Trung Quốc tạo ra chất cơ bản của sự sống bằng nước và không khí

Các nhà khoa học Trung Quốc tạo ra axit amin - thành phần cơ bản của sự sống - chỉ bằng không khí và nước nhờ phương pháp mới thân thiện với môi trường.

Theo SCMP, các nhà khoa học tại một phòng thí nghiệm ở thành phố Hợp Phì, tỉnh An Huy, đông nam Trung Quốc, đã tạo ra axit amin - thành phần cơ bản của sự sống - chỉ bằng không khí và nước.

Chủ nhiệm dự án, nhà khoa học Zeng Jie thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC), cho biết nghiên cứu cũng cho thấy tiềm năng tạo ra các phân tử phức tạp hơn, chẳng hạn như protein.

Axit amin, thành phần cơ bản của protein, đóng vai trò quan trọng trong sinh vật sống và các nhà nghiên cứu đã tìm cách tổng hợp glycine - loại axit amin ổn định đơn giản nhất.

Các phương pháp truyền thống để tổng hợp glycine chủ yếu dựa vào các sản phẩm có nguồn gốc từ dầu mỏ như aldehyd và xyanua. Các phương pháp này không chỉ tiêu tốn nhiều năng lượng mà còn tạo ra nhiều chất thải, gây hại cho môi trường.

Các nguyên tố cacbon, nitơ, hydro và oxy cần thiết cho axit amin, đều có thể có nguồn gốc từ carbon dioxide, nước, khí nitơ và oxy trong không khí.

Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu Trung Quốc tạo ra quá trình xúc tác điện hóa bắt đầu bằng không khí, mở đường cho một phương pháp tổng hợp axit amin thân thiện với môi trường.

Nhiều nhà khoa học tin rằng sự sống trên Trái đất bắt nguồn từ các phản ứng hóa học trong đám mây, với việc sét cung cấp điện để thúc đẩy quá trình tổng hợp axit amin từ không khí và nước. Khi các phản ứng trở nên phức tạp hơn, chúng cuối cùng biến đổi vật chất vô tri thành các dạng phức tạp sống.

Trong thí nghiệm Miller-Urey năm 1952, các nhà khoa học tại Đại học Chicago (Mỹ) mô phỏng bầu khí quyển nguyên thủy của Trái đất bằng cách cho nước, metan, amoniac và hydro trong một thùng chứa và và sử dụng điện tích để mô phỏng sét tự nhiên.Sau một tuần, họ phát hiện ra một số axit amin trong sản phẩm cuối cùng.

“Thí nghiệm năm 1952 mô phỏng quá trình tạo ra các phân tử sự sống nguyên thủy, nhưng là các sản phẩm hỗn hợp chứa một số axit amin”, nhà khoa học Zeng cho biết. “Thí nghiệm chúng tôi đạt được quá trình tổng hợp định hướng của loại axit amin đơn lẻ - glycine - thông qua một quy trình sáng tạo”.

Quy trình tổng hợp bao gồm ba phần chính: chuyển đổi carbon dioxide, cố định khí nitơ và liên kết cacbon-nitơ mục tiêu.

Đầu tiên, carbon dioxide được chuyển đổi thành axit oxalic, sau đó khử thành axit glyoxylic; khí nitơ được tổng hợp thành amoniac và sau đó thành hydroxylamine, phản ứng tự phát với axit glyoxylic thông qua quá trình khử điện để tạo ra glycine.

Mỗi bước đều liên quan đến các chất xúc tác và thiết bị phản ứng chính. “Ví dụ, bước cố định nitơ sử dụng phương pháp trung gian lithium, tận dụng phản ứng của lithium kim loại để chuyển nitơ không hoạt động thành lithium nitride và sau đó thành amoniac”, nhà khoa học Zeng giải thích, đồng thời cho biết thêm rằng phương pháp này tương tự như cách pin lithium hoạt động thông qua các phản ứng hóa học.

Sau chưa đầy một ngày điện phân liên tục, nhóm nghiên cứu tổng hợp được khoảng 5,16 gam (0,18 ounce) glycine rắn có độ tinh khiết cao trong phòng thí nghiệm chỉ bằng không khí và nước.

Nhóm nghiên cứu rất hài lòng với kết quả. Ông Zeng nói: “Các phản ứng tổng hợp hữu cơ thông thường tạo ra sản phẩm tính bằng miligam, nhưng chúng tôi đã tạo ra đủ glycine để bạn có thể cầm trong lòng bàn tay.”

Kết quả nghiên cứu được bình duyệt và công bố vào cuối tháng 8 trên tạp chí Angewandte Chemie International Edition.

Nghiên cứu không chỉ hỗ trợ các lý thuyết về nguồn gốc sự sống mà còn cung cấp phương pháp tổng hợp thân thiện với môi trường - không tạo ra ô nhiễm và hiệu suất năng lượng trong suốt quá trình đạt 5,9 %, so với hiệu suất thông thường 2 - 3% của quá trình quang hợp thực vật tự nhiên.

Nhóm của ông Zeng cũng thử nghiệm sử dụng carbon dioxide để tổng hợp glucose về mặt hóa học và sinh học.

“Chúng tôi chọn glycine vì cấu trúc đơn giản hơn của nó trong số các axit amin. Nhóm của chúng tôi có thể khám phá quá trình tổng hợp các axit amin phức tạp hơn từ các vật liệu tự nhiên trong tương lai”, ông nói. “Bằng cách kết hợp glucose và axit amin, những phân tử sinh học cơ bản nhất, chúng ta có cơ hội khám phá quá trình tổng hợp các phân tử sinh học phức tạp hơn, điều này có ý nghĩa vô cùng quan trọng với sự sống”.