Bagaimana kehidupan berhasil mengumpulkan berjuta bagian? Paling tidak, bentuk kehidupan pertama di Bumi membutuhkan cara untuk menyimpan dan mereproduksi informasi. Hanya dengan begitu mereka dapat membuat salinan diri mereka sendiri dan menyebar ke seluruh dunia. Mungkin kimia memainkan peran yang jauh lebih penting dalam asal mula kehidupan daripada yang diperkirakan sebelumnya.
Salah satu hipotesis yang paling berpengaruh adalah bahwa semuanya dimulai dengan RNA, molekul yang secara bersamaan dapat merekam catatan genetik dan memicu reaksi kimia. Hipotesis "dunia RNA" memanifestasikan dirinya dalam berbagai bentuk, tetapi menurut yang paling tradisional, kehidupan dimulai dengan pembentukan molekul RNA yang mampu mereproduksi dirinya sendiri. Keturunannya mengembangkan kemampuan untuk melakukan banyak tugas seperti membuat senyawa baru dan menyimpan energi. Seiring waktu, kehidupan yang sulit mengikutinya.
Namun, para ilmuwan telah menemukan bahwa RNA yang menggandakan diri secara mengejutkan sulit dibuat di laboratorium. Mereka telah berhasil, tetapi kandidat molekul yang dibuat hingga saat ini hanya dapat mereproduksi RNA dengan urutan atau panjang tertentu. Selain itu, molekul RNA ini sendiri cukup kompleks, yang menimbulkan pertanyaan tentang bagaimana mereka bisa dibentuk oleh suatu kebetulan kimiawi.
Nick Hud, seorang ahli kimia di Institut Teknologi Georgia, dan rekan-rekannya memutuskan untuk melampaui biologi dan mempelajari kemungkinan peran kimia dalam asal mula kehidupan. Mungkin, sebelum kemunculan biologi, ada tahap awal proto-kehidupan, di mana hanya proses kimiawi yang menciptakan "prasmanan" molekul mirip RNA dan RNA. “Saya pikir ada beberapa langkah yang mengarah pada sistem swadaya yang mereplikasi diri,” kata Hud.
Dalam skenario ini, berbagai molekul mirip RNA dapat terbentuk secara spontan, membantu kimia kaldu untuk secara bersamaan menemukan banyak detail yang diperlukan untuk perkembangan kehidupan. Bentuk proto-kehidupan bereksperimen dengan rekayasa molekuler primitif, memisahkannya sepotong demi sepotong. Seluruh sistem bekerja seperti raksasa. Hanya ketika sistem seperti itu ditetapkan, RNA yang mereplikasi diri muncul.
Inti dari proposal Hud adalah cara kimiawi untuk menciptakan keragaman proto-kehidupan yang begitu kaya. Simulasi komputer menunjukkan bahwa kondisi kimia tertentu dapat menghasilkan kumpulan molekul mirip RNA yang beragam. Tim saat ini sedang menguji ide ini dengan molekul nyata di laboratorium dan berharap dapat segera mempresentasikan hasilnya.
Kelompok Hud membuka jalan bagi sejumlah peneliti yang menantang hipotesis tradisional dunia RNA dan ketergantungannya pada evolusi biologis, bukan kimiawi. Dalam model tradisional, rekayasa molekuler baru dibuat dengan menggunakan katalis biologis - enzim - seperti halnya sel modern. Selama tahap proto-kehidupan Hud, berjuta molekul RNA atau RNA dapat dibentuk dan diubah menggunakan cara kimiawi murni. "Evolusi kimia bisa membantu memulai kehidupan tanpa enzim," kata Hud.
Video promosi:
Hud dan rekan-rekannya memutuskan untuk melangkah lebih jauh dan berasumsi bahwa ribosom, satu-satunya bagian dari rekayasa biologi yang ada pada semua makhluk hidup saat ini, sepenuhnya berasal dari kimia saja. Ini adalah cara pandang yang tidak biasa, karena banyak yang percaya bahwa ribosom dilahirkan oleh biologi.
Jika tim Hud dapat menciptakan bentuk proto-kehidupan dalam kondisi yang mungkin pernah ada di Bumi awal, dapat diasumsikan bahwa evolusi kimia mungkin telah memainkan peran yang jauh lebih signifikan dalam asal mula kehidupan daripada yang diharapkan para ilmuwan. "Evolusi Darwin mungkin telah didahului oleh bentuk evolusi yang lebih sederhana," kata Niels Lehman, ahli biokimia di Universitas Portland di Oregon.
Dunia pra-Darwinian
Ketika sebagian besar berpikir tentang evolusi, evolusi Darwinian muncul di benak, di mana organisme bersaing satu sama lain untuk mendapatkan sumber daya yang terbatas dan meneruskan informasi genetik kepada keturunannya. Setiap generasi mengalami koreksi genetik, dan keturunan yang paling sukses bertahan untuk meneruskan gen mereka. Cara evolusi ini berlaku dalam kehidupan modern.
Karl Woese, ahli biologi terkenal yang memberi kita pohon kehidupan modern, percaya bahwa era Darwin didahului oleh tahap awal kehidupan, yang diatur oleh kekuatan evolusi yang sama sekali berbeda. Woese percaya bahwa hampir tidak mungkin satu sel mendapatkan semua yang dibutuhkannya untuk hidup. Oleh karena itu, dia membayangkan beragam molekul yang terlibat dalam keberadaan komunal. Alih-alih bersaing satu sama lain, sel primitif berbagi inovasi molekuler. Kaldu pra-Darwinian ini menciptakan bahan-bahan yang dibutuhkan untuk kehidupan yang kompleks, membuka jalan bagi kebun binatang luar biasa yang kita lihat di Bumi saat ini.
Model Hud membawa visi waktu pra-Darwinian Woese lebih jauh ke masa lalu, menyediakan sel-sel primitif dengan sarana kimiawi untuk menciptakan keragaman molekuler. Salah satu bentuk proto-kehidupan dapat menemukan cara untuk menciptakan blok-blok yang diperlukannya untuk menciptakan dirinya sendiri, yang lain dapat menemukan cara untuk mendapatkan energi. Model ini berbeda dari hipotesis tradisional dunia RNA dalam ketergantungannya pada kimiawi daripada evolusi biologis.
Dalam dunia RNA, molekul RNA pertama mereproduksi dirinya sendiri menggunakan ribozim enzim bawaan, yang terdiri dari RNA. Dalam dunia proto-kehidupan Hud, tugas ini dilakukan secara eksklusif dengan metode kimiawi. Cerita dimulai dengan sup kimiawi dari molekul mirip RNA. Sebagian besar pendek, karena rantai pendek kemungkinan besar akan terbentuk secara spontan, tetapi bisa juga ada molekul yang lebih panjang dan kompleks. Model Hud menggambarkan berapa lama molekul dapat direproduksi tanpa bantuan enzim.
Hud percaya bahwa di dunia prebiotik, kaldu RNA primer mengalami siklus pemanasan dan pendinginan yang teratur dan menjadi kental dan kental. Panas memisahkan pasangan RNA terikat, dan larutan kental membuat molekul terpisah untuk sementara waktu. Sedangkan segmen kecil RNA, panjangnya hanya beberapa karakter, melekat pada setiap untai panjang. Segmen kecil ini secara bertahap dijahit bersama, membentuk untai RNA baru yang sesuai dengan untaian panjang asli. Kemudian siklus itu dimulai lagi.
Jalur kimia replikasi RNA
Seiring waktu, saat kaldu berbagai molekul mirip RNA berkembang dan tumbuh, beberapa di antaranya memperoleh fungsi sederhana seperti metabolisme. Demikian pula, reaksi kimia murni dapat menghasilkan keragaman molekuler untuk menciptakan keragaman proto-kehidupan Woese pra-Darwin.
Kelompok Hud telah berhasil menyelesaikan tahap awal proses reproduksi di laboratorium, meskipun mereka belum belajar cara merekatkan ruas-ruas pendek tanpa menggunakan alat biologis. Jika mereka bisa mengatasi kendala ini, mereka akan menciptakan cara universal untuk mereproduksi RNA.
Namun, beberapa ilmuwan meragukan bahwa reproduksi yang dimediasi secara kimia akan cukup baik untuk mereproduksi dunia pra-Darwinian yang dijelaskan Hud. “Saya tidak tahu apakah saya mempercayainya,” kata Paul Higgs, ahli biofisik di McMaster University di Hamilton, Ontario, yang mempelajari asal usul kehidupan. "Semuanya harus terjadi dengan cepat dan cukup akurat untuk menciptakan konsistensi." Artinya, proses ini harus menghasilkan RNA baru lebih cepat daripada dihancurkan, dan cukup akurat untuk membuat salinan perkiraan dari molekul cetakan.
Perubahan kimiawi saja tidak cukup untuk mewujudkan kehidupan. Kaldu proto-life masih membutuhkan semacam seleksi yang akan memastikan bahwa molekul yang bermanfaat akan berkembang dan berkembang biak. Dalam model mereka, kelompok Hada menyarankan bahwa proto-enzim paling sederhana dapat muncul dan menyebar, yang mulai menguntungkan pencipta mereka dan masyarakat luas. Misalnya, molekul RNA yang menghasilkan lebih banyak blok penyusun menguntungkan dirinya dan tetangganya dengan menyediakan bahan mentah tambahan untuk reproduksi. Simulasi komputer yang dilakukan oleh kelompok Hud menunjukkan bahwa jenis molekul ini dapat berakar dengan baik. Orang yang memperkaya kaldu itu sangat bermanfaat.
Akar ribosom
Satu pandangan sekilas tentang dunia pra-Darwinian dapat dilihat di ribosom, bagian kuno dari mesin molekuler yang mendasari kode genetik kita. Ini adalah enzim yang menerjemahkan RNA, yang mengkode informasi genetik, menjadi protein yang melakukan banyak reaksi kimia di dalam sel kita.
Inti ribosom terdiri dari RNA. Ini membuat ribosom unik - sebagian besar enzim dalam sel kita terdiri dari protein. Baik inti ribosom maupun kode genetik adalah sama untuk semua makhluk hidup, yang menunjukkan keberadaan mereka pada awal evolusi kehidupan, bahkan mungkin sebelum ambang batas Darwinian dilintasi.
Hud dan rekannya Lauren Williams, juga dari Georgia Tech, menunjuk ribosom sebagai pendukung teori mereka tentang dunia yang didefinisikan secara kimiawi. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan tahun lalu, mereka membuat pernyataan kontroversial: inti ribosom diciptakan melalui evolusi kimia. Dan mereka juga menyarankan bahwa itu muncul bahkan sebelum munculnya molekul RNA yang menggandakan diri pertama. Inti ribosom mungkin merupakan eksperimen yang berhasil dalam evolusi kimia, kata mereka. Dan setelah berakar dalam kaldu pra-Darwinian, ia melewati ambang Darwinian dan menjadi bagian penting dari semua kehidupan.
Argumen mereka bergantung pada kesederhanaan relatif dari inti ribosom, yang secara resmi dikenal sebagai peptidyl transferase center (PTC). Tugas PTC adalah mengumpulkan asam amino, bahan penyusun protein. Tidak seperti enzim tradisional, yang mempercepat reaksi kimia menggunakan "trik kimia cerdas", enzim ini bekerja sebagai pengering. Dia membujuk dua asam amino untuk mengikat hanya dengan menghilangkan molekul air. "Ini cara yang buruk untuk mendorong reaksi," kata Lehman. "Enzim protein biasanya mengandalkan strategi kimiawi yang lebih kuat."
Lehman mencatat bahwa kesederhanaan mungkin mendahului kekuasaan pada tahap-tahap awal kehidupan. “Ketika Anda memikirkan tentang asal mula kehidupan, pertama-tama Anda perlu memikirkan tentang kimia sederhana; setiap proses kimia yang paling sederhana kemungkinan besar sudah kuno, katanya. "Saya pikir ini adalah argumen yang lebih menarik daripada fakta bahwa dia adalah bagian dari semua kehidupan."
Meskipun ada bukti kuat, masih sulit membayangkan bagaimana inti ribosom bisa tercipta sebagai hasil evolusi kimia. Enzim yang melakukan lebih banyak dari dirinya sendiri - seperti replikator RNA dalam hipotesis dunia RNA - secara otomatis membuat loop tertutup, terus meningkatkan produktivitasnya sendiri. Sebaliknya, inti ribosom tidak menghasilkan lebih banyak inti ribosom. Ini menghasilkan rantai asam amino acak. Tidak jelas bagaimana proses ini seharusnya merangsang produksi lebih banyak ribosom.
Hud dan rekan-rekannya berspekulasi bahwa RNA dan protein berkembang bersama-sama, dan siapa pun yang mengetahui cara bekerja sama selamat. Ide ini tidak memiliki kesederhanaan dunia RNA, yang mendalilkan keberadaan satu molekul yang mampu secara bersamaan menyandikan informasi dan mengkatalis reaksi kimia. Tetapi Hud percaya sebaliknya: kerumitanlah yang menambah keanggunan pada kemunculan kehidupan.
“Saya pikir selalu ada penekanan yang berlebihan pada kesederhanaan, bahwa satu polimer lebih baik daripada dua,” katanya. “Mungkin lebih mudah untuk mendapatkan reaksi spesifik jika dua polimer bekerja sama. Mungkin lebih mudah bagi polimer untuk bekerja sama sejak awal.”
Berdasarkan materi dari Majalah Quanta
