Mã di truyền
Nguồn gốc

Mã di truyền là một phần quan trọng trong lịch sử sự sống, theo một phiên bản mà các phân tử RNA tự nhân bản có trước sự sống như chúng ta biết. Đây gọi là giả thuyết thế giới RNA. Theo giả thuyết này, bất kỳ mô hình nào về sự xuất hiện của mã di truyền đều liên quan mật thiết đến mô hình vận chuyển từ ribozyme (enzym RNA) sang protein dưới dạng enzym chính trong tế bào. Nhằm tuân theo giả thuyết thế giới RNA, các phân tử RNA vận chuyển dường như tiến hóa trước các synthetase aminoacyl-tRNA hiện đại, do đó synthetase không thể là phần giải thích cho các mô hình của nó.
Một mã di truyền tiến hóa ngẫu nhiên theo giả thuyết tiếp tục thúc đẩy một mô hình sinh hóa hoặc tiến hóa về nguồn gốc của nó. Nếu amino acid được xếp ngẫu nhiên vào các codon bộ ba thì có thể có 1,5×1084 mã di truyền. Con số này được tìm ra bằng phép tính số cách mà 21 món đồ (20 amino acid cộng với một mã kết thúc) có thể đựng trong 64 thùng, trong đó mỗi món đồ được sử dụng ít nhất một lần. Tuy nhiên, sự phân chia các codon trong mã di truyền không ngẫu nhiên. Cụ thể, mã di truyền tập hợp một số phần chia amino acid nhất định.
Những amino acid chung con đường sinh tổng hợp có xu hướng mang cùng base đầu tiên trong các codon của chúng. Đây có thể là một sự học lại tiến hóa của một mã di truyền sơ khai và đơn giản hơn với ít amino acid hơn, mà sau này đã tiến hóa để mã hóa một bộ amino acid lớn hơn. Điều này cũng có thể phản ánh tính chất hóa học và không gian tác động khác đến codon trong quá trình tiến hóa của amino acid ấy. Những amino acid có tính chất vật lý tương tự cũng có xu hướng chứa các codon tương tự, làm giảm các vấn đề mà đột biến điểm và dịch mã sai gây ra.
Bằng giản đồ mã hóa bộ ba di truyền không ngẫu nhiên, một giả thuyết chấp nhận được về nguồn gốc của mã di truyền có thể giải quyết nhiều khía cạnh của bảng codon, chẳng hạn như vắng các codon cho acid D-amino, mẫu codon thứ cấp cho một số amino acid, sự hạn chế các vị trí tương đồng tới vị trí thứ ba, bộ mã nhỏ chỉ có 20 amino acid (thay vì một số bộ có gần 64 amino acid) và mối quan hệ của các mẫu mã kết thúc với các mẫu mã hóa amino acid.
Có ba giả thuyết chính nhắc đến nguồn gốc của mã di truyền. Nhiều mô hình thuộc về một trong số chúng hoặc kết hợp nhiều giả thuyết:
Đóng băng ngẫu nhiên (Random freeze): mã di truyền được tạo ra ngẫu nhiên. Ví dụ, những ribozym kiểu tRNA ban đầu có thể mang các ái lực khác nhau đối với amino acid; các codon xuất hiện từ một phần khác của ribozyme thể hiện tính biến đổi ngẫu nhiên. Khi đã mã hóa đủ peptide, bất kỳ biến đổi ngẫu nhiên lớn nào trong mã di truyền đều có thể gây chết người; do đó nó trở thành "đóng băng" (frozen).
Ái lực hóa lập thể (Stereochemical affinity): mã di truyền là kết quả của ái lực cao giữa mỗi amion acid và codon hoặc cụm đối mã của nó; lựa chọn của cụm đối mã ngụ ý rằng những phân tử tiền tRNA khớp với các amino acid tương ứng của chúng bằng ái lực này. Sau đó trong quá trình tiến hóa, sự tương thích này dần bị thay thế bằng sự tương hợp của synthetase aminoacyl-tRNA.
Tính tối ưu (Optimality): mã di truyền tiếp tục tiến hóa sau lần tạo đầu tiên, vì thế mã hiện tại tối đa hóa một vài chức năng thích ứng, thường là một số loại giảm thiểu lỗi.
Các giả thuyết đã xử lý nhiều tình huống khác nhau:
Những nguyên tắc hóa học chi phối tương tác cụ thể của RNA với amino acid. Những thí nghiệm với aptamer cho thấy rằng một vài amino acid sở hữu ái lực hóa chọn lọc đối với codon của chúng. Các thí nghiệm cho thấy rằng trong số 8 amino acid được thử nghiệm, 6 amino acid thể hiện sự liên kết giữa bộ ba amino acid của RNA.
Mở rộng sinh tổng hợp. Mã di truyền phát triển từ một mã đơn giản hơn trước đây thông qua quá trình "mở rộng sinh tổng hợp". Sự sống nguyên thủy  "khám phá" ra những amino acid mới (ví dụ như các sản phẩm phụ của trao đổi chất) và rồi kết hợp một vài trong số này vào bộ máy mã hóa di truyền. Mặc dù nhiều bằng chứng gián tiếp đã được tìm thấy cho thấy rằng trước đây ít loại amino acid được sử dụng hơn, những giả thuyết chính xác và chi tiết về amino acid nào được đưa nhập mã theo thứ tự ra sao đang gây tranh cãi. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho rằng Gly, Ala, Asp, Val, Ser, Pro, Glu, Leu, Thr có thể thuộc nhóm amino acid bổ sung đầu, trong khi Cys, Met, Tyr, Trp, His, Phe có thể thuộc nhóm thành nhóm amino acid bổ sung sau.
Chọn lọc tự nhiên đã dẫn đến phân chia codon của mã di truyền nhằm giảm thiểu tác động của đột biến. Một giả thuyết gần đây đề xuất rằng mã bộ ba bắt nguồn từ những mã sử dụng lâu hơn codon bộ ba (chẳng hạn như codon bộ bốn). Thời gian giải mã bộ ba dài hơn sẽ làm tăng dư thừa codon và có khả năng kháng lỗi cao hơn. Tính năng này có thể cho phép giải mã chính xác khi không có bộ máy dịch mã phức tạp như ribosome, chẳng hạn như trước khi tế bào bắt đầu tạo ra ribosome.
Kênh thông tin: Lý thuyết thông tin tiếp cận mô hình hóa quá trình dịch mã di truyền thành các amino acid tương ứng như một kênh thông tin dễ gây lỗi. Tiếng ồn vốn có (tức là lỗi) trong kênh đặt ra cho sinh vật một câu hỏi cơ bản: làm thế nào mà một mã di truyền có thể được xây dựng để chống tiếng ồn, mà vẫn dịch thông tin chính xác và hiệu quả? Những mô hình "biến dạng tỷ lệ" này cho rằng mã di truyền bắt nguồn từ tương tác của ba lực tiến hóa xung đột: nhu cầu amino acid đa dạng,  khả năng chịu lỗi và phí nguồn sống tối thiểu. Mã xuất hiện tại một đồng hoán khi xây dựng bản đồ codon thành amino acid không hề ngẫu nhiên. Sự xuất hiện của mã mà tô pô chi phối được xác định bởi những lỗi có thể xảy ra và liên quan đến vấn đề tô màu bản đồ.
Lý thuyết trò chơi: Những mô hình dựa trên trò chơi ra tín hiệu kết hợp các yếu tố của lý thuyết trò chơi, chọn lọc tự nhiên và kênh thông tin. Những mô hình như vậy đã được sử dụng để đề xuất rằng các polypeptide đầu tiên dường như ngắn và không có chức năng enzym. Những mô hình thuyết trò chơi cho rằng việc tổ chức các chuỗi RNA vào tế bào có thể là cần thiết để ngăn chặn sử dụng mã di truyền "lừa bịp", tức là ngăn chặn các loại virus tương đương cổ đại lấn át thế giới RNA.
Mã kết thúc: Những cụm dịch mã kết thúc cũng là một khía cạnh thú vị đối với vấn đề nguồn gốc của mã di truyền. Dưới dạng ví dụ để giải quyết tiến hóa của mã kết thúc, các nhà khoa học Cho rằng codon kết thúc như vậy để cho chúng có nhiều khả năng kết thúc dịch mã sớm trong trường hợp xảy ra lỗi dịch khung. Ngược lại, một số mô hình phân tử hóa lập thể giải thích nguồn gốc của các mã kết thúc là "không gắn được".