Selama beberapa dekade, ahli biologi, ahli kimia dan bahkan ahli matematika telah bekerja pada masalah asal mula kehidupan. Dan meskipun hipotesis evolusi kimiawi yang dibuktikan secara ilmiah telah dibuktikan dan didukung sebelum munculnya sel pertama, pekerjaan ke arah ini terus berlanjut. "Lenta.ru" berbicara tentang sebuah studi baru tentang masalah dunia RNA, yang hasilnya dipublikasikan dalam jurnal Proceedings of National Academy of Sciences.
Ilmuwan di Universitas Negeri Portland, yang melakukan eksperimen pada ribozim, menemukan bahwa kemampuan molekul-molekul ini untuk mengkatalisasi perakitannya sendiri bergantung pada interaksinya dengan molekul serupa lainnya. Penelitian tersebut secara tidak langsung mendukung hipotesis dunia RNA, yang menyatakan bahwa molekul organik pertama yang menjadi basis sel pertama adalah RNA. Molekul RNA ini mampu mensintesis sendiri, bersaing satu sama lain, dan berpartisipasi dalam evolusi prebiotik, ketika senyawa yang paling berhasil menjadi dasar kompleks kimia yang lebih kompleks.
Banyak orang tahu bahwa sel hidup memiliki katalis khusus: enzim, yang merupakan molekul protein terlipat kompleks yang melakukan reaksi vital. Namun, enzim tidak hanya dapat menjadi protein, tetapi juga rantai RNA. Ingatlah bahwa RNA adalah asam nukleat yang sangat mirip dengan DNA, tetapi berbeda darinya karena RNA mengandung gula ribosa (bukan deoksiribosa), dan salah satu basa nitrogen, timin, digantikan oleh urasil. Menurut para ilmuwan, RNA muncul sebelum DNA, karena jauh lebih labil (strukturnya lebih rentan terhadap perubahan) dan dapat melakukan reaksi katalitik tanpa bantuan protein. Molekul RNA yang merupakan enzim disebut ribozim. Biasanya, ribozim mengkatalisasi pembelahan dirinya sendiri atau molekul RNA lainnya.
Salah satu ribozim yang paling banyak dipelajari adalah Azo, enzim yang dibuat oleh para ilmuwan dari intron Grup I yang memotong sendiri yang ditemukan dalam DNA bakteri Azoarcus. Intron adalah daerah gen yang tidak mengandung informasi tentang urutan protein atau asam nukleat, dan dieksisi selama pematangan messenger RNA (mRNA). Semua intron kelompok I mengkatalisasi eksisi mereka sendiri dari urutan RNA. Ribozim intron Azo yang menarik bagi para ilmuwan terletak pada gen yang mengkode RNA transpor (tRNA) yang membawa asam amino isoleusin. Di dalam sel, Azo, seperti ribozim lainnya, melakukan eksisinya sendiri dari tRNA, tetapi dalam kondisi laboratorium ia dapat belajar melakukan penyambungan terbalik: ribozim memotong di tempat tertentu substrat - molekul RNA pendek dengan urutan nukleotida tertentu,potongan-potongan yang tetap melekat pada Azo.
Struktur ribozim dari bakteri Azoarcus. Fragmen IGS ditandai dengan warna merah
Gambar: Jessica AM Yeates dkk. Departemen Kimia, Universitas Negeri Portland
Azo memiliki panjang sekitar 200 nukleotida dan dapat terurai menjadi dua, tiga, atau empat fragmen yang secara spontan berkumpul pada suhu 42 derajat Celcius dengan adanya larutan MgCl2. Proses perakitan sendiri dimulai dengan interaksi antara dua triplet nukleotida (triplet) yang termasuk dalam fragmen RNA berbeda. Ketika ikatan hidrogen terbentuk antara triplet menurut prinsip saling melengkapi, bagian-bagian ribozim mengubah struktur spasialnya dan bersatu kembali satu sama lain. Para ilmuwan berfokus pada reaksi perakitan sendiri dari dua fragmen, yang secara tentatif dinamai WXY dan Z, di mana W, X, Y dan Z mewakili daerah terpisah dari ribozim dengan panjang kira-kira 50 nukleotida (Gbr. 1). Di situs W, di ujung depan molekul RNA, salah satu triplet berada,yang terlibat dalam inisiasi perakitan mandiri dan disebut "urutan panduan internal" (IGS). Di akhir WXY, terdapat triplet tag, yang berinteraksi dengan IGS, membentuk ikatan kovalen yang kuat dengan fragmen Z.
Video promosi:
Para peneliti menciptakan varian berbeda (genotipe) dari fragmen WXY dengan mengubah nukleotida yang terletak di tengah IGS dan triplet tag (nukleotida M dan N, masing-masing). Karena molekul RNA biasanya hanya dibentuk oleh empat jenis nukleotida, terdapat 16 varian seperti itu. Misalnya, salah satu genotipe mungkin 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', dan yang lainnya 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Semua varian molekul ini dapat bersaing satu sama lain, membentuk berbagai jaringan metabolik, di mana sumber daya bersama - molekul Z - diperlukan untuk memulihkan seluruh ribozim.
Reaksi antar fragmen yang berbeda dari ribozim Azo untuk membentuk molekul yang utuh
Gambar: Jessica AM Yeates dkk. Departemen Kimia, Universitas Negeri Portland.
Dalam percobaan mereka, para ilmuwan pertama-tama menguji kemampuan setiap genotipe untuk berkumpul sendiri secara terpisah. Ketika M dan N membentuk pasangan Watson-Crick (yaitu, menurut prinsip komplementaritas, A - U, C - G), laju perakitan-diri ribozim menjadi lebih tinggi daripada jenis pasangan lainnya. Para peneliti kemudian mensimulasikan lingkungan "kolam kecil" yang hangat di mana berbagai molekul prebiotik berinteraksi satu sama lain untuk mendapatkan manfaat dari satu sama lain dan mempercepat pengaturan diri. Ahli biokimia mengikuti perilaku genotipe yang dipasangkan satu sama lain; secara total, para ilmuwan telah mempelajari 120 pasang, yang terdiri dari dua varian WXY yang berbeda. Mereka mengukur laju setiap reaksi yang terjadi antara molekul dari dua genotipe WXY dan fragmen Z di dalam tabung terpisah selama 30 menit.
Interaksi antar urutan fragmen ribozim yang berbeda menggunakan ikatan hidrogen
Gambar: Jessica AM Yeates dkk. Departemen Kimia, Universitas Negeri Portland
Dengan menggabungkan hasil dari kedua tahap percobaan dan memperoleh tingkat perakitan sendiri ketika dua genotipe berbeda berinteraksi, para peneliti membuat percobaan evolusioner. Pasangan genotipe dicampur dalam proporsi yang sama, dilengkapi dengan fragmen Z dan bereaksi satu sama lain selama lima menit. Selama waktu ini, para ilmuwan mengambil sampel 10 persen dari larutan ke dalam tabung reaksi baru, yang berisi lebih banyak WXY yang tidak bereaksi dari setiap genotipe dan fragmen Z. Para ilmuwan melacak rasio setiap genotipe WXYZ selama delapan transfer semacam itu. Hal ini memungkinkan untuk memperkirakan ekuivalen kimiawi dari keberhasilan evolusi ribozim dari generasi ke generasi, yang diamati sebagai "ledakan" - yaitu, peningkatan yang kuat dalam laju perakitan sendiri RNA. Dalam eksperimen evolusioner, ahli biologi mempelajari interaksi tujuh pasang ribozim.
Berdasarkan semua eksperimen laboratorium, para ilmuwan telah memperoleh model matematika persamaan diferensial yang memperhitungkan laju perakitan mandiri genotipe dengan atau tanpa kehadiran genotipe lain. Model ini menjadi dasar bagi teori permainan evolusi baru, yang mendefinisikan beberapa perilaku molekul RNA. Dalam satu kasus, yang disebut "Dominasi", salah satu genotipe selalu lebih umum daripada yang lain, sementara kecepatan perakitan sendiri selalu melebihi kecepatan pesaing. Dalam kasus lain - "Kerjasama" - kedua genotipe yang berinteraksi satu sama lain menerima manfaat dari "kerja sama", dan kecepatan perakitan-diri mereka melebihi kecepatan yang mereka miliki secara terpisah satu sama lain. "Skenario Egois" - kebalikan dari "Kerjasama" - berarti bahwa setiap ribozim menerima lebih banyak daripada saat berinteraksi dengan orang lain. Dan akhirnyadalam "Counter-dominance", genotipe dengan tingkat perakitan mandiri yang rendah tiba-tiba mulai muncul lebih sering daripada pesaingnya.
Studi ini tidak ditujukan untuk secara langsung membuktikan hipotesis dunia RNA, tetapi mewakili bagian lain dalam teka-teki pemahaman ilmiah tentang evolusi prebiotik. Ini ditunjukkan untuk pertama kalinya bahwa sifat enzimatik dari masing-masing molekul dapat ditingkatkan dengan adanya molekul lain yang berbeda hanya dengan satu atau dua nukleotida. Dalam larutan raksasa yang merupakan samudra di bumi pada awal kehidupan, molekul-molekul ini bersaing satu sama lain untuk mendapatkan substrat, bekerja sama, dan meningkatkan aksinya. Atas dasar ini, sudah dapat diasumsikan mengapa senyawa organik kompleks berusaha untuk bersatu menjadi sistem yang merupakan prototipe sel pertama.
Alexander Enikeev
