Temuan baru dari Salk Institute memberikan bukti kuat untuk hipotesis RNA World, mengungkapkan enzim RNA yang secara akurat mereplikasi dan mengembangkan untaian RNA. Penemuan ini menggarisbawahi potensi peran RNA dalam evolusi awal dan mendekatkan para ilmuwan untuk mensintesis kehidupan berbasis RNA, sehingga menawarkan wawasan tentang asal usul dan kompleksitas kehidupan. Kredit: SciTechDaily.com
Ilmuwan Salk mengungkap RNA kemampuan yang memungkinkan evolusi Darwin pada skala molekuler, dan membawa para peneliti lebih dekat untuk menghasilkan kehidupan RNA yang otonom di laboratorium.
Charles Darwin menggambarkan evolusi sebagai “keturunan dengan modifikasi.” Informasi genetik berupa DNA urutan disalin dan diturunkan dari satu generasi ke generasi berikutnya. Namun proses ini juga harus fleksibel, sehingga memungkinkan munculnya sedikit variasi gen seiring berjalannya waktu dan memperkenalkan sifat-sifat baru ke dalam populasi.
Tapi bagaimana semua ini dimulai? Pada asal usul kehidupan, jauh sebelum sel, protein, dan DNA, dapatkah evolusi serupa terjadi dalam skala yang lebih sederhana? Para ilmuwan pada tahun 1960-an, termasuk Salk Fellow Leslie Orgel, mengusulkan bahwa kehidupan dimulai dengan “Dunia RNA,” sebuah era hipotetis di mana molekul-molekul RNA kecil dan berserabut menguasai bumi awal dan membentuk dinamika evolusi Darwin.
Urutan martil yang disalin oleh polimerase dengan ketelitian rendah menjauh dari urutan RNA aslinya (atas) dan kehilangan fungsinya seiring waktu. Kepala martil yang dikatalisis oleh polimerase dengan ketelitian lebih tinggi mempertahankan fungsinya dan mengembangkan urutan yang lebih sesuai (bawah). Kredit: Institut Salk
Penelitian Terobosan tentang Peran RNA dalam Evolusi Awal
Penelitian baru di Salk Institute kini memberikan wawasan segar tentang asal usul kehidupan, menyajikan bukti kuat yang mendukung hipotesis RNA World. Studi yang dipublikasikan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional (PNAS) pada tanggal 4 Maret 2024, memperkenalkan enzim RNA yang dapat membuat salinan akurat dari untaian RNA fungsional lainnya, sekaligus memungkinkan munculnya varian molekul baru seiring waktu. Kemampuan luar biasa ini menunjukkan bahwa bentuk evolusi paling awal mungkin terjadi pada skala molekuler pada RNA.
Temuan ini juga membawa para ilmuwan selangkah lebih dekat untuk menciptakan kembali kehidupan berbasis RNA di laboratorium. Dengan memodelkan lingkungan primitif ini di laboratorium, para ilmuwan dapat secara langsung menguji hipotesis tentang bagaimana kehidupan dimulai di Bumi, atau bahkan di planet lain.
“Kami sedang mengejar awal evolusi,” kata penulis senior dan Presiden Salk Gerald Joyce. “Dengan mengungkap kemampuan baru RNA ini, kami mengungkap potensi asal usul kehidupan itu sendiri, dan bagaimana molekul sederhana bisa membuka jalan bagi kompleksitas dan keragaman kehidupan yang kita lihat saat ini.”
Plot sebar menunjukkan evolusi populasi hiu martil di berbagai putaran evolusi. Kepala martil disalin oleh polimerase dengan ketelitian rendah (52-2) menjauh dari urutan RNA asli (kontur putih) dan kehilangan fungsinya. Hiu martil yang disalin oleh polimerase baru dengan ketelitian lebih tinggi (71-89) tetap mempertahankan fungsinya, dengan rangkaian fungsional baru yang muncul seiring berjalannya waktu. Kredit: Institut Salk
Fungsi Unik RNA dan Pencarian Kesetiaan Replikasi
Para ilmuwan dapat menggunakan DNA untuk menelusuri sejarah evolusi dari tumbuhan dan hewan modern hingga organisme bersel tunggal yang paling awal. Namun apa yang terjadi sebelumnya masih belum jelas. Heliks DNA beruntai ganda sangat bagus untuk menyimpan informasi genetik. Banyak dari gen tersebut yang pada akhirnya mengkode protein—mesin molekuler kompleks yang menjalankan berbagai fungsi untuk menjaga sel tetap hidup. Yang membuat RNA unik adalah molekul-molekul ini dapat melakukan keduanya. Mereka terbuat dari rangkaian nukleotida yang diperluas, mirip dengan DNA, namun mereka juga dapat bertindak sebagai enzim untuk memfasilitasi reaksi, seperti protein. Jadi, mungkinkah RNA menjadi cikal bakal kehidupan yang kita kenal sekarang?
Ilmuwan seperti Joyce telah mengeksplorasi ide ini selama bertahun-tahun, dengan fokus khusus pada ribozim RNA polimerase—molekul RNA yang dapat membuat salinan untaian RNA lainnya. Selama dekade terakhir, Joyce dan timnya telah mengembangkan ribozim RNA polimerase di laboratorium, menggunakan bentuk evolusi terarah untuk menghasilkan versi baru yang mampu mereplikasi molekul yang lebih besar. Namun sebagian besar memiliki kelemahan fatal: mereka tidak mampu menyalin urutannya dengan cukup tinggi ketepatan. Selama beberapa generasi, begitu banyak kesalahan yang terjadi pada rangkaian sehingga untaian RNA yang dihasilkan tidak lagi menyerupai rangkaian aslinya dan kehilangan fungsinya sepenuhnya.
Sampai sekarang. Ribozim RNA polimerase terbaru yang dikembangkan di laboratorium mencakup sejumlah mutasi penting yang memungkinkannya menyalin untaian RNA dengan akurasi yang jauh lebih tinggi.
Dari kiri: David Horning, Gerald Joyce, dan Nikolaos Papastavrou. Kredit: Institut Salk
Dalam percobaan ini, untai RNA yang disalin adalah “martil,” sebuah molekul kecil yang membelah molekul RNA lain menjadi beberapa bagian. Para peneliti terkejut saat mengetahui bahwa ribozim RNA polimerase tidak hanya mereplikasi fungsi kepala martil secara akurat, namun seiring berjalannya waktu, variasi baru dari kepala martil mulai bermunculan. Varian-varian baru ini memiliki kinerja serupa, namun mutasinya membuatnya lebih mudah untuk ditiru, sehingga meningkatkan kebugaran evolusionernya dan akhirnya menyebabkan mereka mendominasi populasi hiu martil di laboratorium.
“Kami sudah lama bertanya-tanya betapa sederhananya kehidupan pada awalnya dan kapan ia memperoleh kemampuan untuk mulai memperbaiki dirinya sendiri,” kata penulis pertama Nikolaos Papastavrou, rekan peneliti di laboratorium Joyce. “Studi ini menunjukkan awal mula evolusi mungkin terjadi sangat awal dan sangat sederhana. Sesuatu pada tingkat molekul individu dapat menopang evolusi Darwin, dan hal itu mungkin merupakan percikan yang memungkinkan kehidupan menjadi lebih kompleks, mulai dari molekul, sel, hingga organisme multiseluler.”
Temuan ini menyoroti pentingnya ketelitian replikasi dalam memungkinkan evolusi. Akurasi penyalinan RNA polimerase harus melebihi ambang batas kritis untuk mempertahankan informasi yang dapat diwariskan selama beberapa generasi, dan ambang batas ini akan meningkat seiring dengan bertambahnya ukuran dan kompleksitas RNA yang berevolusi.
Masa Depan Penelitian RNA dan Kehidupan Otonom
Tim Joyce menciptakan kembali proses ini dalam tabung uji laboratorium, menerapkan peningkatan tekanan selektif pada sistem untuk menghasilkan polimerase yang berkinerja lebih baik, dengan tujuan suatu hari nanti menghasilkan RNA polimerase yang dapat mereplikasi dirinya sendiri. Hal ini akan menandai dimulainya kehidupan RNA otonom di laboratorium, yang menurut para peneliti dapat dicapai dalam dekade berikutnya.
Para ilmuwan juga tertarik pada apa lagi yang mungkin terjadi setelah “Dunia RNA” mini ini memperoleh otonomi yang lebih besar.
“Kami telah melihat bahwa tekanan seleksi dapat meningkatkan RNA dengan fungsi yang sudah ada, namun jika kita membiarkan sistem berevolusi lebih lama dengan populasi molekul RNA yang lebih besar, dapatkah fungsi baru ditemukan?” kata rekan penulis David Horning, staf ilmuwan di laboratorium Joyce. “Kami sangat bersemangat untuk menjawab bagaimana kehidupan awal dapat meningkatkan kompleksitasnya, dengan menggunakan alat yang dikembangkan di Salk.”
Metode yang digunakan di laboratorium Joyce juga membuka jalan bagi eksperimen di masa depan yang menguji gagasan lain tentang asal usul kehidupan, termasuk kondisi lingkungan apa yang paling mendukung evolusi RNA, baik di Bumi maupun di planet lain.
Referensi: “Evolusi RNA katalitik yang dikatalisis RNA” oleh Nikolaos Papastavrou, David P. Horning dan Gerald F. Joyce, 4 Maret 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2321592121
Pekerjaan itu didukung oleh NASA (80NSSC22K0973) dan Yayasan Simons (287624).
