RNA

Mencampur RNA dan DNA untuk mempelajari proses kehidupan

Vossman / CC BY-SA

Selama beberapa dekade, ahli kimia telah menguji teori tentang bagaimana kehidupan dimulai di Bumi. Satu hipotesis nya yaitu RNA World. Teori ini mengusulkan bahwa molekul prebiotik bergabung sejak awal untuk membentuk RNA, molekul yang membawa instruksi dari DNA pada organisme saat ini. RNA World berpendapat bahwa begitu RNA terbentuk di Bumi, ia mulai mereplikasi dirinya sendiri dan kemudian memunculkan molekul seperti DNA.

RNA World adalah teori yang menarik, ucap Ramanarayanan Krishnamurthy, PhD, seorang profesor kimia di Scripps Research, tetapi itu mungkin tidak benar. Masalahnya adalah bahan-bahannya, seperti enzim, untuk membuat RNA World berfungsi tidak ada di Bumi awal. “RNA World telah memunculkan gagasan bahwa jika Anda entah bagaimana mensintesis RNA, yang dapat mereplikasi dan mengkatalisasi reaksi, segala sesuatu yang lain secara otomatis akan mengikuti,” jelas Krishnamurthy, yang merupakan anggota Simons Collaboration on the Origins of Life dan mengadakan pertemuan bersama dengan Center for Chemical Evolution, yang didanai bersama oleh program NASA Astrobiology dan National Science Foundation. “Itu tidak terjadi, karena RNA World mengandalkan replikasi RNA itu sendiri, yang sangat sulit.”

Bagian dari tantangannya adalah molekul RNA membentuk struktur stabil yang disebut duplex. Struktur ini memiliki afinitas pengikatan yang kuat. Ini berarti molekul RNA mengalami kesulitan memisahkan satu sama lain dan bertindak sebagai templat untuk mereplikasi lebih lanjut tanpa adanya enzim.

Krishnamurthy sekarang memiliki bukti eksperimental untuk menunjukkan bahwa proses kehidupan di Bumi sebenarnya bisa dimulai dengan molekul yang tampak seperti campuran RNA dan DNA. Dalam edisi terbaru Nature Chemistry, ia dan penulis pertama studi tersebut, Subhendu Bhowmik, PhD, juga dari Scripps Research, melaporkan bahwa molekul campuran ini membentuk dupleks yang tidak stabil dan memiliki afinitas yang lebih rendah untuk diri mereka sendiri. Yang mengejutkan, “chimera” ini memiliki afinitas yang lebih kuat untuk RNA dan DNA, yang memungkinkan mereka untuk bertindak sebagai templat untuk membuat RNA atau DNA.

Bahkan, para peneliti mampu membentuk chimera ini dalam kondisi laboratorium dan menunjukkan bahwa mereka memiliki potensi untuk mereplikasi RNA dan DNA, dan dengan demikian RNA dan DNA yang terbentuk mampu mereproduksi chimera. Perilaku ini dapat mengarah pada amplifikasi katalitik silang RNA dan DNA — langkah kunci menuju evolusi organisme kompleks. “Implikasi provokatif dari penelitian ini adalah bahwa RNA dan DNA bisa muncul secara bersamaan alih-alih teori RNA World yang diterima secara luas, di mana RNA muncul pertama dan kemudian memunculkan DNA,” ucap Krishnamurthy. “Ini berarti campuran RNA dan DNA bisa hidup berdampingan.”

Pada organisme sekarang ini, DNA dan RNA melakukan peran yang sangat berbeda dalam sel kita. Proyek baru ini secara eksperimental mendukung gagasan bahwa kehidupan dapat muncul dari sistem yang jauh lebih berantakan, di mana RNA dan DNA “murni” belum ada. Seperti yang dikatakan Krishnamurthy: “Tidak masalah untuk tidak memiliki chemistry yang bersih.”

Dalam pekerjaan yang dipelopori oleh Bhowmik, seorang rekan peneliti di laboratorium Research Script Krishnamurthy’s, tim juga menciptakan molekul campuran “heterogen” yang terbuat dari RNA dan molekul sintetis yang disebut TNA, yang telah diusulkan menjadi leluhur yang masuk akal dari RNA (“pra-RNA “). TNA sangat mirip dengan RNA, tetapi para ilmuwan telah mengganti satu jenis molekul gula (ribosa) dengan yang lain (threose). Ini memungkinkan TNA untuk berpasangan dengan RNA dan DNA. Krishnamurthy dan Bhowmik mengatakan molekul seperti TNA bisa melakukan pasangan silang ini pada awal evolusi, yang mengarah ke pembentukan TNA dan RNA berdampingan.

Dengan mencampurkan RNA-DNA, para peneliti menunjukkan bahwa mungkin saja terbentuk molekul campuran yang bisa berfungsi sebagai templat untuk RNA dan DNA. Molekul campuran ini juga merupakan sistem berenergi tinggi dalam arti bahwa ia membentuk duplex yang tidak stabil. Penelitian baru menunjukkan bahwa duplex yang tidak stabil ini (sistem energi yang lebih tinggi) mampu menimbulkan RNA dan DNA, yang membentuk duplex yang lebih stabil (sistem energi yang lebih rendah). Jadi, ada pergerakan termodinamik yang menguntungkan dari sistem chimeric (kurang stabil, berenergi lebih tinggi) ke sistem homogen (lebih stabil, berenergi lebih rendah).

“Sistem hibrida seperti ini bisa membantu dalam evolusi sistem homogen,” ucap Bhowmik.

Kita tidak akan pernah tahu persis bagaimana kehidupan awal terbentuk, tetapi percobaan setidaknya menunjukkan reaksi kimia yang pada akhirnya dapat mengarah pada urutan RNA dan DNA murni yang mendukung kehidupan saat ini. Karya ini juga mendukung temuan studi 2018 Scripps Research, yang menunjukkan bagaimana bakteri yang direkayasa dapat berfungsi dengan campuran genom RNA-DNA.

Krishnamurthy mengatakan penelitian ke depan harus fokus pada bahan apa yang dibutuhkan untuk RNA-DNA chimera yang akan tersedia di Bumi prebiotik. Para ilmuwan menggunakan beberapa molekul yang kemungkinan tidak tersedia saat itu, meskipun bahan-bahan serupa seharusnya ada. Studi baru memberi para peneliti “bukti prinsip” bahwa reaksi ini dapat bekerja, dan Krishnamurthy berencana untuk menindaklanjuti dengan eksperimen lebih lanjut untuk menjelajahi jalur untuk bagaimana molekul kehidupan bisa bersatu. “Studi ini adalah langkah pertama ke arah tersebut,” ucapnya

Krishnamurthy juga tertarik pada bagaimana RNA-DNA chimera dapat digunakan dalam studi kimia medis. Dia mengatakan sistem campuran ini dapat membantu para peneliti mengatasi beberapa tantangan dalam sekuensing genetik.

Jurnal Referensi:

Bhowmik, S., Krishnamurthy, R. The role of sugar-backbone heterogeneity and chimeras in the simultaneous emergence of RNA and DNA. Nat. Chem. 11, 1009–1018 (2019). https://doi.org/10.1038/s41557-019-0322-x

Tautan ke artikel asli: All shook up: Researchers mix RNA and DNA to study how life’s process began billions of years ago / The Scripps Research Institute

Diterjemahkan oleh saintifia dengan seizin dari yang bersangkutan, segala kesalahan translasi menjadi tanggungjawab kami.