Petunjuk: sebagian besar, berkat pertandingan
Daya tarik banyak aroma bunga pada manusia adalah efek samping yang baik. Kami bahkan tidak ada di dunia ketika mereka muncul. Dan parfum yang tersedia secara komersial, meskipun mereka mencoba, jarang berbau seperti bunga. Botol-botol mewah yang mahal dengan nama-nama seperti "melati" atau "gardenia" mungkin berbau luar biasa - tetapi ini hanyalah kemiripan yang menyedihkan dengan bunga asli.
Salah satu alasannya adalah bunga biasanya menghasilkan campuran molekul volatil yang sangat besar - hingga seribu spesies. Beberapa dari mereka termasuk dalam kelompok kimia yang saling berhubungan, dan bahkan jika mereka berbeda dalam struktur sangat sedikit, mereka dapat mengeluarkan bau yang sangat berbeda. Pada bunga yang terkait satu sama lain, molekul yang mudah menguap dapat bervariasi baik dalam proporsi (yang mencerminkan regulasi gen yang berbeda) dan dalam struktur kimia (yang mencerminkan aktivitas gen yang terkait dengan produksi enzim yang diperlukan untuk sintesis). Sangat sulit untuk menentukan komponen mana dari campuran ini yang penting untuk menarik serangga, burung, atau untuk menciptakan aroma yang menyenangkan bagi manusia. Ini sangat sulit, karena indera penciuman kita bergantung pada serangkaian sel saraf yang kompleks dan berbeda pada orang yang berbeda. Produksi aroma tergantung pada gen tanaman, dan kemampuan hewan, termasuk kita, untuk menangkap aroma ini tergantung pada gen hewan.
Seperti halnya warna, kimiawi senyawa volatil yang memengaruhi bau tergantung pada keberadaan gen penyandi enzim protein. Enzim-enzim ini bekerja secara berurutan untuk menciptakan molekul-molekul bau yang kompleks dari molekul-molekul yang mendahuluinya, yang keberadaannya tergantung pada gen dan enzim lain. Jumlah relatif dari molekul yang berbeda tergantung, pada gilirannya, pada set ketiga gen yang mengkode RNA dan protein, yang penting untuk pengaturan dan modulasi gen yang diperlukan untuk menghasilkan bau.
Ketika kita mencium aroma mawar, kita merasakan campuran beberapa ratus molekul berbeda. Dan masing-masing dari mereka adalah hasil dari serangkaian gen dan enzim yang dikodekan oleh mereka yang menyebabkan reaksi kimia tertentu pada kelopak mawar. Banyak molekul yang mudah menguap berasal dari asam amino
fenilalanin .
Tumbuhan menciptakan fenilalanin dari molekul yang lebih sederhana melalui serangkaian gen yang mengkode enzim protein yang diperlukan. Fenilalanin adalah kerabat dekat
tirosin , asam amino yang digunakan oleh tanaman untuk membuat pigmen
betalain , dan juga merupakan senyawa aromatik dengan cincin atom karbon. Perbedaan dalam struktur kimianya hanya terdiri dari fakta bahwa tirosin memiliki oksigen tambahan (dalam bentuk gugus –OH yang terhubung dengan cincin karbon). Mamalia umumnya menghasilkan tirosin dari fenilalanin (tanaman menggunakan jalur berbeda untuk ini). Daftar molekul yang berbau harum berasal dari fenilalanin dan tirosin cukup panjang.
Tumbuhan membuat fenilalanin dan tirosin untuk dapat membuat protein. Tetapi evolusi, yang juga seorang oportunis, menggunakan asam amino untuk tujuan lain. Masing-masing metode tergantung pada penampilan selama evolusi satu atau lebih gen tambahan yang menyandi enzim yang menghasilkan aroma dan protein dengan RNA, yang diperlukan untuk penyertaan gen yang terkandung dalam kelopak pada waktu yang tepat. Banyak molekul volatile aromatik muncul sebagai hasil dari kenyataan bahwa salinan gen mengalami mutasi - kita telah melihat skema semacam itu beberapa kali. Ini adalah salah satu cara paling efektif untuk membuat varian gen yang dapat digunakan seleksi alam.
Untuk menghasilkan zat aromatik yang mudah menguap dari asam amino fenilalanin atau tirosin, perlu dilakukan operasi bedah kimia pada asam amino menggunakan satu reaksi atau lebih, katalis yang merupakan enzim tertentu. Salah satu reaksi ini menghilangkan gugus amino (-NH2) dari asam amino. Jika fenilalanin berperan sebagai molekul awal, maka hasilnya adalah
asam sinamat ; jika tirosin adalah molekul awal, asam coumaric diperoleh. Satu-satunya perbedaan antara asam-asam ini adalah bahwa asam coumarinic memiliki atom oksigen tambahan yang sama dalam bentuk gugus –OH seperti tirosin. Dan sebagian besar aroma bunga, meskipun tidak semua, berasal dari salah satu dari dua molekul ini.
Seharusnya tidak ada rahasia dalam nama asam sinamat - itu yang memberi kayu manis aroma akrab. Kayu manis adalah kulit kering dari pohon cemara dari keluarga kayu manis dari keluarga laurel, yang mengingatkan kita bahwa banyak tanaman memiliki bagian lain selain kelopak yang menghasilkan aroma. Enzim yang menghilangkan gugus amino dari fenilalanin untuk menghasilkan asam disebut
PAL , dan disandikan oleh gen dengan nama yang sama. Sebagian besar tanaman memiliki beberapa gen PAL. Model penyajian
ikan hantu memiliki empat gen PAL, dan mereka menunjukkan berbagai tingkat aktivitas, bekerja di berbagai bagian tanaman. Memiliki banyak gen PAL masuk akal, karena fenilalanin yang sama minus gugus amino, seperti asam sinamat, menghasilkan banyak molekul tanaman, dan bukan hanya yang mudah menguap. Diantaranya adalah
lignin , molekul besar yang ditemukan di kayu, dan pigmen yang memberi warna warna. Beberapa tanaman menggunakan PAL untuk memicu reaksi berantai panjang yang mengarah pada produksi
chalcone , molekul yang akhirnya berubah menjadi pewarna antosianin.
Cara lain untuk menghasilkan aroma fenilalanin melibatkan dua diseksi asam amino. Gugus amino (–NH2) dan gugus asam (–COOH) dihilangkan, yaitu segala sesuatu yang mencirikan molekul sebagai asam amino. Molekul yang tersisa menjadi titik awal untuk produksi banyak molekul aromatik lainnya. Tingkat enzim yang diperlukan untuk operasi ini dalam kelopak mawar paling sering dicapai pada bunga dewasa pada akhir hari, ketika paling penting untuk menarik serangga penyerbuk. Evolusi telah menjamin bahwa gen menjadi paling aktif pada waktu yang tepat.
Penemuan gen yang bertanggung jawab untuk enzim yang menghilangkan gugus asam dari fenilalanin membutuhkan penyelidikan detektif yang nyata. Bank data warna genetik disisir untuk mencari sekuens yang, secara analogi dengan gen yang dikenal dalam organisme lain, dapat menghasilkan enzim yang menghilangkan gugus asam dari fenilalanin. Para ilmuwan menemukan petunjuk ketika mereka menemukan sekuens DNA tanaman yang mirip dengan gen hewan yang menghilangkan gugus asam dari molekul DOPA, atau
dioksifenilalanin , yang mirip dengan fenilalanin. Molekul yang sama digunakan sebagai obat untuk penyakit Parkinson. Segmen DNA ini paling aktif pada tanaman pada waktu itu dan di tempat-tempat di mana dan kapan produksi molekul volatil dari fenilalanin maksimum. Ketika aktivitas gen-gen ini ditekan sebagai percobaan pada petunia yang bermutasi, produksi zat aromatik dihentikan. Hal yang sama juga berlaku untuk versi gen yang tersedia untuk mawar.
Varietas kode genetik ini dalam petunia dan mawar menghasilkan enzim yang 65% identik dengan enzim hewan yang menghilangkan kelompok asam dalam DOPA, dan mirip dengan enzim tanaman lain yang menghilangkan kelompok asam dalam molekul lain. Bersama-sama, gen-gen ini milik keluarga gen terkait. Jadi masuk akal untuk berasumsi bahwa mereka semua berasal dari gen leluhur yang sama.
Tumbuhan berbunga dapat memiliki lebih banyak gen yang mengkode enzim yang diperlukan untuk produksi senyawa aromatik lainnya. Dari mana mereka berasal? Mungkin sebagian besar dari mereka, atau mungkin semua, terkait dengan gen yang penting untuk pekerjaan fungsi tanaman lain, dan berasal dari menyalin gen di masa lalu. Rupanya, ini terjadi selama evolusi gen yang bertanggung jawab atas karakteristik rasa "teh" dari teh populer. Ketika genus kuno mawar Cina memasuki Eropa pada akhir abad ke-18, segera jelas bahwa mereka berbeda dalam bau dari yang Eropa. Bertahun-tahun kemudian, aroma unik ini dikaitkan dengan senyawa tertentu. Pada saat itu, hibrida antara mawar Cina dan Eropa telah diterima. Hibrida ini, yang dikenal sebagai mawar teh, sangat populer, dan salah satu alasannya adalah aroma yang kuat dan menarik, yang diwarisi dari leluhur hibrida Cina. Di antara aroma ini, satu molekul (3,5-dimethoxytoluene, atau DMT [3,5-dimethoxytoluene]) dapat mencapai hingga 90% dari semua molekul aromatik yang dihasilkan oleh bunga. Kelopak mawar Eropa menghasilkan sangat sedikit molekul ini, dan kadang-kadang mereka tidak menghasilkannya sama sekali.
Molekul DMT dikaitkan dengan aroma lain bunga yang terdiri dari cincin utama enam atom karbon, beberapa di antaranya dihiasi dengan bermacam-macam atom karbon, hidrogen, dan oksigen. Berbagai gen dan enzim memberi peluang untuk menghasilkan cincin yang didekorasi sedemikian rupa untuk bunga. Dua enzim yang dikodekan oleh gen mawar Cina, dan aktif dalam kelopak mawar Cina, dapat menghasilkan beberapa modifikasi yang mengarah pada produksi DMT. Mengapa mawar Eropa tidak bisa melakukan ini? Mereka tidak memiliki set gen yang diperlukan untuk melakukan perubahan yang diperlukan. Dua gen yang sangat dekat, tetapi berbeda, mengarah pada perubahan kimiawi pada mawar, diturunkan dari Cina; mereka disebut OOMT1 dan OOMT2. Mawar Eropa murni hanya memiliki satu dari dua gen ini, tetapi kedua protein tersebut diperlukan untuk memodifikasi cincin aromatik dengan cara yang mengarah pada penampilan DMT. 350 asam amino dalam OOMT1 dan OOMT2 adalah 96% identik, dan perubahan hanya pada salah satu dari 350 asam amino kemungkinan besar bertanggung jawab atas perbedaan dalam apa yang dapat mereka hasilkan dalam sel-sel kelopak. Semua ini menunjukkan bahwa sebelumnya, kemungkinan besar, hanya ada satu gen OOMT yang mengalami duplikasi, setelah itu salah satu dari dua salinan mengalami mutasi DNA, dan sebagai hasilnya, asam amino dari enzim protein yang dikodekan olehnya berubah.
Manakah dari gen itu yang pertama? Jika Anda membandingkan gen OOMT dalam banyak mawar berbeda, kebanyakan dari mereka akan memiliki gen OOMT2, tetapi hanya keturunan mawar Cina yang memiliki OOMT1. Dari fitur struktural pohon evolusi mawar, dapat disimpulkan bahwa, kemungkinan besar, mawar Cina muncul kemudian di timeline daripada yang lain. Ini akan menjadi bukti yang meyakinkan bahwa OOMT2 ada lebih lama dari OOMT1, dan bahwa OOMT2 telah mengalami duplikasi.
Tetapi mendapatkan mawar dengan bau yang menarik bagi manusia tidak dapat menjadi alasan keberhasilan duplikasi dan mutasi gen ini. Mengapa gen ini bertahan dan berhasil? Ini semua tentang lebah: penyerbuk bunga penting, tampaknya, bisa merasakan DMT.
Maxine Singer menerima gelar doktor pada tahun 1957 di Yale. Dia bekerja di dewan editorial Prosiding National Academy of Sciences dan Journal of Biological Chemistry and Science. Menerima banyak penghargaan ilmiah. Kutipan dari buku "Bunga dan Gen yang Menghasilkan Mereka" (Bunga: Dan Gen yang Membuat Mereka), Maxine F. Singer, 2018.