Cuộc sống đã bắt đầu như thế nào? Như thế nào phản ứng hoá học trên Trái đất sơ khai tạo ra những cấu trúc phức tạp, có khả năng tự sao chép và phát triển thành những sinh vật sống như chúng ta biết?

Theo một trường phái tư tưởng, trước kỷ nguyên sự sống dựa trên DNA hiện nay, đã có một loại phân tử gọi là RNA (hay axit ribonucleic). RNA—vẫn là thành phần quan trọng của sự sống ngày nay—có thể tự tái tạo và xúc tác cho các phản ứng hóa học khác.

Nhưng bản thân các phân tử RNA được tạo thành từ các thành phần nhỏ hơn gọi là ribonucleotide. Làm thế nào những khối xây dựng này có thể hình thành trên Trái đất sơ khai và sau đó kết hợp thành RNA?

Các nhà hóa học như tôi đang cố gắng tái tạo chuỗi phản ứng cần thiết để hình thành RNA vào buổi bình minh của sự sống, nhưng đó là một nhiệm vụ đầy thách thức. Chúng ta biết bất kỳ phản ứng hóa học nào tạo ra ribonucleotide đều có thể xảy ra trong môi trường lộn xộn, phức tạp trên hành tinh của chúng ta hàng tỷ năm trước.

Tôi đang nghiên cứu xem liệu các phản ứng “tự xúc tác” có thể đóng một vai trò nào đó hay không. Đây là những phản ứng tạo ra các chất hóa học khuyến khích phản ứng tương tự xảy ra lần nữa, nghĩa là chúng có thể tự duy trì trong nhiều trường hợp khác nhau.

In công việc mới nhất của chúng tôi, các đồng nghiệp của tôi và tôi đã tích hợp quá trình tự xúc tác vào một quá trình hóa học nổi tiếng để sản xuất các khối xây dựng ribonucleotide, điều này có thể đã xảy ra một cách hợp lý với các phân tử đơn giản và các điều kiện phức tạp được tìm thấy trên Trái đất sơ khai.

Phản ứng Formose

Phản ứng tự xúc tác đóng vai trò quan trọng trong sinh học, từ việc điều chỉnh nhịp tim của chúng ta đến việc hình thành các họa tiết trên vỏ sò. Trên thực tế, sự tái tạo của chính sự sống, trong đó một tế bào lấy chất dinh dưỡng và năng lượng từ môi trường để tạo ra hai tế bào, là một ví dụ đặc biệt phức tạp của quá trình tự xúc tác.

Một phản ứng hóa học được gọi là phản ứng formosa, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1861, là một trong những ví dụ điển hình nhất về phản ứng tự xúc tác có thể xảy ra trên Trái đất sơ khai.

Về bản chất, phản ứng formose bắt đầu bằng một phân tử của hợp chất đơn giản gọi là glycolaldehyde (được tạo thành từ hydro, carbon và oxy) và kết thúc bằng hai phân tử. Cơ chế này dựa vào việc cung cấp liên tục một hợp chất đơn giản khác gọi là formaldehyde.

Phản ứng giữa glycolaldehyde và formaldehyde tạo ra một phân tử lớn hơn, tách ra các mảnh phản ứng trở lại và tiếp tục phản ứng. Tuy nhiên, khi hết formaldehyde, phản ứng sẽ dừng lại và các sản phẩm bắt đầu phân hủy từ các phân tử đường phức tạp thành nhựa đường.

Phản ứng formose có một số thành phần chung với con đường hóa học nổi tiếng để tạo ra ribonucleotide, được gọi là con đường Powner–Sutherland. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có ai cố gắng kết nối cả hai – với lý do chính đáng.

Phản ứng formosa nổi tiếng là “không chọn lọc”. Điều này có nghĩa là nó tạo ra rất nhiều phân tử vô dụng cùng với các sản phẩm thực tế mà bạn mong muốn.

Một vòng xoắn tự xúc tác trong con đường dẫn đến Ribonucleotide

Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đã thử thêm một phân tử đơn giản khác gọi là cyanamide vào phản ứng formosa. Điều này giúp một số phân tử được tạo ra trong quá trình phản ứng có thể được “rút ra” để tạo ra ribonucleotide.

Phản ứng vẫn không tạo ra một lượng lớn khối xây dựng ribonucleotide. Tuy nhiên, những thứ nó tạo ra ổn định hơn và ít có khả năng xuống cấp hơn.

Điều thú vị trong nghiên cứu của chúng tôi là sự tích hợp giữa phản ứng formosa và sản xuất ribonucleotide. Các cuộc điều tra trước đây đã nghiên cứu từng chất riêng biệt, điều này phản ánh cách các nhà hóa học thường nghĩ về việc tạo ra các phân tử.

Nói chung, các nhà hóa học có xu hướng tránh sự phức tạp để tối đa hóa số lượng và độ tinh khiết của sản phẩm. Tuy nhiên, cách tiếp cận giản lược này có thể ngăn cản chúng ta nghiên cứu các tương tác động giữa các con đường hóa học khác nhau.

Những tương tác này xảy ra ở mọi nơi trong thế giới thực bên ngoài phòng thí nghiệm, được cho là cầu nối giữa hóa học và sinh học.

Ứng dụng công nghiệp

Quá trình tự xúc tác cũng có ứng dụng công nghiệp. Khi bạn thêm xyanua vào phản ứng formose, một sản phẩm khác là hợp chất gọi là 2-aminooxazole, được sử dụng trong nghiên cứu hóa học và sản xuất nhiều loại dược phẩm.

Sản xuất 2-aminooxazole thông thường thường sử dụng cyanamide và glycolaldehyde, hai chất này đắt tiền. Nếu nó có thể được tạo ra bằng phản ứng formosa thì chỉ cần một lượng nhỏ glycolaldehyde để khởi động phản ứng, cắt giảm chi phí.

Phòng thí nghiệm của chúng tôi hiện đang tối ưu hóa quy trình này với hy vọng có thể điều khiển phản ứng tự xúc tác để tạo ra các phản ứng hóa học thông thường rẻ hơn và hiệu quả hơn cũng như dễ tiếp cận các sản phẩm dược phẩm hơn. Có thể nó sẽ không quan trọng bằng việc tạo ra sự sống, nhưng chúng tôi nghĩ nó vẫn có giá trị.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Ảnh: Sangharsh Lohakare / Unsplash 

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2023/11/25/did-this-chemical-reaction-create-the-building-blocks-of-life-on-earth/