Sistem kimia sederhana yang mampu meniru DNA tercipta

Model seniman pada untai DNA. Para peneliti melaporkan telah menciptakan sebuah analog baru dari DNA yang mampu menyusun dan melepas dirinya sendiri tanpa bantuan enzim. (Credit: iStockphoto)
ScienceDaily (June 12, 2009) — Sebuah tim ilmuan dari Scripps Research telah menciptakan sebuah analog baru dari DNA yang menyusun dan melepas dirinya tanpa perlu enzim. Karena sistem ini memuat komponen yang diduga ada pada dunia purba, sistem kimia baru ini dapat menjawab pertanyaan mengenai bagaimana kehidupan bisa muncul.
Penemuan yang dilaporkan dalam jurnal Science ini, dapat pula menjadi titik awal menuju bahan baru eksotis yang mampu memperbaiki diri atau merubah dirinya dalam merespon lingkungan.
Para ilmuan dikesankan sekaligus dipusingkan oleh pertanyaan bagaimana kehidupan bisa muncul di bumi. Salah satu teori yang paling diterima adalah, sebelum kemunculan DNA, bentuk terawal kehidupan memakai RNA untuk mengirim kode genetik mereka. Leslie Orgel, salah satu peneliti dalam paper baru ini, adalah yang pertama kali mengajukan gagasan ini, yang disebut “Dunia RNA.”
Salah satu tantangan teori ini adalah RNA terlalu rumit sehingga banyak peneliti percaya masih ada yang lebih sederhana lagi sebelumnya. “Saya menelitinya bertahun-tahun untuk belajar replikator dan sistem genetik apa yang mungkin ada sebelum dunia RNA,” kata pemimpin tim peneliti ini Professor Reza Ghadiri, ahli kimia Scripps Research
Satu fokus kuncu untuk tim Ghadiri adalah peran purba potensial dari asam amino. Tahun 1996, kelompok ini menunjukkan pertama kali kalau untai asam amino, atau peptida, dapat mereplikasi diri sendiri pada kondisi bebas enzim. Dalam karya saat ini, lab Ghadiri memperluas fokus ini dengan menciptakan tipe lain sistem informasi yang mampu meniru evolusi Darwin. “Ini adalah langkah awal menuju kesitu,” kata Ghadiri.
Balok bangunan yang lebih sederhana
Sementara sebagian besar penelitian dengan analog DNA seperti PNA berfokus pada basa nukleat yang telah ada pada satuan tulang punggung mereka, Ghadiri mendapat gagasan untuk bekerja dengan balok bangunan yang lebih sederhana. Bila balok-balok ini telah dengan mudah membalik ikatan, tidak seperti DNA dan PNA, ia dapat menghindari kebutuhan enzim sementara mempertahankan ciri kunci untuk menyandikan informasi.
Melihat kembali pada keberhasilan percobaan kemudian, Ghadiri mengatakan, “Ini saatnya anda mengatakan pada diri anda sendiri, “Kenapa tidak terpikir oleh saya dulu?”
Sistem baru yang dihasilkan memuat dua tipe komponen utama. Satuan tulang punggung adalah peptida yang terkait dalam sebuah pola himpunan dengan asam amino sistein yang terekspos dan tersedia untuk bereaksi. Peptida ini berinteraksi dengan basa nukleat yang sama yang ditemukan dalam DNA, namun setiap basa nukleat terikat pada satu senyawa organik yang disebut tioester.
Ikatan tioester dapat balik dengan sistein pada peptida untuk membentuk asam nukleat peptida tioester (tPNA). Ini memungkinkan basa nukleat melekat dan melepas sendiri tanpa enzim, sehingga untai peptida tersebut akan menopang barisan basa nukleat yang bergeser-geser. Proses ini seperti tentara yang berjalan di lapangan untuk membentuk sebuah formasi lalu pindah ke formasi lainnya.
Bila segmen terbuka dari DNA ditambahkan sebagai landasan pada sebuah larutan dengan komponen tPNA, tentara basa nukleat akan secara otomatis membentuk formasi pada untai peptida yang mengkomplemen DNA sesuai aturan standar Watson-Crick dimana adenin dengan timin dan sitosin dengan guanin.
Ikatan untai tPNA dan DNA dapat berkomplementer, namun pasangan ini dapat dibuka kembali dengan menambahkan campuran DNA komplementer, yang mengalahkan tPNA dalam ruang pada landasan awal. Pasangan DNA-DNA tetap stabil, menyebabkan komponen tPNA kembali bergetar secara tidak stabil hingga landas DNA baru ditambahkan dan proses mulai kembali.
Tim Ghadiri juga mampu menunjukkan kalau untai tPNA dapat menjadi sebuah landasan, menyebabkan pembentukan tPNA pengganti dan saling pasang untai, walau mereka belum dapat mencapai replikasi diri tPNA, tujuan puncaknya.
Semua penyusun kimia dari tPNA dapat ditemukan dalam dunia sebelum kehidupan muncul. “Jadi menggoda untuk memikirkan kemungkinan kalau peptida dan asam nukleat berperan dalam sistem genetika purba,” kata Ghadiri.
Walau demikian, karena tPNA dapat dengan mudah terurai, untai ini tidak secara teknis mengirim informasi, dan transmisi itulah yang justru merupakan cara DNA mengendalikan kehidupan.
Agar lebih memahami peran purba tPNA potensial, tim ini kini mencari cara sehingga unit tPNA dapat secara kimia diubah sedemikian hingga pada satu titik para tentara mulai saling mengunci tangan setelah mencapai formasi tertentu, memungkinkan lewatnya informasi. Tim ini juga meneliti struktur tPNA, yang dapat berupa heliks ganda atau sangat berbeda.
Melebihi pertanyaan asal usul kehidupan, Ghadiri mengatakan kalau penelitian ini juga menawarkan beberapa kemungkinan jauh yang menarik, khususnya dalam mempertimbangkan kalau ada tak terhitung kemungkinan menciptakan sistem sama dengan tPNA memakai beragam penyusun kimia. Sistem demikian dapat membawa p ada pembentukan enzim baru atau zat kimia baru yang mampu mengkatalis reaksi dalam penggunaan biomedis atau lainnya. ”Kapasitas untuk memiliki struktur lipat seperti asam amino dengan fitur protein akan memberi kita fungsionalitas baru,” katanya, walau mustahil mengatakan apa fungsionalitas baru itu sekarang.
Ghadiri juga membayangkan pilihan sains fiksi untuk bahan terkait tPNA seperti plastik yang dapat memperbaiki dirinya sendiri saat pecah. Kemungkinan lain, terikat pada bagaimana tPNA menyusun diri saat di ekspos beragam landasan, dapat menciptakan bahan yang dapat memodelkan dirinya sendiri dengan merespon perubahan lingkungan.
”Anda dapat secara prinsip melakukan banyak hal, dan kami antusias mengenai prospeknya,” kata Ghadiri. "Ini baru awal."
Selain Orgel dan Ghadiri peneliti lain adalah Yasuvuki Ura, John Beierle, dan Luke Leman, semuanya dari Scripps Research Institute.
Penelitian ini didukung oleh Skaggs Institute for Chemical Biology, NASA Earth and Space Science Fellowship Program, dan NASA Science Mission Directorate's Planetary Science Division. Paper ini didedikasikan untuk mendiang Leslie E. Orgel.
Journal reference:
1. Yasuyuki Ura, John M. Beierle, Luke J. Leman, Leslie E. Orgel, M. Reza Ghadiri. Self-Assembling Sequence-Adaptive Peptide Nucleic Acids. Science, 2009 DOI: 10.1126/science.1174577