Selama beberapa dekade, teori asal usul kehidupan dengan RNA dalam peran utama telah menempati posisi terdepan. Penelitian baru bisa mengguncang kepercayaan akan asal usul kehidupan berdasarkan teori ini.
Sebuah teori populer mengklaim bahwa kehidupan berasal dari sup kaya bahan kimia di mana RNA pertama kali mulai mereproduksi dirinya sendiri. Tetapi kombinasi peptida dan RNA mungkin lebih efektifEmpat miliar tahun yang lalu, berputar-putar di sup kimia prasejarah Bumi, prekursor molekul kehidupan pertama muncul. Meskipun definisi pasti dari molekul-molekul ini tetap menjadi topik perdebatan yang terganggu, para ilmuwan sepakat bahwa molekul-molekul ini diperlukan untuk melakukan dua tindakan utama: menyimpan informasi dan mengkatalisasi reaksi kimia. Sel-sel modern mentransfer kekuatan ini, masing-masing, ke DNA dan proteinnya - tetapi menurut penjelasan populer yang berlaku dalam studi modern tentang asal usul kehidupan dan buku pelajaran biologi,
RNA adalah yang pertama memainkan peran ini, membuka jalan bagi DNA dan protein yang mengambil tugas ini kemudian.
Hipotesis ini, diusulkan pada 1960-an dan dijuluki "
dunia RNA " dua dekade kemudian, sekarang dianggap sebagai penjelasan yang paling mungkin untuk awal kehidupan. Ada juga "dunia" alternatif yang cukup, tetapi mereka biasanya dianggap sebagai teori cadangan, penerbangan ilusi imajinasi dan eksperimen pemikiran aneh.
Terutama karena hipotesis dunia RNA didukung oleh sejumlah besar bukti eksperimental daripada yang diperoleh para pesaingnya. Bulan lalu,
kami melaporkan pada teori alternatif , yang menurutnya molekul seperti protein dapat menjadi molekul yang mereproduksi diri sendiri dan bukan RNA. Tetapi temuan ini murni komputasi - maka para peneliti baru saja memulai eksperimen untuk mencari bukti yang mendukung pernyataan mereka.
Sekarang, beberapa peneliti telah mengajukan teori lain - kali ini yang melibatkan evolusi bersama RNA dan
peptida - yang, mereka berharap, dapat mengguncang fondasi dunia RNA.
Mengapa RNA Hilang
Makalah terbaru yang diterbitkan dalam jurnal
Biosystems and
Biologi Molekuler dan Evolusi secara skematis menggambarkan bukti bahwa hipotesis dunia RNA tidak memberikan bukti yang cukup untuk peristiwa evolusi berikutnya. Sebagai gantinya, kata
Charles Carter , seorang ahli biologi struktural di University of North Carolina, salah satu penulis karya tersebut, model mereka membuat proposal yang sesuai. "Tidak pernah satu polimer pun dapat melakukan semua proses yang diperlukan untuk apa yang sekarang ditandai oleh kami sebagai bagian dari kehidupan," tambahnya.
Charles Carter, Ahli Biologi Struktural, Universitas North CarolinaDan polimer tunggal ini tidak mungkin RNA, menurut penelitian yang dilakukan oleh timnya. Keberatan utama terhadap molekul ini adalah
katalisis : beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa agar kehidupan dapat mulai berfungsi, polimer misterius diperlukan untuk dapat mengoordinasikan laju reaksi kimia yang dapat berjalan dengan kecepatan yang berbeda-beda dalam besarnya 20 kali lipat. Bahkan jika RNA entah bagaimana berhasil melakukan ini di dunia prebiologis, kemampuannya sebagai katalis seharusnya disesuaikan dengan suhu pembakaran - dari orde 100 ° C - yang berlaku di Bumi purba. Ketika planet mulai mendingin, RNA, menurut Carter, tidak dapat berevolusi dan mempertahankan sinkronisasi lebih lanjut. Simfoni reaksi kimia akan segera berantakan.
Paling mungkin, yang paling penting, dunia dengan RNA saja tidak menjelaskan penampilan kode genetik yang digunakan sebagian besar organisme hidup saat ini untuk mentransfer informasi genetik ke protein. Kode mengambil masing-masing dari 64 kemungkinan urutan RNA trinukleotida dan menggabungkannya dengan salah satu dari 20 asam amino yang digunakan untuk membuat protein. Memilih seperangkat aturan yang cukup andal untuk menyelesaikan tugas seperti itu akan membutuhkan terlalu banyak waktu untuk RNA saja, kata Peter Wills, rekan penulis Carter dari Universitas Auckland di Selandia Baru - jika dunia RNA dapat mencapai kondisi seperti itu sehingga sepertinya tidak mungkin baginya. Dari sudut pandang Wills, RNA bisa menjadi katalis untuk formasinya sendiri, yang akan membuatnya “refleksif secara kimiawi,” tetapi tidak memiliki “refleksitas komputasional”.
Peter Wills, Ahli Biofisika di Universitas Auckland di Selandia Baru"Suatu sistem yang menggunakan informasi dengan cara organisme menggunakan informasi genetik - untuk mensintesis komponen mereka sendiri - harus mengandung informasi reflektif," kata Wills. Informasi reflektif, menurut definisinya, adalah informasi yang "dikodekan ke dalam sistem, itu menciptakan komponen yang melakukan decoding khusus ini." RNA dari hipotesis dunia RNA, lanjutnya, adalah kimia sederhana karena tidak dapat mengendalikan chemistry-nya. "Dunia RNA tidak memberitahumu apa-apa tentang genetika," katanya.
Alam perlu menemukan cara lain, jalan pintas terbaik untuk membuat kode genetik. Carter dan Wills percaya mereka telah membuka jalan pintas ini. Itu tergantung pada loop umpan balik kecil yang tidak hanya tumbuh dari RNA, tetapi bisa muncul dari kompleks peptida dan RNA.
Membawa peptida ke bisnis
Carter menemukan petunjuk kompleks ini pada pertengahan 1970-an ketika dia mengetahui di institut itu bahwa struktur tertentu yang ditemukan pada sebagian besar protein adalah "tangan kanan". Atom-atom dalam struktur dapat diatur dalam dua cara yang setara, yang berbeda satu sama lain, tetapi semua struktur hanya menggunakan satu metode. Sebagian besar
asam nukleat yang membentuk DNA dan RNA juga tidak kidal. Carter mulai menganggap RNA dan polipeptida sebagai struktur pelengkap, dan memodelkan kompleks di mana "mereka diciptakan untuk satu sama lain, seperti tangan dan sarung tangan."
Ini menyiratkan kemungkinan pengkodean dasar, dasar untuk pertukaran informasi antara RNA dan polipeptida. Dia mengerjakan sketsa tentang bagaimana proses ini akan terlihat, mengekstrapolasi kembali dari kode genetik modern yang jauh lebih kompleks. Ketika hipotesis, yang disebut "dunia RNA" pada tahun 1986, mendapatkan popularitas, Carter, menurut pengakuannya, gelisah. Baginya, dunianya peptida dan RNA, yang diusulkan sepuluh tahun sebelumnya, telah sepenuhnya diabaikan.
Sejak itu, dia, Wills, dan yang lainnya telah berkolaborasi pada sebuah teori yang kembali ke penelitian itu. Tujuan utama mereka adalah untuk menyimpulkan kode genetik paling sederhana yang mendahului modern, lebih spesifik dan kompleks. Karena itu, mereka beralih tidak hanya ke perhitungan, tetapi juga ke genetika.
Teori mereka didasarkan pada 20 "memuat" molekul,
sintetase aminoasil-tRNA . Enzim katalitik ini memungkinkan RNA untuk mengikat asam amino tertentu sesuai dengan aturan kode genetik. "Dalam arti tertentu, kode genetik ditulis pada fitur titik aktif" dari enzim ini, kata Jenny Hofmeir, seorang ahli biokimia di Universitas Stellenbosch di Afrika Selatan, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.
Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa 20 enzim dapat dibagi secara merata menjadi dua kelompok yang terdiri dari 10 buah berdasarkan struktur dan urutannya. Kedua kelas enzim ini memiliki urutan tertentu yang mengkode asam amino yang saling eksklusif - yaitu, enzim ini seharusnya muncul dari rantai komplementer dari satu gen purba. Carter, Wills dan koleganya menemukan bahwa dalam kasus ini, RNA mengkodekan peptida menggunakan satu set hanya dua aturan (atau, dengan kata lain, menggunakan dua jenis asam amino). Peptida yang dihasilkan mempertahankan aturan yang sama yang mengatur proses transmisi, yang menciptakan loop umpan balik kunci untuk teori ini.
Dunia peptida RNA
Kehidupan bisa muncul dari interaksi RNA dan peptida yang bertindak sebagai kode genetik pertama. Lingkaran reaksi yang berkelanjutan akan menciptakan enzim dengan memilih hanya dari dua jenis asam amino daripada 20 jenis yang ditemukan dalam protein modern.
1) “Memuat enzim” bersamaan dengan urutan basa dalam RNA dan membantu menciptakan rantai peptida dari asam amino terikat dari kelas pertama (merah) dan kedua (hijau)
2) Rantai peptida terlipat menjadi bentuk fungsional
3) Tergantung pada bentuk rantai, asam amino dari kelas pertama atau kedua dipilih dan menjadi enzim beban aktif.
4) Enzim berinteraksi dengan RNA dan mengirimkan asam amino ke rantai pembentukTeorema Gödel dan kimia kehidupan
Carter melihat banyak kesamaan antara loop ini dan loop dalam matematika yang dijelaskan oleh filsuf dan ahli matematika
Kurt Gödel , yang teorema ketidaklengkapannya mendalilkan bahwa pernyataan yang tidak dapat dibuktikan atau dibantah oleh sistem itu sendiri akan selalu muncul dalam sistem logis apa pun. "Saya percaya bahwa analogi dengan teorema Godel memberikan argumen yang cukup kuat untuk keniscayaan," kata Carter.
Dalam karya terbaru, Carter dan Wills menunjukkan bahwa dunia peptida RNA mereka memecahkan masalah dengan kesenjangan dalam sejarah asal usul kehidupan yang hanya tidak bisa dijelaskan oleh satu RNA. "Mereka memberikan bukti teoritis dan eksperimental yang dapat diandalkan bahwa RNA dan peptida telah terlibat dalam pembuatan kode genetik sejak awal," kata Hofmeir, "dan bahwa metabolisme, penciptaan melalui penyalinan, transmisi dan reproduksi, harus berevolusi bersama."
Tentu saja, model Carter-Wills dimulai dengan kode genetik, yang keberadaannya melibatkan reaksi kimia yang kompleks, yang meliputi molekul-molekul seperti transport RNA dan memuat enzim. Para peneliti mengklaim bahwa dalam peristiwa sebelum skenario yang diusulkan, interaksi RNA dan peptida terlibat. Namun, asumsi ini menyisakan banyak pertanyaan terbuka tentang bagaimana kimia seperti itu dimulai dan bagaimana tampilannya.
Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, ada banyak teori yang jauh melampaui dunia RNA. Beberapa ilmuwan bahkan mengambil pendekatan yang berlawanan dengan Carter dan Wills: mereka percaya bahwa tahap awal perkembangan kehidupan tidak harus menyerupai kimia yang ada saat ini.
Doron Lancet , seorang peneliti genom di Wizman Institute of Science di Israel, menawarkan teori alternatif berdasarkan pada perakitan lipid yang mengkatalis masuk dan keluarnya berbagai molekul. Informasi ditransmisikan bukan oleh urutan genetik, tetapi oleh komposisi lipid.
Seperti model Carter-Wills, ide Lancet tidak hanya mencakup satu jenis molekul, tetapi sejumlah besar darinya. "Semakin banyak bukti yang dikumpulkan," kata Lancet, "mampu mengkonfirmasi hipotesis alternatif ini." Sejauh ini, para ilmuwan belum memutuskan apa yang sebenarnya terjadi pada asal usul kehidupan, tetapi, tampaknya, mereka mulai menjauh dari sejarah di mana hanya ada satu RNA. "Kita hanya perlu menaruh beberapa telur di keranjang RNA," kata Hofmeir.