Selama beberapa dekad, ahli biologi, ahli kimia dan juga ahli matematik telah mengusahakan masalah asal usul kehidupan. Walaupun terdapat hipotesis evolusi kimia yang telah dibuktikan dan disokong secara saintifik sebelum kemunculan sel pertama, kerja ke arah ini tetap diteruskan. "Lenta.ru" membicarakan kajian baru mengenai masalah dunia RNA, hasilnya diterbitkan dalam jurnal Prosiding Akademi Sains Nasional.
Para saintis di Portland State University, yang melakukan eksperimen pada ribozim, mendapati bahawa kemampuan molekul ini untuk memangkinkan pemasangan mereka sendiri bergantung pada interaksi mereka dengan molekul lain yang serupa. Kajian ini secara tidak langsung menyokong hipotesis dunia RNA, yang menyatakan bahawa molekul organik pertama yang menjadi asas bagi sel pertama adalah RNA. Molekul RNA ini dapat mensintesis sendiri, bersaing satu sama lain, dan berpartisipasi dalam evolusi prebiotik, apabila sebatian yang paling berjaya menjadi asas bagi kompleks kimia yang lebih kompleks.
Banyak orang tahu bahawa sel hidup mempunyai pemangkin khas mereka sendiri: enzim, yang merupakan molekul protein yang dilipat secara kompleks yang menjalankan reaksi penting. Walau bagaimanapun, enzim bukan sahaja protein, tetapi juga rantai RNA. Ingat bahawa RNA adalah asid nukleik yang sangat mirip dengan DNA, tetapi berbeza dengannya kerana mengandungi gula ribosa (bukan deoksiribosa), dan salah satu asas nitrogen, timin, digantikan oleh uracil. Menurut para saintis, RNA muncul sebelum DNA, kerana jauh lebih rapuh (strukturnya lebih rentan terhadap perubahan) dan dapat melakukan reaksi katalitik tanpa bantuan protein. Molekul RNA yang merupakan enzim disebut ribozim. Biasanya, ribozim memangkinkan pembelahan diri atau molekul RNA lain.
Salah satu ribozim yang paling banyak dikaji adalah Azo, enzim yang dibuat oleh saintis dari intronan Kumpulan I yang memotong sendiri yang terdapat dalam DNA bakteria Azoarcus. Intron adalah kawasan gen yang tidak mengandungi maklumat mengenai urutan protein atau asid nukleik, dan dikeluarkan semasa pematangan RNA (mRNA) messenger. Semua intron kumpulan I memangkin pemotongan mereka sendiri dari urutan RNA. Ribozim intron Azo yang menarik bagi para saintis terletak di gen yang menyandikan RNA pengangkutan (tRNA) yang membawa isoleusin asid amino. Di dalam sel, Azo, seperti ribozim lain, melakukan pemotongannya sendiri dari tRNA, tetapi dalam keadaan makmal dia dapat belajar melakukan penyambungan terbalik: ribozim memotong di tempat tertentu substrat - molekul RNA pendek dengan urutan nukleotida tertentukepingannya tetap melekat pada Azo.
Struktur ribozim bakteria Azoarcus. Fragment IGS ditandakan dengan warna merah
Imej: Jessica AM Yeates et al. Jabatan Kimia, Universiti Negeri Portland
Azo panjangnya kira-kira 200 nukleotida dan dapat dipecah menjadi dua, tiga, atau empat serpihan yang secara spontan bersatu pada 42 darjah Celsius dengan adanya larutan MgCl2. Proses pemasangan sendiri bermula dengan interaksi antara dua triplet nukleotida (triplet) yang tergolong dalam serpihan RNA yang berbeza. Apabila ikatan hidrogen terbentuk di antara kembar tiga berdasarkan prinsip pelengkap, bahagian-bahagian ribozim mengubah struktur spatialnya dan bersatu semula antara satu sama lain. Para saintis telah memfokuskan pada reaksi pemasangan dua pecahan, yang sementara disebut WXY dan Z, di mana W, X, Y dan Z mewakili kawasan berasingan ribozim yang panjangnya kira-kira 50 nukleotida (Gamb. 1). Di laman W, di hujung depan molekul RNA, salah satu kembar tiga terletak,yang terlibat dalam permulaan pemasangan diri dan dipanggil "urutan panduan dalaman" (IGS). Pada akhir WXY, terdapat tag triplet, yang, berinteraksi dengan IGS, membentuk ikatan kovalen yang kuat dengan fragmen Z.
Video promosi:
Para penyelidik mencipta varian yang berbeza (genotip) serpihan WXY dengan mengubah nukleotida yang terletak di tengah IGS dan tag triplet (masing-masing nukleotida M dan N). Oleh kerana molekul RNA biasanya dibentuk oleh hanya empat jenis nukleotida, terdapat 16 varian tersebut. Contohnya, salah satu genotipnya mungkin 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', dan 5'-GCG-WXY-CUU-3' yang lain. Semua varian molekul ini dapat bersaing satu sama lain, membentuk pelbagai rangkaian metabolik, di mana sumber bersama - molekul Z - diperlukan untuk memulihkan keseluruhan ribozim.
Tindak balas antara serpihan ribozim Azo yang berbeza untuk membentuk keseluruhan molekul
Imej: Jessica AM Yeates et al. Jabatan Kimia, Universiti Negeri Portland.
Dalam eksperimen mereka, saintis mula-mula menguji kemampuan setiap genotip untuk berkumpul sendiri secara berasingan. Apabila M dan N membentuk pasangan Watson-Crick (iaitu, berdasarkan prinsip pelengkap, A - U, C - G), kadar pemasangan diri ribozim menjadi lebih tinggi daripada jenis pasangan lain. Para penyelidik kemudian mensimulasikan persekitaran "kolam kecil" yang hangat di mana pelbagai molekul prebiotik saling berinteraksi untuk memperoleh faedah antara satu sama lain dan mempercepat organisasi diri. Ahli biokimia mengesan tingkah laku genotip berpasangan antara satu sama lain, secara keseluruhan, saintis mengkaji 120 pasang, yang terdiri daripada dua varian WXY yang tidak sama. Mereka mengukur kadar setiap tindak balas yang berlaku antara molekul dua genotip WXY dan serpihan Z di dalam tiub berasingan selama 30 minit.
Interaksi antara urutan serpihan ribozim yang berbeza menggunakan ikatan hidrogen
Imej: Jessica AM Yeates et al. Jabatan Kimia, Universiti Negeri Portland
Menggabungkan hasil kedua-dua peringkat eksperimen dan mendapatkan kelajuan pemasangan diri ketika dua genotip berbeza berinteraksi, para penyelidik membuat eksperimen evolusi. Sepasang genotip dicampurkan dalam bahagian yang sama, disediakan dengan serpihan-Z dan saling bertindak balas selama lima minit. Selama ini, para saintis memasukkan 10 peratus larutan ke dalam tabung uji baru, yang mengandungi lebih banyak WXY yang tidak bereaksi dari setiap genotip dan Z-fragmen. Para saintis mengesan nisbah setiap genotip WXYZ semasa lapan pemindahan tersebut. Ini memungkinkan untuk mengira setara kimia kejayaan evolusi ribozim dari generasi ke generasi, yang diperhatikan sebagai "letupan" - iaitu, peningkatan kuat dalam kadar pemasangan diri RNA. Dalam eksperimen evolusi, ahli biologi mengkaji interaksi tujuh pasang ribozim.
Berdasarkan semua eksperimen makmal, saintis telah menghasilkan model matematik persamaan pembezaan yang mengambil kira kadar pemasangan genotip diri dengan atau tanpa adanya genotip lain. Model ini menjadi asas untuk teori permainan evolusi baru, yang menentukan beberapa tingkah laku molekul RNA. Dalam satu kes, yang disebut "Dominasi," salah satu genotip selalu lebih biasa daripada yang lain, sementara kadar pemasangan sendiri selalu melebihi kelajuan pesaing. Dalam kes lain - "Kerjasama" - kedua genotip yang saling berinteraksi antara satu sama lain mendapat faedah dari "kerjasama", dan kelajuan pemasangan diri melebihi yang mereka miliki secara berasingan antara satu sama lain. "Senario Egois" - kebalikan dari "Kerjasama" - bermaksud bahawa setiap ribozim secara individu mendapat lebih banyak daripada ketika berinteraksi dengan orang lain. Dan akhirnyadalam "Counter-dominance", genotip dengan kadar pemasangan diri yang rendah tiba-tiba mula berlaku lebih kerap daripada pesaingnya.
Kajian ini tidak bertujuan untuk membuktikan secara langsung hipotesis dunia RNA, tetapi kajian ini mewakili bahagian lain dalam teka-teki pemahaman saintifik mengenai evolusi prebiotik. Untuk pertama kalinya ditunjukkan bahawa sifat enzimatik molekul individu dapat ditingkatkan dengan adanya molekul lain yang hanya berbeza dengan satu atau dua nukleotida. Dalam penyelesaian raksasa yang merupakan lautan bumi di awal kehidupan, molekul-molekul ini saling bersaing untuk mendapatkan substrat, bekerjasama dan memperhebatkan tindakan mereka. Atas dasar ini, sudah dapat diasumsikan mengapa sebatian organik kompleks berusaha untuk bersatu menjadi sistem yang merupakan prototaip sel pertama.
Alexander Enikeev
