Protein kuno membuktikan bahwa buku pelajaran salah tentang bahan penyusun kehidupan yang pertama

TUCSON, Arizona — Empat miliar tahun yang lalu, kehidupan di Bumi menghadapi tantangan kuliner: bagaimana membangun protein kompleks dari bahan-bahan yang terbatas. Solusinya – kode genetik universal – akan menjadi salah satu penemuan alam terbesar, yang digunakan oleh hampir setiap organisme yang hidup saat ini. Namun, penelitian baru menunjukkan bahwa kita telah salah memahami bagaimana buku masak kosmik ini terbentuk.

“Kode genetik adalah hal menakjubkan di mana rangkaian DNA atau RNA yang mengandung rangkaian empat nukleotida diterjemahkan menjadi rangkaian protein menggunakan 20 asam amino berbeda,” kata Joanna Masel, penulis senior dan profesor ekologi dan biologi evolusi di Universitas of Arizona, dalam rilis media. “Ini adalah proses yang sangat rumit, dan kode kami ternyata sangat bagus. Ini hampir optimal untuk banyak hal, dan itu harus berkembang secara bertahap.”

Selama berpuluh-puluh tahun, para ilmuwan percaya bahwa mereka telah mengetahui dengan baik urutan penambahan asam amino ke dalam buku resep awal kehidupan. Teori yang berlaku menyatakan bahwa asam amino pertama adalah asam amino yang tersedia di awal Bumi, seperti yang ditemukan dalam eksperimen Miller-Urey yang mensimulasikan kondisi primitif Bumi pada tahun 1952.

Namun, penelitian baru ini, dipublikasikan di Prosiding Akademi Sains Nasionals, menunjukkan bahwa pemahaman ini memiliki kelemahan karena bergantung pada eksperimen laboratorium yang menyesatkan dan bukan pada bukti evolusi. Meskipun berharga dalam menunjukkan bahwa benda mati dapat menjadi bahan penyusun kehidupan melalui reaksi kimia sederhana, eksperimen ini memiliki keterbatasan. Misalnya, percobaan Miller-Urey tidak menghasilkan asam amino yang mengandung sulfur – bukan karena asam amino tersebut tidak penting bagi kehidupan awal, namun hanya karena sulfur tidak dimasukkan dalam percobaan.

Dipimpin oleh Sawsan Wehbi, seorang mahasiswa doktoral di Program Interdisipliner Pascasarjana Genetika di Universitas Arizona, penelitian ini mengambil pendekatan baru dengan memeriksa rangkaian protein yang berasal dari LUCA – Leluhur Universal Terakhir yang menjadi asal muasal semua kehidupan saat ini.

“Jika Anda menganggap protein sebagai mobil, maka domain itu seperti roda,” jelas Wehbi. “Ini adalah bagian yang dapat digunakan di banyak mobil berbeda, dan roda sudah ada lebih lama dibandingkan mobil.”

Dengan mempelajari pola protein kuno ini, tim telah menemukan bukti mengejutkan bahwa beberapa asam amino yang sebelumnya dianggap baru dalam buku resep kehidupan sebenarnya termasuk dalam bahan pertama. Mereka mengidentifikasi lebih dari 400 keluarga rangkaian yang berasal dari LUCA, dengan lebih dari 100 berasal lebih awal dan menunjukkan tanda-tanda diversifikasi sebelum LUCA ada.

Mungkin yang paling mengejutkan, penelitian ini menunjukkan bahwa asam amino yang mengandung sulfur seperti sistein dan metionin, serta asam amino pengikat logam histidin, ditambahkan ke dalam kode genetik jauh lebih awal dari yang diperkirakan sebelumnya. Hal ini sangat penting karena asam amino ini memainkan peran penting dalam proses biologis – terutama dalam mengikat logam, yang penting dalam banyak reaksi kimia kehidupan.

“Di dunia seperti Mars, Enceladus, dan Europa, di mana senyawa belerang banyak terdapat, hal ini dapat memberi informasi bagi pencarian kehidupan kita dengan menyoroti siklus biogeokimia analog atau metabolisme mikroba. Wawasan seperti itu mungkin menyempurnakan apa yang kita cari dalam biosignatures, membantu mendeteksi bentuk kehidupan yang tumbuh subur dalam kimia kaya sulfur atau analog di luar Bumi,” catat rekan penulis studi Dante Lauretta, Regents Professor of Planetary Science and Cosmochemistry di University of Arizona. menambahkan bahwa implikasi dari temuan ini jauh melampaui Bumi.

Metodologi penelitian ini sangat cerdas. Daripada mengandalkan model teoretis tentang apa yang mungkin tersedia di masa awal Bumi, para peneliti melihat domain protein – unit fungsional protein yang dapat melipat dan berfungsi secara independen – yang sudah ada sejak zaman LUCA. Dengan memeriksa seberapa sering asam amino yang berbeda muncul dalam rangkaian protein kuno dibandingkan dengan yang lebih baru, mereka dapat menyimpulkan asam amino mana yang tersedia ketika protein ini pertama kali berevolusi.

Penelitian mengungkapkan bahwa asam amino yang lebih kecil umumnya ditambahkan ke kode genetik terlebih dahulu. Namun, ada beberapa pengecualian menarik terhadap aturan ini. Metionin dan histidin ditambahkan lebih awal dari perkiraan ukurannya, sedangkan glutamin ditambahkan kemudian. Hal ini masuk akal jika Anda mempertimbangkan peran asam amino ini – metionin sangat penting untuk proses yang disebut metilasi yang digunakan sel untuk mengatur gennya, sementara histidin sangat baik dalam mengikat logam, yang mungkin penting untuk reaksi kimia awal kehidupan.

Mungkin pelajaran paling mendalam dari penelitian ini bukan hanya tentang bagaimana kehidupan dimulai, namun tentang bagaimana ilmu pengetahuan itu sendiri berkembang. Sama seperti kode genetik kehidupan yang muncul melalui trial and error, pemahaman kita tentang asal usulnya terus disempurnakan dan ditulis ulang. Dan seperti molekul-molekul kuno berbentuk cincin yang tampaknya disukai oleh kehidupan di awal kehidupan, kita telah sampai pada tahap yang utuh – kembali ke papan gambar untuk memikirkan kembali apa yang kita pikir telah kita ketahui tentang buku masak pertama kehidupan.