Asal Mula kimia kehidupan, Penitian Terbaru

Sebuah penelitian oleh Deutsches Elektronen-Synchrotron DESIS Dalam pencarian asal-usul kimiawi kehidupan terbit di jurnal Chemical Communications. Para peneliti menemukan jalur alternatif yang mungkin untuk terbentuknya pola karakteristik DNA, yaitu pasangan basa DNA dapat terbentuk dengan pemanasan kering, tanpa air atau pelarut lainnya.

Salah satu pertanyaan paling menarik dalam pencarian asal usul kehidupan adalah bagaimana seleksi kimiawi terjadi dan bagaimana biomolekul pertama terbentuk, “kata Tomislav Stolar dari Rudjer Boskovic Institute di Zagreb, penulis utama makalah penelitian terbaru tersebut. Sementara sel hidup mengontrol produksi biomolekul dengan mesin canggih mereka, blok bangunan molekul dan supramolekul pertama dari kehidupan kemungkinan besar dibuat oleh kimia murni dan tanpa katalisis enzim. Untuk studi mereka, para ilmuwan menyelidiki pembentukan pasangan nukleobase yang bertindak sebagai unit pengenalan molekul di Deoksiribonukleat. Asam (DNA).

Kode genetik kita disimpan dalam DNA sebagai urutan spesifik yang dieja oleh nukleobase adenin (A), sitosin (C), guanin (G) dan timin (T). Kode ini disusun dalam dua untai panjang yang saling melengkapi dalam struktur heliks ganda. Dalam untaian, setiap nukleobase berpasangan dengan pasangan komplementer di untai lainnya: adenin dengan timin dan sitosin dengan guanin.

“Hanya kombinasi pasangan spesifik yang terjadi dalam DNA, tetapi ketika nukleobasa diisolasi, mereka tidak suka mengikat satu sama lain. Jadi mengapa alam memilih pasangan basa ini?” kata Stolar. Investigasi pasangan nukleobase melonjak setelah penemuan struktur heliks ganda DNA oleh James Watson dan Francis Crick pada tahun 1953. Namun, cukup mengejutkan bahwa hanya ada sedikit keberhasilan dalam mencapai pasangan nukleobase spesifik dalam kondisi yang dapat dianggap masuk akal secara prebiotik. .

“Kami telah menjelajahi jalur yang berbeda,” lapor rekan penulis Martin Etter dari DESY. “Kami telah mencoba mencari tahu apakah pasangan basa dapat dibangkitkan dengan energi mekanik atau hanya dengan pemanasan.” Untuk tujuan ini, tim mempelajari nukleobasa termetilasi. Memiliki gugus metil (-CH3) yang terikat pada masing-masing nukleobasa pada prinsipnya memungkinkan mereka untuk membentuk ikatan hidrogen di sisi molekul Watson-Crick. Nukleobasa termetilasi terjadi secara alami di banyak organisme hidup di mana mereka memenuhi berbagai fungsi biologis.

Di laboratorium, para ilmuwan mencoba menghasilkan pasangan nukleobase dengan menggiling. Bubuk dua nukleobase dimasukkan ke dalam milling jar bersama dengan bola baja yang berfungsi sebagai media gerinda, sedangkan toples diguncang secara terkendali. Eksperimen tersebut menghasilkan pasangan A: T yang juga telah diamati oleh ilmuwan lain sebelumnya. Namun, penggilingan tidak dapat mencapai pembentukan pasangan G: C.

Pada langkah kedua, para peneliti memanaskan bubuk sitosin dan guanin tanah. “Pada suhu sekitar 200 derajat Celcius, kami memang bisa mengamati pembentukan pasangan sitosin-guanin,” lapor Stolar. Untuk menguji apakah basa hanya membentuk pasangan yang diketahui dalam kondisi termal, tim mengulangi eksperimen dengan campuran tiga dan empat nukleobasa di stasiun pengukuran P02.1 dari sumber sinar-X DESY PETRA III. Di sini, struktur kristal rinci dari campuran dapat dipantau selama pemanasan dan pembentukan fase baru dapat diamati.

“Pada suhu sekitar 100 derajat Celcius, kami dapat mengamati pembentukan pasangan adenin-timin, dan pada sekitar 200 derajat Celcius pembentukan pasangan guanin dan sitosin Watson-Crick,” kata Etter, kepala stasiun pengukuran. “Pasangan basa lainnya tidak terbentuk bahkan ketika dipanaskan lebih lanjut sampai meleleh.” Hal ini membuktikan bahwa reaksi termal dari pasangan basa memiliki selektivitas yang sama seperti pada DNA.

“Hasil kami menunjukkan rute alternatif yang mungkin tentang bagaimana pola pengenalan molekuler yang kami amati dalam DNA bisa terbentuk,” tambah Stolar. “Kondisi eksperimen ini memungkinkan untuk Bumi muda yang dulunya panas, kuali mendidih dengan gunung berapi, gempa bumi, tabrakan meteorit dan segala macam peristiwa lainnya. Hasil kami membuka banyak jalur baru dalam pencarian asal mula kimiawi kehidupan. ” Tim berencana untuk menyelidiki rute ini lebih lanjut dengan eksperimen lanjutan di P02.1.

DESY adalah salah satu pusat akselerator partikel terkemuka di dunia dan menyelidiki struktur dan fungsi materi – dari interaksi partikel elementer kecil dan perilaku bahan nano baru dan biomolekul vital hingga misteri besar alam semesta. Akselerator dan detektor partikel yang dikembangkan dan dibuat DESY di lokasinya di Hamburg dan Zeuthen untuk alat penelitian yang unik. Mereka menghasilkan radiasi sinar-X paling kuat di dunia, mempercepat partikel untuk merekam energi dan membuka jendela baru ke alam semesta. DESY adalah anggota Asosiasi Helmholtz, asosiasi ilmiah terbesar Jerman, dan menerima dana dari Kementerian Pendidikan dan Penelitian Federal Jerman (BMBF) (90 persen) dan negara bagian Jerman federal di Hamburg dan Brandenburg (10 persen).

Jurnal Referensi
Tomislav Stolar, Stipe Lukin, Maša Rajić Linarić, Krunoslav Užarević, Martin Etter, Ernest Meštrović, Ivan Halasz. 2020. DNA-specific selectivity in pairing of model nucleobases in the solid state. Chemical Communications, 2020; DOI: 10.1039/D0CC03491F