- Bagian satu: Bagaimana membuat sel -
- Bagian dua: Perpecahan barisan ilmuwan -
- Bagian empat: energi proton -
- Bagian lima: jadi bagaimana Anda membuat sel? -
- Bagian Enam: Unifikasi Besar -
Jadi, setelah 1960-an, para ilmuwan yang mencoba memahami asal usul kehidupan terbagi dalam tiga kelompok. Beberapa dari mereka yakin bahwa kehidupan dimulai dengan pembentukan versi primitif sel biologis. Yang lain percaya sistem metabolisme adalah kunci langkah pertama, sementara yang lain berfokus pada pentingnya genetika dan replikasi. Kelompok terakhir ini mulai mencari tahu seperti apa bentuk replikator pertama, dengan asumsi itu dibuat dari RNA.
Sudah di tahun 1960-an, para ilmuwan memiliki alasan untuk percaya bahwa RNA adalah sumber semua kehidupan.
Secara khusus, RNA dapat melakukan sesuatu yang tidak dapat dilakukan oleh DNA. Ia adalah molekul beruntai tunggal, jadi tidak seperti DNA beruntai ganda yang kaku, ia dapat melipat dirinya sendiri menjadi sejumlah bentuk berbeda.
Mirip dengan origami, RNA lipat umumnya memiliki perilaku serupa dengan protein. Protein juga sebagian besar merupakan rantai panjang - hanya dari asam amino, bukan nukleotida - dan ini memungkinkan mereka untuk membuat struktur yang kompleks.
Ini adalah kunci dari kemampuan protein yang paling menakjubkan. Beberapa di antaranya dapat mempercepat, atau "mengkatalisasi," reaksi kimia. Protein semacam itu dikenal sebagai enzim.
Banyak enzim dapat ditemukan di usus Anda, di mana mereka memecah molekul kompleks dari makanan menjadi jenis gula sederhana yang dapat digunakan sel Anda. Tidak mungkin hidup tanpa enzim.
Leslie Orgel dan Frances Crick mulai mencurigai sesuatu. Jika RNA bisa melipat seperti protein, mungkinkah RNA bisa membentuk enzim? Jika ini benar, maka RNA bisa menjadi molekul hidup asli - dan universal, menyimpan informasi, seperti yang dilakukan DNA sekarang, dan mengkatalisasi reaksi, seperti yang dilakukan beberapa protein.
Itu ide yang bagus, tapi dalam sepuluh tahun belum ada bukti.
Video promosi:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech lahir dan besar di Iowa. Sebagai seorang anak, dia terpesona oleh bebatuan dan mineral. Dan sudah di sekolah menengah pertama, dia melihat ke universitas lokal dan mengetuk pintu ahli geologi dengan permintaan untuk menunjukkan model struktur mineral.
Namun, ia akhirnya menjadi ahli biokimia dan fokus pada RNA.
Pada awal 1980-an, Cech dan rekannya di Universitas Colorado di Boulder mempelajari organisme bersel tunggal Tetrahymena thermophila. Bagian dari mesin selulernya termasuk untaian RNA. Cech menemukan bahwa satu segmen RNA entah bagaimana terpisah dari yang lain, seolah-olah telah dipotong dengan gunting.
Ketika para ilmuwan menghilangkan semua enzim dan molekul lain yang dapat bertindak sebagai gunting molekuler, RNA terus disekresikan. Jadi mereka menemukan enzim RNA pertama: sepotong RNA pendek yang dapat memotong dirinya sendiri dari untaian panjang yang menjadi bagiannya.
Cech mempublikasikan hasil karyanya pada tahun 1982. Tahun berikutnya, sekelompok ilmuwan lain menemukan enzim RNA kedua, "ribozyme" (kependekan dari "ribonucleic acid" dan "enzyme", alias enzim). Penemuan dua enzim RNA satu demi satu menunjukkan bahwa pasti ada lebih banyak lagi. Maka gagasan untuk memulai hidup dengan RNA mulai terlihat kokoh.
Namun, nama ide ini diberikan oleh Walter Gilbert dari Universitas Harvard di Cambridge, Massachusetts. Sebagai seorang fisikawan dengan ketertarikan pada biologi molekuler, Gilbert juga menjadi salah satu pendukung awal pengurutan genom manusia.
Pada tahun 1986, Gilbert menulis di Nature bahwa kehidupan dimulai di "dunia RNA".
Tahap pertama evolusi, menurut Gilbert, terdiri dari "molekul RNA yang melakukan aktivitas katalitik yang diperlukan untuk merakit diri menjadi kaldu nukleotida." Dengan menyalin dan menempelkan bit-bit RNA yang berbeda bersama-sama, molekul RNA bahkan dapat membuat urutan yang lebih berguna. Akhirnya, mereka menemukan cara untuk membuat protein dan enzim protein yang terbukti sangat berguna sehingga sebagian besar menggantikan versi RNA dan meningkatkan kehidupan yang kita miliki.
RNA World adalah cara elegan untuk membangun kembali kehidupan yang kompleks dari awal. Daripada mengandalkan pembentukan lusinan molekul biologis secara simultan dari sup purba, molekul "satu untuk semua" bisa melakukan pekerjaan itu.
Pada tahun 2000, hipotesis dunia RNA menerima sejumlah besar bukti pendukung.
Ribosom membuat protein
Thomas Steitz menghabiskan 30 tahun mempelajari struktur molekul dalam sel hidup. Pada 1990-an, ia mengabdikan dirinya untuk tugas paling seriusnya: mencari tahu struktur ribosom.
Ada ribosom di setiap sel hidup. Molekul besar ini membaca instruksi dalam RNA dan mengatur asam amino untuk membuat protein. Ribosom di sel Anda telah membangun sebagian besar tubuh Anda.
Ribosom diketahui mengandung RNA. Tetapi pada tahun 2000, tim Steitz menghasilkan gambar rinci dari struktur ribosom, yang menunjukkan bahwa RNA adalah inti katalitik dari ribosom.
Ini penting karena ribosom pada dasarnya penting untuk kehidupan dan sangat kuno pada saat bersamaan. Fakta bahwa mesin penting ini dibangun di atas RNA membuat hipotesis dunia RNA semakin masuk akal.
Para pendukung "dunia RNA" menang, dan pada 2009 Steitz menerima bagian dari Hadiah Nobel. Namun sejak itu, para ilmuwan mulai ragu. Sejak awal, gagasan tentang "dunia RNA" memiliki dua masalah. Dapatkah RNA benar-benar menjalankan semua fungsi kehidupannya sendiri? Mungkinkah itu terbentuk di awal Bumi?
Sudah 30 tahun sejak Gilbert meletakkan dasar bagi "dunia RNA", dan kami masih belum menemukan bukti kuat bahwa RNA dapat melakukan semua yang dituntut oleh teori. Ini adalah molekul kecil yang terampil, tetapi mungkin tidak dapat melakukan semuanya.
Satu hal sudah jelas. Jika kehidupan dimulai dengan molekul RNA, RNA harus dapat menggandakan dirinya sendiri: ia harus menggandakan diri, menggandakan diri.
Tetapi tidak ada RNA yang diketahui dapat mereplikasi dirinya sendiri. Begitu juga DNA. Mereka membutuhkan satu batalyon enzim dan molekul lain untuk membuat salinan atau sepotong RNA atau DNA.
Oleh karena itu, pada akhir 1980-an, beberapa ilmuwan memulai pencarian yang sangat aneh. Mereka memutuskan untuk membuat RNA yang menggandakan diri sendiri.
Jack Shostak
Jack Shostak dari Harvard School of Medicine adalah salah satu yang pertama ambil bagian. Sebagai seorang anak, dia sangat terpesona dengan kimia sehingga dia memulai laboratorium di ruang bawah tanah rumahnya. Mengabaikan keselamatannya sendiri, dia bahkan pernah memicu ledakan, setelah itu tabung kaca tersangkut di langit-langit.
Pada awal 1980-an, Shostak membantu menunjukkan bagaimana gen melindungi diri dari proses penuaan. Studi yang agak awal ini akhirnya membuatnya mendapatkan hadiah Nobel. Namun, segera dia mengagumi enzim RNA Cech. “Saya pikir pekerjaan ini luar biasa,” katanya. "Pada prinsipnya, sangat mungkin bahwa RNA mengkatalisasi reproduksinya sendiri."
Pada tahun 1988, Cech menemukan enzim RNA yang dapat membangun 10 nukleotida molekul RNA pendek. Shostak memutuskan untuk memperbaiki penemuannya dengan memproduksi enzim RNA baru di laboratorium. Timnya membuat serangkaian urutan acak dan diuji untuk melihat apakah ada yang memiliki kemampuan katalitik. Kemudian mereka mengambil urutan itu, mengerjakannya ulang, dan mengujinya lagi.
Setelah 10 putaran tindakan tersebut, Shostak menghasilkan enzim RNA yang mempercepat reaksi sebanyak tujuh juta kali. Dia menunjukkan bahwa enzim RNA bisa sangat kuat. Tetapi enzim mereka tidak dapat menyalin dirinya sendiri, bahkan tidak sedikit pun. Shostak berada di jalan buntu.
Mungkin hidup tidak dimulai dengan RNA
Langkah besar berikutnya diambil pada tahun 2001 oleh mantan mahasiswa Shostak David Bartel dari Massachusetts Institute of Technology di Cambridge. Bartel membuat enzim R18 RNA yang dapat menambahkan nukleotida baru ke untai RNA berdasarkan template yang ada. Dengan kata lain, dia tidak menambahkan nukleotida acak: dia menyalin urutannya dengan benar.
Meskipun itu belum menjadi pengganda diri, tetapi sudah sesuatu yang serupa. R18 terdiri dari rantai 189 nukleotida dan secara andal dapat menambahkan 11 nukleotida ke rantai: 6% dari panjangnya sendiri. Diharapkan bahwa beberapa perubahan akan memungkinkannya membangun 189 rantai nukleotida - seperti dirinya sendiri.
Hal terbaik dilakukan oleh Philip Holliger pada tahun 2011 dari Laboratorium Biologi Molekuler di Cambridge. Timnya menciptakan R18 yang dimodifikasi yang disebut tC19Z yang menyalin urutan hingga 95 nukleotida. Itu 48% dari panjangnya sendiri: lebih dari R18, tetapi jauh dari 100%.
Pendekatan alternatif diusulkan oleh Gerald Joyce dan Tracy Lincoln dari Scripps Institute di La Jolla, California. Pada tahun 2009, mereka menciptakan enzim RNA yang bereplikasi secara tidak langsung. Enzim mereka menggabungkan dua bagian pendek RNA untuk membuat enzim kedua. Kemudian menggabungkan dua bagian RNA lainnya untuk menciptakan kembali enzim asli.
Mengingat ketersediaan bahan baku, siklus sederhana ini dapat dilanjutkan tanpa batas waktu. Tetapi enzim hanya bekerja ketika mereka diberi untaian RNA yang benar, yang harus dilakukan oleh Joyce dan Lincoln.
Bagi banyak ilmuwan yang skeptis terhadap "dunia RNA", kurangnya RNA yang mereplikasi diri adalah masalah fatal dengan hipotesis ini. RNA, tampaknya, tidak bisa mengambil dan memulai kehidupan.
Masalahnya juga diperparah dengan kegagalan ahli kimia membuat RNA dari awal. Ini akan tampak seperti molekul sederhana dibandingkan dengan DNA, tetapi sangat sulit untuk membuatnya.
Masalahnya terletak pada gula dan basa yang menyusun setiap nukleotida. Anda dapat melakukannya secara terpisah, tetapi mereka dengan keras kepala menolak untuk terlibat. Pada awal 1990-an, masalah ini menjadi jelas. Banyak ahli biologi menduga bahwa hipotesis "dunia RNA", terlepas dari semua daya tariknya, mungkin tidak sepenuhnya benar.
Sebaliknya, mungkin ada beberapa jenis molekul lain di awal Bumi: sesuatu yang lebih sederhana dari RNA, yang sebenarnya dapat mengambil dirinya sendiri dari sup purba dan mulai mereproduksi dirinya sendiri. Pertama mungkin ada molekul ini, yang kemudian mengarah ke RNA, DNA, dan seterusnya.
DNA hampir tidak mungkin terbentuk di awal Bumi
Pada tahun 1991, Peter Nielsen dari Universitas Kopenhagen di Denmark mengajukan calon replikator utama.
Itu pada dasarnya adalah versi DNA yang sangat dimodifikasi. Nielsen menyimpan basa yang sama - A, T, C, dan G - yang ditemukan dalam DNA - tetapi membuat tulang punggung dari molekul yang disebut poliamida, bukan dari gula, yang juga ada dalam DNA. Dia menamai molekul baru asam nukleat poliamida, atau PNA. Dengan cara yang tidak dapat dipahami, asam ini kemudian dikenal sebagai asam nukleat peptida.
PNA tidak pernah ditemukan di alam. Tapi itu berperilaku hampir seperti DNA. Untai PNA bahkan dapat menggantikan salah satu untai molekul DNA, dan basa dipasangkan seperti biasa. Selain itu, PNA dapat berputar menjadi heliks ganda, seperti DNA.
Stanley Miller tergugah. Sangat skeptis terhadap dunia RNA, dia menduga bahwa PNA adalah kandidat yang lebih mungkin untuk materi genetik pertama.
Pada tahun 2000, dia menghasilkan beberapa bukti kuat. Pada saat itu, dia sudah berusia 70 tahun dan menderita beberapa stroke yang membuatnya harus dirawat di panti jompo, tetapi dia tidak menyerah. Dia mengulangi eksperimen klasiknya, yang telah kita bahas di bab pertama, kali ini menggunakan metana, nitrogen, amonia, dan air - dan mendapatkan PNA basa poliamida.
Ini menunjukkan bahwa PNA, tidak seperti RNA, bisa saja terbentuk di Bumi awal.
Molekul asam nukleat Treose
Ahli kimia lain telah menemukan asam nukleat alternatif mereka sendiri.
Pada tahun 2000, Albert Eschenmoser membuat tiga asam nukleat (TNK). Itu DNA yang sama, tetapi dengan gula yang berbeda di dasarnya. Rantai TNC dapat membentuk heliks ganda, dan informasi disalin di kedua arah antara RNA dan TNK.
Selain itu, TNC dapat melipat menjadi bentuk kompleks dan bahkan mengikat protein. Ini mengisyaratkan bahwa TNK dapat bertindak sebagai enzim, seperti RNA.
Pada tahun 2005, Eric Megges membuat asam nukleat glikolat yang dapat membentuk struktur heliks.
Masing-masing asam nukleat alternatif ini memiliki pendukungnya sendiri. Tetapi tidak ada jejak dari mereka yang dapat ditemukan di alam, jadi jika kehidupan pertama benar-benar menggunakannya, pada titik tertentu ia harus sepenuhnya meninggalkannya demi RNA dan DNA. Ini mungkin benar, tetapi tidak ada bukti.
Akibatnya, pada pertengahan 2000-an, para pendukung dunia RNA menemukan diri mereka dalam kebingungan.
Di satu sisi, enzim RNA ada dan termasuk salah satu bagian terpenting dari rekayasa biologi, ribosom. Baik.
Tetapi RNA yang menggandakan diri tidak ditemukan dan tidak ada yang dapat memahami bagaimana RNA terbentuk dalam sup purba. Asam nukleat alternatif dapat memecahkan masalah terakhir, tetapi tidak ada bukti bahwa mereka ada di alam. Tidak begitu bagus.
Kesimpulan yang jelas adalah bahwa "dunia RNA", terlepas dari daya tariknya, ternyata hanyalah mitos.
Sementara itu, teori yang berbeda berangsur-angsur mendapatkan momentumnya sejak 1980-an. Para pendukungnya berpendapat bahwa kehidupan tidak dimulai dengan RNA, DNA, atau materi genetik lainnya. Sebaliknya, ini dimulai dengan mekanisme untuk memanfaatkan energi.
Hidup membutuhkan energi untuk tetap hidup
ILYA KHEL
- Bagian satu: Bagaimana membuat sel -
- Bagian dua: Perpecahan dalam jajaran ilmuwan -
- Bagian empat: energi proton -
- Bagian lima: jadi bagaimana Anda membuat sel? -
- Bagian Enam: Unifikasi Besar -
