Phát hiện mới về sự khác biệt giữa DNA và RNA

Một nghiên cứu mới đây cho thấy RNA (phân tử tương tự và có trước DNA) trong quá trình thích nghi với sự thay đổi sẽ tách ra, trong khi đó, DNA lại có thể tự biến đổi hình dạng để thích nghi với các yếu tố hóa học. Nghiên cứu này cuối cùng đã giải thích được lý do tại sao phân tử DNA đóng vai trò “mã hóa cho sự sống – the blueprint of life”, chứ không phải là RNA. Điều này sẽ thúc đẩy sự thay đổi các kiến thức hiện tại trong sách giáo khoa về sự khác biệt giữa DNA và RNA.

Nhà nghiên cứu chính, Hashim Al-Hashimi, trường Đại học Y Duke cho biết, “Giống như kiến thức căn bản về cấu trúc chuỗi xoắn kép, thật ngạc nhiên khi cho tới giờ chúng tôi mới phát hiện ra những đặc tính cơ bản này (điều mà đáng lẽ phải được phát hiện ra sớm hơn, như khi phát hiện ra cấu trúc chuỗi xoắn kép). Tuy nhiên, chúng tôi vẫn cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn để có thể nắm rõ về những phân tử nền tảng của sự sống này”.

Quay trở lại năm 1953, khi hai nhà khoa học Watson và Crick lần đầu tiên công bố mô hình chuỗi xoắn kép DNA, họ đồng thời cũng dự đoán được cơ chế các cặp bazơ kết hợp với nhau – A & T và G & C. Có lẽ mọi người khá quen với sự tạo thành của hai chuỗi DNA kết hợp với nhau bởi liên kết của các cặp bazơ, từ đó tạo thành các nấc thang duy trì cấu trúc chuỗi xoắn DNA. 

Trước đó, rất nhiều nhà nghiên cứu nỗ lực tìm ra bằng chứng những cặp bazơ liên kết với nhau giống như dự đoán Watson và Crick – gọi là cặp bazơ Watson-Crick. Sau đó, đến năm 1959, nhà hóa sinh Karst Hoogsteen đã nghiên cứu ra hình ảnh của cặp bazơ A – T, mô phỏng bằng hình hơi nghiêng, với một bazơ xoay 180 độ so với bazơ còn lại. Từ đó, các nhà nghiên cứu đã dựa trên cả hai mô hình cặp bazơ của Watson-Crick và Hoogsteen để có những hình ảnh của DNA.

Nhưng năm năm sau, Al-Hashimi và cộng sự đã phát hiện một điều chưa từng thấy trước đây: cặp bazơ của DNA liên tục chuyển đổi qua lại giữa hai cấu hình liên kết Watson-Crick và Hoogsteen. Điều này đã bổ sung thêm một khía cạnh mới về mức độ linh hoạt trong cấu trúc DNA. Nghiên cứu trên cho thấy khi có một protein bất kì gắn vào bề mặt DNA hoặc bất kì sự tổn thương về mặt hóa học ở bất kì nucleotide nào thì DNA sẽ sử dụng liên kết Hoogsteen. Và khi chỗ tổn thương đó được sữa chữa hay protein đã rời đi, DNA sẽ quay về lại cấu trúc với liên kết Watson-Crick.

Phát hiện này có giá trị rất to lớn. Và mới đây nhóm nghiên cứu đã lần đầu tiên chứng minh được rằng RNA không có khả năng như trên, chính điều này đã giải thích cho câu hỏi nan giải của các nhà khoa học trong nhiều năm qua: “Tại sao phân tử mã hóa cho sự sống là DNA, mà không phải RNA?” Chính vì DNA có thể chịu và khắc phục được những tổn thương về mặt hóa học, còn RNA lại trở nên cứng và bị tách ra nên DNA tốt hơn trong việc truyền đạt thông tin di truyền qua các thế hệ.

Một thành viên của nhóm nghiên cứu Huiqing Zhou cũng cho biết, “Sự biến đổi này trong DNA cũng là một dạng tổn thương, và nó có thể dễ dàng xảy ra bằng cách lật nhẹ các bazơ và tạo thành cặp bazơ Hoogsteen. Ngược lại, việc biến đổi tương tự trên sẽ gây phá vỡ nghiêm trọng đến cấu trúc xoắn kép của RNA”.

Ở hình bên dưới, bạn có thể nhận thấy phân tử DNA (bên trái) có các liên kết Hoogsteen gắn kết với các cặp bazơ bị tổn thương, trong khi RNA phía bên phải lại bị rời ra: 

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh điều này bằng cách tạo ra các đôi xoắn từ RNA và DNA, đồng thời sử dụng các kĩ thuật chụp ảnh tiên tiến để quan sát quá trình các cặp bazơ được liên kết với nhau. Họ cũng chỉ ra rằng, ở bất kì một thời điểm nào, luôn có khoảng 1% các bazơ của DNA thay đổi thành cặp cơ bản Hoogsteen. Tuy nhiên, điều này lại không thấy ở chuỗi RNA. Các nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm ở các mạch xoắn kép RNA dưới tất cả các điều kiện khác nhau, nhưng không có bất cứ cái nào biến đổi thành cặp bazơ Hoogsteen. Họ thậm chí còn thúc đẩy RNA hình thành các cặp cơ bản Hoogsteen chỉ để xem rằng nó có thể xảy ra không, nhưng ngay sau đó, các chuỗi RNA đều bị tách ra. Để lý giải cho điều này, các nhà nghiên cứu cho rằng do cấu trúc xoắn đôi của RNA đóng chặt hơn so với DNA, nên một bazơ của RNA không thế thay đổi hướng mà không va chạm với một bazơkhác hay chuyển các nguyên tử và bị tách ra khỏi toàn bộ cấu trúc.

Al-Hashimi cho biết, “Trong cấu trúc đơn giản tuyệt vời này có một sự phức tạp đáng ngạc nhiên, tuy nhiên hiện nay chúng ta vẫn chưa thể quan sát được toàn bộ các lớp và cấu trúc vì chưa đủ công cụ để nhìn thấy nó”. Do đó, vẫn cần phải có các nghiên cứu sâu hơn để kiểm chứng lại giả thuyết rằng chính sự linh hoạt của DNA, chứ không phải RNA, là yếu tố quyết định DNA là phân tử mã hóa cho sự sống. Nếu điều này được xác nhận, nó có thể giúp chúng ta hiểu được tại sao con đường tiến hóa của sự sống trên Trái Đất lại diễn ra như vậy.

Thật tuyệt vời khi sau nhiều năm, chúng ta vẫn học thêm được nhiều điều mới về những phân tử tạo nên bản thân mình.

Tài liệu tham khảo:

Fiona Macdonald, "Scientists have just uncovered a major difference between DNA and RNA",sciencealert, 3 August 2016.

Lược dịch và tổng hợp Lê Văn Trình