Apakah bumbu rahasia dalam sup gen primitif adalah pengental?

Anonim

Resep asli untuk sup gen mungkin sederhana — hujan, tumpukan molekul umum, sinar matahari yang hangat, dan pendinginan di malam hari. Kemudian tambahkan sejumput pengental.

Bahan terakhir mungkin telah membantu untaian mirip gen untuk menyalin diri mereka di genangan air untuk pertama kalinya, miliaran tahun yang lalu ketika Bumi tidak memiliki kehidupan, para peneliti di Institut Teknologi Georgia telah menemukan. Penemuan baru mereka menambah semakin banyak bukti yang menunjukkan kehidupan pertama mungkin telah berevolusi dengan relatif mudah, di sini dan mungkin di tempat lain di alam semesta.

Dan mereka menawarkan jawaban langsung atas pertanyaan yang menggerogoti usia 50 tahun: Bagaimana prekursor pada kode genetis saat ini menduplikasi diri sebelum adanya enzim yang sangat diperlukan untuk proses itu hari ini?

Bumbu kehidupan?

Selama beberapa generasi, para ilmuwan yang mengejar jawaban melakukan eksperimen dalam air tetapi menabrak dinding.

Peneliti Georgia Tech Christine He dan Isaac Gállego mengatasinya dengan menambahkan pelarut kental off-the-shelf (pengental). Dalam percobaan terpisah dengan DNA lalu RNA, proses penyalinan dilanjutkan.

"Saya pikir ini sangat, sangat berbeda dari apa yang pernah dilakukan sebelumnya, " kata peneliti He. "Kita dapat mengubah lingkungan fisik dengan cara yang mudah, dan mempromosikan proses-proses yang tidak akan terjadi dalam kondisi yang biasanya digunakan."

Resep mudah

Mudah sangat penting, kata Martha Grover, seorang profesor yang mengawasi penelitian di Sekolah Teknik Kimia dan Biomolekuler Georgia Tech. Reaksi yang mudah cenderung lebih produktif dan lebih umum.

"Proses yang sederhana dan kuat seperti ini dapat dioperasikan dalam berbagai lingkungan dan konsentrasi membuatnya lebih realistis dalam menggerakkan evolusi ke depan, " katanya.

Laboratorium Grover dan milik Nick Hud di Fakultas Kimia dan Biokimia Georgia Tech menerbitkan hasil pada hari Senin, 10 Oktober 2016 di jurnal Nature Chemistry. Penelitian mereka telah didanai oleh National Science Foundation dan Program Astrobiologi NASA di bawah NASA / NSF Center for Chemical Evolution.

Mie nukleotida

Kehidupan paling awal didasarkan pada RNA, atau polimer serupa, menurut hipotesis yang disebut Dunia RNA. Dalam skenario itu, pada garis waktu evolusioner, replikasi diri untaian RNA cukup lama untuk menjadi gen potensial akan secara kasar menandai ambang pintu untuk hidup.

Rantai nukleotida panjang tersebut mungkin telah bercampur bersama dalam genangan air dengan rantai nukleotida yang lebih pendek. Panas dari matahari akan membuat helai panjang terlepas dari struktur helix mereka, memberi mereka kesempatan pendek untuk menyesuaikan diri dengan mereka, dan menjadi salinan mereka.

Tapi ada masalah.

Dalam air saja, ketika pendinginan mulai masuk, rantai panjang kembali ke struktur heliks mereka dengan cepat sehingga tidak ada waktu untuk proses pencocokan dengan rantai yang lebih pendek. Pemutusan itu, yang terjadi di kedua RNA dan DNA, disebut "penghambatan untai, " dan dalam sel hidup, enzim memecahkan masalah menjaga rantai panjang terpisah sementara untaian gen duplikat.

Lebih seperti rebusan

"Masalahnya adalah masalah dalam air, yang dilihat semua orang di dalam prebiotik (pra-kehidupan) kimia, " kata asisten peneliti pascasarjana He. Dia merasa sudah waktunya untuk memikirkan kembali itu, dan keahliannya dalam teknik kimia membantu.

Viskositas tinggi telah diketahui memperlambat pergerakan untaian panjang DNA, RNA dan polimer lainnya.

"Ini sedikit seperti membuat mereka berenang di dalam madu, " kata Grover. Menerapkannya pada kimia asal-kehidupan tampak jelas, karena pada masa prebiotik, mungkin ada beberapa genangan yang lengket.

"Dalam solusi itu, ia memberikan nukleotida pendek, yang bergerak lebih cepat, waktu untuk melompat ke untai panjang dan mengumpulkan duplikat untaian panjang, " kata peneliti. Dalam eksperimennya, itu berhasil.

Jepit rambut di dalam sup

Dan itu menghasilkan kejutan yang menggembirakan. Untaian DNA dan RNA melipat diri membentuk bentuk yang disebut jepit rambut.

"Pada awalnya, kami tidak menyadari pentingnya struktur internal, " kata Christine He. Kemudian mereka melihat bahwa bentuk itu membantu menjaga RNA dan DNA tersedia untuk proses pemasangan. "Pembentukan jepit rambut merupakan bagian integral untuk menjaga mereka terbuka, " kata Grover.

Tetapi itu juga bisa mempercepat evolusi kimia dengan cara lain. "Solusinya adalah memilih di sini untuk urutan yang melipat, dan itu akan memiliki lebih banyak potensi untuk aktivitas fungsional - seperti ribozim, " kata peneliti He.

Ribozymes adalah enzim yang terbuat dari RNA, dan enzim mengkatalisis proses biokimia. Agar mereka berevolusi dalam solusi yang sama yang mendorong replikasi kode genetik dapat mempersingkat jalan menuju kehidupan pertama.

"Anda benar-benar perlu memperkuat urutan fungsional untuk evolusi untuk bergerak maju, " kata Grover. Lipatannya merupakan efek samping yang tak terduga, dan menemukan mereka melicinkan jalan bagi penelitian masa depan.

Bahan berikutnya?

Para ilmuwan Georgia Tech menggunakan untaian gen nyata dalam percobaan mereka, yang mungkin kedengarannya biasa, tetapi di masa lalu, beberapa peneliti secara khusus merancang DNA dan sekuens RNA dalam upaya untuk mencapai hasil yang sama.

Dia dan Gállego menggunakan gen yang terjadi secara alami, daripada urutan rekayasa khusus, menunjukkan bahwa viskositas bisa menjadi solusi yang sangat umum untuk mempromosikan penyalinan asam nukleat dengan panjang dan urutan campuran.

Untuk memfasilitasi hasil yang cepat dan jelas, peneliti Georgia Tech menggunakan rantai nukleotida pendek yang dimurnikan dan menerapkannya dalam rasio yang menyukai reaksi produktif. Tetapi mereka memulai dengan bahan-bahan yang lebih berantakan dan kurang murni, dan pengalaman itu berharga.

"Mempertimbangkan sup pre-biotik, itu mungkin berantakan; itu punya banyak kotoran, " kata Christine He. "Ketika kami pertama kali memulai dengan nukleotida yang lebih tidak murni, itu masih berhasil. Mungkin reaksi yang sama benar-benar bisa terjadi dalam genangan miliaran tahun yang lalu."

Pelarut kental adalah glycholine, campuran gliserol dan kolin klorida. Itu tidak mungkin hadir di Bumi pra-biotik, tetapi pelarut viskos lainnya mungkin.

Juga, setelah untaian pendek cocok untuk masing-masing panjang, para peneliti tidak menerapkan enzim untuk bergabung dengan potongan pendek selaras menjadi rantai panjang, dalam proses biokimia yang disebut ligasi.

Enzim tidak akan hadir di Bumi prebiotik, dan meskipun ada prosedur kimia untuk ligasi RNA, "tidak ada yang telah mengembangkan kimia yang begitu kuat namun itu bisa menggantikan enzim, " kata Grover.

Menemukan satu yang bisa bekerja di Bumi prebiotik akan menjadi tujuan yang layak untuk penelitian lebih lanjut.

menu
menu