Peptide có thể ổn định và gấp nếp trong môi trường gần như toàn axit sulfuric

Nghiên cứu cho thấy axit sulfuric đậm đặc không mặc nhiên phá hủy mọi cấu trúc peptide. Trong dung môi gần tương đương các giọt mây Sao Kim với khoảng 98% axit sulfuric, một số peptide ngắn vẫn tồn tại trong nhiều tuần và gấp thành những cấu trúc ba chiều xác định, giống vòng omega. Đây là tín hiệu đáng chú ý cho khả năng tồn tại của hóa học hữu cơ phức tạp trong mây Sao Kim, nhưng không phải bằng chứng rằng sự sống hiện diện ở đó. 6

Peptide đã bền vững bằng cách nào?

Nhóm nghiên cứu dùng phổ cộng hưởng từ hạt nhân trong dung dịch cường độ cao (NMR) để khảo sát peptide trong axit sulfuric gần như tinh khiết. Phổ đo cho thấy các peptide được chọn không chỉ còn tồn tại về mặt hóa học, mà còn lặp lại những trạng thái gấp nếp ba chiều rõ ràng, thay vì chỉ là các chuỗi rời rạc hoặc mất trật tự. 6

Vòng omega là một mô-típ nhỏ gọn, không thuộc các kiểu cấu trúc đều đặn thường gặp của protein. Điều quan trọng của việc gấp nếp này là: một phân tử muốn có chức năng sinh học tiềm tàng thường cần một hình dạng ổn định và đặc hiệu, chứ không chỉ cần tránh bị phân hủy thành các mảnh nhỏ. 6

Lời giải thích hóa học khả dĩ nằm ở lượng nước rất thấp. Phản ứng axit xúc tác cắt liên kết peptide thường là thủy phân: nước đóng vai trò chất phản ứng tấn công liên kết đó. Trong môi trường khoảng 98% axit sulfuric, nước khan hiếm, nên việc proton hóa bởi axit không nhất thiết đủ để cắt liên kết peptide một cách hiệu quả. Đây là diễn giải cơ chế hợp lý, không phải kết luận rằng mọi peptide đều có thể bền trong axit. Thực tế, nghiên cứu trước đây trên 20 homodipeptide cho thấy phần lớn vẫn bị solvolysis trong vài tuần ở điều kiện axit sulfuric phù hợp với Sao Kim. 3

NMR cho thấy axit có thể góp phần “chống đỡ” cấu trúc gấp nếp

Các tín hiệu NMR phù hợp với sự hiện diện của những cấu dạng xác định và các tương tác mà trong đó phân tử axit sulfuric được sắp xếp quanh peptide, góp phần ổn định cấu trúc gấp nếp. Nói cách khác, thay vì chỉ đóng vai trò dung môi phá hủy, axit sulfuric có thể hoạt động như một “giàn đỡ” ở cấp độ dung môi cho một số cấu trúc peptide. 6

Điều này đi ngược trực giác quen thuộc hình thành từ sinh học Trái Đất, nơi nước thường là môi trường mặc định của phân tử sinh học. Bằng chứng hiện có ủng hộ quan sát về cấu trúc ổn định, nhưng chưa thiết lập đầy đủ cơ chế vi mô áp dụng cho mọi trình tự peptide. 6

Nối tiếp các kết quả MIT trước đây

Công trình mới mở rộng hướng nghiên cứu MIT khởi động từ năm 2020, sử dụng NMR trong axit sulfuric gần tinh khiết để khảo sát độ bền của các đơn vị cấu tạo axit nucleic, lipid và axit amin. 6

Các nghiên cứu tiếp theo từng ghi nhận adenine, cytosine, guanine, thymine, uracil, purine, pyrimidine cùng các base liên quan có thể ổn định hơn một năm trong axit sulfuric đậm đặc ở nhiệt độ phòng. 2

Điểm tiến xa hơn lần này không đơn thuần là “nguyên liệu còn sót lại”, mà là các polymer axit amin ngắn vẫn giữ được kiến trúc ba chiều. Đây là một điều kiện bổ sung, dù chưa đủ, để phân tử có thể đảm nhiệm chức năng. 6

Hàm ý đối với sự sống trên Sao Kim và việc tìm kiếm sự sống

• Mây Sao Kim: Kết quả làm suy yếu quan điểm cho rằng mây axit sulfuric của Sao Kim hoàn toàn vô trùng về mặt hóa học. Nó ủng hộ khả năng diễn ra hóa học hữu cơ phức tạp, thậm chí khả năng có các hệ sinh học không dựa trên nước trong lớp mây có nhiệt độ tương đối ôn hòa. Tuy nhiên, nghiên cứu chưa cho thấy trao đổi chất, tự sao chép, tiến hóa hay sinh vật đang tồn tại. 6
• Peptide nucleic acid (PNA): PNA là mục tiêu thử nghiệm hợp lý tiếp theo, vì nó kết hợp các base axit nucleic với khung xương tương tự peptide. Kết quả ban đầu cho thấy mức suy giảm phụ thuộc vào trình tự: các PNA hexamer suy giảm từ 0,4% đến 28,6% sau 14 ngày trong axit sulfuric 98% ở khoảng 25°C; ở nhiệt độ trên 80°C, chúng bị solvolysis hoàn toàn. 1
• Các sứ mệnh Sao Kim Morning Star: Công trình tạo thêm cơ sở để các sứ mệnh thuộc chương trình Morning Star đo thành phần giọt mây và tìm các phân tử hữu cơ hoặc các trạng thái mất cân bằng hóa học, thay vì mặc định rằng mây axit không thể chứa hóa học phức tạp liên quan đến sự sống. Đây là ưu tiên nghiên cứu được gợi ra từ kết quả, không phải dự báo về phát hiện cụ thể của một sứ mệnh. 6
• Ngoại hành tinh: Việc đánh giá khả năng ở được của hành tinh không nên chỉ giới hạn ở các “bản sao Trái Đất” có nước lỏng trên bề mặt. Những thế giới có mây axit và các hành tinh kiểu Sao Kim có thể đáng được xem xét rộng hơn, dù độ bền của phân tử còn rất xa mới đủ để chứng minh một môi trường có thể ở được. 6

Tóm lại, phát hiện này không biến Sao Kim thành một nơi đã được xác nhận có sự sống. Nhưng nó buộc giới nghiên cứu phải thận trọng hơn với giả định rằng axit sulfuric đậm đặc chắc chắn loại trừ mọi hóa học phân tử phức tạp.