Rekonstruksi Asal-usul Kehidupan

Perbesar

Ilustrasi Janin. dailymail.co.uk

Baca berita dengan sedikit iklan, klik di sini

Poin penting

Kehidupan didasarkan pada jaringan interaksi kompleks.
Di dalam tubuh, satu proses mendasar diulangi berkali-kali setiap hari.
tRNA adalah salah satu molekul paling kuno di biosfer.

Perubahan dalam molekul transfer RNA (tRNA) memungkinkan terjadinya replikasi informasi secara eksponensial. Demikian kesimpulan penelitian oleh para ilmuwan di Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) Munich, Jerman. tRNA adalah elemen kunci dalam evolusi bentuk kehidupan awal.

Baca berita dengan sedikit iklan, klik di sini

Kehidupan didasarkan pada jaringan interaksi kompleks, yang berlangsung pada skala mikroskopis dalam sel biologis dan melibatkan ribuan spesies molekuler berbeda. Di dalam tubuh, satu proses mendasar diulangi berkali-kali setiap hari.

Baca berita dengan sedikit iklan, klik di sini

Dalam proses yang dikenal sebagai replikasi, protein menggandakan informasi genetik yang dikodekan dalam molekul DNA dan disimpan dalam inti sel—sebelum mendistribusikannya secara merata ke dua sel berbeda selama pembelahan sel.

Informasi tersebut kemudian secara selektif disalin atau “ditranskripsikan” ke dalam apa yang disebut sebagai molekul messenger RNA (mRNA). Molekul ini mengarahkan sintesis berbagai protein yang dibutuhkan oleh jenis sel yang bersangkutan.

Jenis RNA kedua—transfer RNA (tRNA)—memainkan peran sentral dalam menerjemahkan mRNA menjadi protein. Transfer RNA bertindak sebagai perantara antara mRNA dan protein: mereka memastikan bahwa subunit asam amino yang terdiri atas masing-masing protein disatukan dalam urutan yang ditentukan oleh mRNA yang sesuai.

Bagaimana interaksi yang begitu kompleks antara replikasi DNA dan terjemahan mRNA menjadi protein muncul ketika sistem kehidupan pertama kali berevolusi di awal bumi? Contoh klasik yang pas adalah ayam dan telur: Protein diperlukan untuk transkripsi informasi genetik, tapi sintesisnya bergantung pada transkripsi.

Tim LMU yang dipimpin Dieter Braun mendemonstrasikan bagaimana teka-teki ini dapat diselesaikan. Mereka menunjukkan bahwa modifikasi kecil dalam struktur molekul tRNA memungkinkan mereka berinteraksi secara mandiri untuk membentuk semacam modul replikasi, yang mampu mereplikasi informasi secara eksponensial.

Transfer RNA (tRNA) adalah elemen kunci dalam evolusi bentuk kehidupan awal. Perubahan dalam molekul transfer-RNA (tRNA) memungkinkan terjadinya replikasi informasi secara eksponensial. tRNA merupakan salah satu molekul paling kuno di biosfer.

Temuan ini menyiratkan bahwa tRNA juga bisa menjadi penghubung penting antara replikasi dan terjemahan dalam sistem kehidupan paling awal. Karena itu, ia dapat memberikan solusi yang tepat untuk pertanyaan mana yang lebih dulu: informasi genetik atau protein?

Menariknya, dalam hal urutan dan struktur keseluruhannya, tRNA sangat terkonservasi di ketiga domain kehidupan, yaitu archaea dan bakteri uniseluler (yang tidak memiliki inti sel) serta eukariota (organisme yang selnya mengandung nukleus sejati). Fakta ini menunjukkan bahwa tRNA merupakan salah satu molekul paling kuno di biosfer.

Seperti langkah-langkah selanjutnya dalam evolusi kehidupan, evolusi replikasi dan terjemahan—serta hubungan kompleks di antara mereka—bukanlah hasil dari satu langkah tiba-tiba. Lebih baik dipahami sebagai puncak dari perjalanan evolusi.

“Fenomena mendasar, seperti replikasi diri, autokatalisis, pengorganisasian diri, dan kompartementalisasi, cenderung memainkan peran penting dalam perkembangan ini,” kata Dieter Braun.

Dalam eksperimen mereka, Braun dan rekannya menggunakan satu set untai DNA yang saling melengkapi, yang dimodelkan pada bentuk karakteristik tRNA modern. Masing-masing terdiri atas dua “jepit rambut” (disebut demikian karena setiap untai dapat berpasangan sebagian dengan dirinya sendiri dan membentuk struktur lingkaran memanjang), dipisahkan oleh urutan informasional di tengah.

Delapan untai tersebut dapat berinteraksi melalui pasangan basa komplementer untuk membentuk kompleks. Bergantung pada pola pemasangan yang ditentukan oleh wilayah informasi pusat, kompleks ini dapat menyandikan kode biner 4 digit.

Setiap percobaan dimulai dengan template struktur informasi yang terdiri atas dua jenis urutan informasional pusat yang menentukan urutan biner. Urutan ini menentukan bentuk molekul komplementer yang dapat berinteraksi dalam kumpulan untaian yang tersedia.

Para peneliti kemudian menunjukkan bahwa struktur biner templated dapat berulang kali disalin, yaitu diperkuat, dengan menerapkan urutan fluktuasi suhu yang berulang antara hangat dan dingin.

“Karena itu, dapat dibayangkan bahwa mekanisme replikasi seperti itu dapat terjadi pada sistem mikro hidrotermal di awal bumi,” kata Braun.

Secara khusus, larutan encer yang terperangkap dalam batuan berpori di dasar laut akan menyediakan lingkungan yang menguntungkan untuk siklus reaksi tersebut karena osilasi suhu alami, yang dihasilkan oleh arus konveksi, diketahui terjadi dalam pengaturan tersebut.

Selama proses penyalinan, untaian komplementer (diambil dari kumpulan molekul) berpasangan dengan segmen informasi dari untai template. Seiring dengan berjalannya waktu, jepit rambut yang berdekatan dari untaian ini juga berpasangan untuk membentuk tulang punggung yang stabil, dan osilasi suhu terus mendorong proses amplifikasi.

Jika suhu dinaikkan untuk waktu singkat, untaian cetakan dipisahkan dari ulangan yang baru terbentuk. Keduanya kemudian dapat berfungsi sebagai untai cetakan pada putaran pengulangan berikutnya.

Tim menunjukkan bahwa sistem mampu mereplikasi secara eksponensial. Temuan ini penting karena mereka dapat menunjukkan bahwa mekanisme replikasi terutama tahan terhadap kegagalan akibat akumulasi kesalahan.

Fakta bahwa struktur kompleks replikator itu menyerupai tRNA menunjukkan bahwa bentuk awal tRNA dapat terlibat dalam proses replikasi molekuler, sebelum molekul tRNA mengambil peran dalam penerjemahan urutan RNA pembawa pesan menjadi protein.

“Hubungan antara replikasi dan terjemahan dalam evolusi awal dapat memberikan solusi untuk masalah ayam dan telur,” kata Braun. Hal itu juga bisa menjelaskan bentuk karakteristik proto-tRNA dan menjelaskan peran tRNA sebelum mereka dikooptasi untuk digunakan dalam terjemahan.

Penelitian laboratorium tentang asal-usul kehidupan dan munculnya evolusi Darwin pada tingkat polimer kimia juga memiliki implikasi bagi masa depan bioteknologi. “Penyelidikan kami terhadap bentuk awal replikasi molekuler serta penemuan kami tentang hubungan antara replikasi dan terjemahan membawa kami selangkah lebih dekat ke rekonstruksi asal-usul kehidupan,” Braun menyimpulkan.