Mengungkap rahasia kehidupan menggunakan kode kuno RNA

Ulama Salik mengungkapkan RNA Kemampuan yang memungkinkan evolusi Darwin pada tingkat molekuler, dan membawa 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 ditransmisikan dari generasi ke generasi. Namun proses ini juga harus fleksibel, sehingga memungkinkan munculnya variasi halus dalam gen seiring berjalannya waktu dan sifat-sifat baru yang dapat diperkenalkan ke dalam populasi.

Tapi bagaimana semuanya dimulai? Pada asal mula kehidupan, jauh sebelum sel, protein, dan DNA, dapatkah evolusi serupa terjadi dalam skala yang lebih sederhana? Para ilmuwan pada tahun 1960-an, termasuk rekan Salk, Leslie Orgill, mengusulkan bahwa kehidupan dimulai dengan “dunia RNA,” sebuah era hipotetis di mana molekul-molekul RNA kecil yang terikat pada untaian menguasai bumi awal dan membentuk dinamika evolusi Darwin.

Urutan martil yang ditranskripsi oleh polimerase dengan ketelitian rendah menjauh dari urutan RNA asli (atas) dan kehilangan fungsinya seiring waktu. Ikan martil yang dikatalisis oleh HD polimerase mempertahankan fungsinya dan mengembangkan urutan yang lebih sesuai (bawah). Kredit: Institut Salk

Merintis penelitian tentang peran RNA dalam pengembangan awal

Penelitian baru di Salk Institute kini memberikan wawasan baru tentang asal usul kehidupan, memberikan bukti kuat yang mendukung hipotesis RNA World. Studi yang dipublikasikan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional (PNAS) Pada tanggal 4 Maret 2024, ia memperkenalkan enzim RNA yang dapat membuat salinan persis dari untaian RNA fungsional lainnya, sekaligus memungkinkan munculnya varian molekul baru seiring waktu. Kemampuan luar biasa ini menunjukkan bahwa bentuk evolusi pertama mungkin terjadi pada tingkat molekuler pada RNA.

Hasil 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 langsung menguji hipotesis tentang bagaimana kehidupan dimulai di Bumi, atau bahkan di planet lain.

“Kita sedang mengejar awal evolusi,” kata Gerald Joyce, penulis senior dan Presiden Salk Foundation. “Dengan mengungkap kemampuan baru RNA ini, kami mengungkap potensi asal usul kehidupan itu sendiri, dan bagaimana molekul sederhana dapat membuka jalan bagi kompleksitas dan keragaman kehidupan yang kita lihat saat ini.”

Plot sebar menunjukkan evolusi populasi hiu martil dalam beberapa putaran evolusi. Hiu martil yang ditranskripsi dengan polimerase fidelitas rendah (52-2) menjauh dari urutan RNA asli (garis putih) dan kehilangan fungsinya. Kepala martil yang ditranskripsi dengan polimerase fidelitas tinggi baru (71-89) tetap mempertahankan fungsinya, dengan rangkaian fungsional baru yang muncul seiring berjalannya waktu. Kredit: Institut Salk

Fungsi unik RNA dan upaya mencapai kesetiaan replikasi

Para ilmuwan dapat menggunakan DNA untuk menelusuri sejarah evolusi tumbuhan dan hewan modern hingga organisme bersel tunggal tertua. Namun apa yang terjadi sebelumnya masih belum jelas. Heliks DNA beruntai ganda sangat bagus untuk menyimpan informasi genetik. Banyak dari gen ini yang pada akhirnya mengkode protein, mesin molekuler kompleks yang melakukan 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, tetapi mereka juga dapat berfungsi sebagai enzim untuk memfasilitasi reaksi, seperti protein. Jadi, bisakah RNA menjadi pendahulu 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 kebanyakan dari mereka mempunyai kelemahan yang fatal: mereka tidak mampu mereplikasi urutan ke tingkat yang cukup tinggi Ketepatan. Selama beberapa generasi, begitu banyak kesalahan yang terjadi pada rangkaian sehingga untaian RNA yang dihasilkan tidak lagi menyerupai rangkaian aslinya dan fungsinya hilang sama sekali.

Sejauh ini. Ribozim RNA polimerase terbaru yang dikembangkan di laboratorium memiliki sejumlah mutasi penting yang memungkinkannya menyalin untai RNA dengan ketelitian yang jauh lebih besar.

Dari kiri: David Horning, Gerald Joyce, dan Nikolaos Papastavrou. Kredit: Institut Salk

Dalam percobaan ini, untaian RNA yang ditranskripsi adalah “martil”, sebuah molekul kecil yang memecah molekul RNA lain menjadi beberapa bagian. Para peneliti terkejut saat mengetahui bahwa ribozim RNA polimerase tidak hanya mereplikasi fungsi hiu martil secara tepat, namun seiring berjalannya waktu, variasi baru dari hiu martil mulai bermunculan. Varian-varian baru ini memiliki kinerja serupa, namun mutasinya membuat mereka lebih mudah untuk bereproduksi, sehingga meningkatkan kebugaran evolusioner mereka dan pada akhirnya membuat mereka mendominasi populasi hiu martil di laboratorium.

“Kami sudah lama bertanya-tanya betapa sederhananya kehidupan pada awalnya, dan kapan kehidupan memperoleh kemampuan untuk mulai memperbaiki diri,” kata penulis pertama Nikolaos Papastavrou, rekan peneliti di laboratorium Joyce. “Penelitian ini menunjukkan bahwa permulaan evolusi mungkin terjadi sangat awal dan sangat sederhana. Sesuatu pada tingkat molekul individu bisa saja mendukung evolusi Darwin, dan ini mungkin merupakan percikan yang memungkinkan kehidupan menjadi lebih kompleks, berpindah dari molekul ke molekul.” sel ke organisme.” Multiseluler.

Hasilnya menyoroti pentingnya ketelitian replikasi dalam memungkinkan evolusi. Kesetiaan transkripsi RNA polimerase harus melebihi ambang batas kritis untuk mempertahankan informasi yang dapat diwariskan selama beberapa generasi, dan ambang batas ini akan meningkat seiring dengan meningkatnya ukuran dan kompleksitas RNA yang berevolusi.

Masa depan penelitian RNA dan kehidupan mandiri

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 yang mungkin terjadi ketika “dunia RNA” kecil ini semakin mandiri.

“Kita telah melihat bahwa tekanan seleksi dapat meningkatkan RNA dengan fungsi yang sudah ada, namun jika kita membiarkan sistem berevolusi lebih lama dengan kumpulan molekul RNA yang lebih besar, dapatkah fungsi baru ditemukan?” kata rekan penulis David Horning, seorang ilmuwan di laboratorium Joyce. “Kami sangat bersemangat untuk menjawab bagaimana kehidupan awal dapat meningkatkan kompleksitas, dengan menggunakan alat yang dikembangkan di Salk.”

Metode yang digunakan di laboratorium Joyce juga membuka jalan bagi eksperimen 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 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 sebelumnya didukung NASA (80NSSC22K0973) dan Yayasan Simons (287624).