acid vẫn được bảo toàn. 2
• Các bazơ của acid nucleic như adenine, cytosine, guanine, thymine và uracil được báo cáo là ổn định trong hơn một năm ở những điều kiện axit sulfuric đậm đặc phù hợp với mây sao Kim, ở nhiệt độ phòng. 8
• Những nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng nhiều liên kết peptide không ổn định, cho thấy khả năng tồn tại là có chọn lọc chứ không tự động xảy ra. 1

Gộp lại, các kết quả này làm thay đổi câu hỏi nghiên cứu. Thay vì chỉ hỏi một phân tử sinh học giống Trái đất có thể sống sót trong axit sao Kim hay không, các nhà khoa học có thể hỏi liệu nhiều nhóm phân tử có thể nguyên vẹn đủ lâu để tương tác, tập hợp, gấp nếp và thực hiện những phản ứng hóa học có ích hay không.

Vì sao khả năng gấp nếp quan trọng trong tìm kiếm sự sống?

Nhiều chức năng sinh học phụ thuộc vào hình dạng phân tử. Một peptide đã gấp nếp có thể tạo ra bề mặt liên kết chọn lọc hoặc một môi trường hóa học cục bộ mà chuỗi ngẫu nhiên không có. Nếu một dung môi không phải nước vẫn có thể ổn định những cấu trúc như vậy, việc thiếu nước lỏng không còn đủ để loại bỏ hoàn toàn khả năng tồn tại của hóa học phức tạp.

Điều đó không có nghĩa sao Kim có thể sống được theo tiêu chuẩn của Trái đất. Môi trường mây sao Kim vẫn cực kỳ khắc nghiệt, còn các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm sử dụng những điều kiện được đơn giản hóa. Các giọt mây thực tế có thể khác về thành phần, nhiệt độ, hoạt độ nước, các hóa chất vi lượng và tính chất vật lý. Vì vậy, kết quả chỉ mở rộng danh sách môi trường đáng để thử nghiệm, chứ chưa xác nhận một sinh quyển trên sao Kim.

Bước kiểm chứng tiếp theo: PNA có thể lưu trữ thông tin không?

Một hướng nghiên cứu được đề xuất là kiểm tra PNA hai mạch. PNA đáng chú ý vì có thể hoạt động như một polymer mang thông tin tương tự DNA, nhưng độ bền của nó trong axit sulfuric đậm đặc phụ thuộc mạnh vào trình tự và nhiệt độ. Các thí nghiệm hiện có mới kiểm tra những PNA hexamer đơn mạch và đo mức độ tồn tại một phần trong hai tuần ở nhiệt độ phòng — chưa kiểm tra tính di truyền hay khả năng tự sao chép. 3

Những câu hỏi khó hơn là liệu PNA hai mạch có thể hình thành, duy trì ổn định và bắt cặp theo trình tự trong môi trường axit hay không. Nếu có kết quả tích cực, điều đó sẽ bổ sung bằng chứng về khả năng nhận diện phân tử và lưu trữ thông tin trong một dạng hóa học dựa trên axit sulfuric. Dù vậy, ngay cả kết quả ấy cũng vẫn còn rất xa việc chứng minh sự sống.

Điều này có ý nghĩa gì với sao Kim và các ngoại hành tinh?

Các sứ mệnh nghiên cứu sao Kim trong tương lai có thể lấy mẫu hoặc phân tích các đám mây để kiểm tra mức độ tương đồng giữa hỗn hợp trong phòng thí nghiệm và môi trường thật. Những phép đo về thành phần giọt mây, nhiệt độ, hoạt độ nước, nguyên tố vi lượng và các phân tử hữu cơ sẽ giúp xác định kết quả hiện tại có thể áp dụng đến đâu cho sao Kim.

Bài học rộng hơn đối với ngành sinh học vũ trụ nằm ở phương pháp tiếp cận: tìm kiếm môi trường có thể hỗ trợ sự sống không nhất thiết chỉ giới hạn ở những “bản sao Trái đất”. Các thế giới giống sao Kim cũng có thể đáng được quan tâm nếu khí quyển của chúng cung cấp dung môi và nguồn năng lượng đủ để bảo toàn, gấp nếp và tổ chức các phân tử phức tạp.

Kết quả của MIT khiến khả năng đó trở nên đáng xem xét hơn — nhưng vẫn chỉ là câu hỏi cho các thí nghiệm và quan sát hành tinh tiếp theo, không phải một phát hiện về sự sống. 4