Ilmuwan dari Universitas Cambridge telah menerima bukti baru yang mendukung hipotesis dunia RNA. Ternyata rantai asam amino kecil, jika dikombinasikan dengan RNA, meningkatkan sifat katalitiknya, sehingga ketergantungannya pada ion toksik berkurang. Dan ini adalah syarat yang diperlukan untuk pembentukan sel pertama. "Lenta.ru" berbicara tentang karya yang dipublikasikan di jurnal Nature.
Menurut hipotesis dunia RNA, kehidupan muncul dari sistem biologis sederhana di mana tidak ada molekul DNA dan protein. Ini terdiri dari kompleks RNA yang mampu tidak hanya menyimpan informasi genetik, tetapi juga mengkatalis reaksi kimia (dalam hal ini, disebut ribozim). Dengan kata lain, mereka menggabungkan fungsi DNA dan enzim. Kemudian kombinasi RNA dengan peptida dan asam deoksiribonukleat menyebabkan munculnya organisme uniseluler. Namun, muncul pertanyaan: apa manfaat dari interaksi antara dunia RNA dan protein?
Ribozim, yang disebut RNA polimerase, dianggap menyusun sebagian besar dunia RNA. Mereka adalah replikator - objek yang mampu mereplikasi diri sendiri. Sumber daya untuk ini adalah nukleotida dalam kaldu primer. Pada awalnya, ribozim mengalami kesulitan untuk menyalin dirinya sendiri karena kemampuan katalitiknya tidak berkembang. Mereka melakukan kesalahan, yang mengakibatkan ribozim dengan mutasi. Perubahan ini dapat menghilangkan RNA polimerase dari kemampuan untuk mengkatalis; namun, dalam beberapa kasus, kualitas ini, sebaliknya, meningkat. Seiring waktu, ribozim berkembang biak lebih cepat dan lebih akurat, menjadi lebih banyak dan memenangkan persaingan untuk sumber daya.
Jadi, ribozim adalah genom utama, karena mereka menyimpan informasi genetik tentang urutannya sendiri. Kemudian, mereka dikemas dalam partikel yang dibentuk oleh membran lipid, yang mengarah pada pembentukan sel proto pertama. Ilmuwan mampu mensintesis analog RNA polimerase ribozim, yang mengkatalisis sintesis ribozim lain, atau bahkan menyalin urutan pendek ribonukleotida. Namun, masih tidak mungkin untuk mendapatkan replikator ribozim.
Ribosom Thermus thermophilus
Gambar: Domain Publik / Wikimedia
Ada masalah lain juga. Ribozim yang disintesis di laboratorium hanya aktif pada konsentrasi ion magnesium yang sangat tinggi, yang menghancurkan membran lipid. Ini berarti bahwa ada ketidakcocokan mendasar antara RNA polimerase ribonukleat dan proses pembentukan protosel.
Video promosi:
Situasi ini diselamatkan oleh fakta bahwa molekul RNA belum diisolasi dari banyak senyawa kimia lain, seperti peptida. Ribozim dapat bekerja sama dengan urutan asam amino, yang memengaruhi fungsinya. Hal ini juga didukung oleh fakta bahwa aktivitas ribozim seperti spliceosom (memotong intron dari RNA messenger yang matang), ribosom (berpartisipasi dalam sintesis protein) dan ribonuklease P (katalisator degradasi RNA) bergantung pada protein terkait. Penelitian telah menunjukkan bahwa protein tertentu yang mengikat ribozim menyebabkan perubahan pada struktur dan fungsi sekundernya. Jadi, dalam kasus ribonuklease P, protein dapat mengurangi konsentrasi ion magnesium yang diperlukan untuk aktivitasnya. Dengan pemikiran ini, para ilmuwan memutuskan untuk mencari tahu apakah peptida dapat mempengaruhi fungsi ribozim RNA polimerase dengan cara yang sama, mengurangi ketergantungannya pada magnesium.
Untuk menjawab pertanyaan ini, tidak perlu memilih protein apa pun, tetapi hanya protein yang pernah berinteraksi dengan ribozim dari dunia RNA. Ilmuwan beralih ke struktur ribosom, yang merupakan sejenis peninggalan molekuler. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ribosom dalam bentuk modernnya sudah ada di LUCA - nenek moyang yang sama dari semua bentuk kehidupan modern.
Struktur subunit ribosom Thermus thermophilus
Gambar: Philipp Holliger / Cambridge
Dalam struktur ribosom, yang dibentuk oleh protein, asam ribonukleat, dan ion, evolusinya dicatat. Dengan demikian, dasar subunit ribosom besar diperkaya dengan ion magnesium. Secara bertahap, itu ditumbuhi modul tambahan di mana ion digantikan oleh peptida. Menurut para ilmuwan, hubungan antara ribozim dan rantai asam amino mencerminkan sejarah evolusi dunia RNA dan transisinya ke dunia RNA-peptida. Itulah mengapa efek peptida dari ribosom, yang dianggap urutan protein paling kuno di Bumi, dianalisis.
Para peneliti mengidentifikasi beberapa peptida dari kedua subunit ribosom dari bakteri Thermus thermophilus, yang meningkatkan aktivitas ribozim RNA polimerase Z, yang mereplikasi molekul RNA.
Gambar mikroskop fluoresensi vesikula membran
Gambar: Laboratorium MRC Biologi Molekuler / Cambridge / Inggris
Namun, efek yang paling signifikan dimiliki oleh homopolimer lisin dekapeptida (K10), urutan asam amino dari sepuluh molekul lisin. Ini mendukung fungsi ribozim pada ion magnesium konsentrasi rendah, membentuk kompleks peptida-ribozim. Para ilmuwan telah menyatakan bahwa ini disebabkan oleh stabilisasi zat antara dalam siklus katalitik.
Untuk menguji apakah peptida ini dapat meningkatkan aktivitas ribozim di dalam kompartemen membran, para peneliti melakukan percobaan. Vesikel stabil diperoleh, yang terdiri dari fosfolipid dan diasilgliserol, di dalamnya RNA dienkapsulasi. Pada konsentrasi ion magnesium 10 milimol (aman untuk membran) dan dengan adanya K10, sintesis RNA yang dikatalisasi oleh ribozim diamati. Dengan tidak adanya magnesium, sintesis tidak terjadi.
Hal ini menunjukkan bahwa peptida memang memungkinkan ribozim untuk melakukan aktivitas katalitik pada ion toksik konsentrasi rendah. Akibatnya, ketergantungan RNA polimerase pada molekul anorganik menurun, yang memfasilitasi evolusinya dan, pada akhirnya, evolusi sel.
Alexander Enikeev
