Evolusi miliaran tahun telah membuat sel modern menjadi sangat kompleks. Di dalam sel terdapat kompartemen kecil yang disebut organel yang menjalankan fungsi spesifik yang penting untuk kelangsungan hidup dan pengoperasian sel. Misalnya, nukleus menyimpan materi genetik, dan mitokondria menghasilkan energi.
Bagian penting lainnya dari sel adalah membran yang membungkusnya. Protein yang tertanam pada permukaan membran mengontrol pergerakan zat masuk dan keluar sel. Struktur membran yang canggih ini memungkinkan terjadinya kompleksitas kehidupan seperti yang kita ketahui. Namun bagaimana sel paling awal dan paling sederhana menyatukan semuanya sebelum struktur membran yang rumit berevolusi?
Dalam penelitian kami yang baru-baru ini diterbitkan di jurnal Science Advances, saya dan rekan-rekan saya dari Universitas Chicago dan Universitas Houston mengeksplorasi kemungkinan menarik bahwa air hujan memainkan peran penting dalam menstabilkan sel-sel awal, membuka jalan bagi kompleksitas kehidupan.
Asal usul kehidupan
Salah satu pertanyaan paling menarik dalam sains adalah bagaimana kehidupan dimulai di Bumi. Para ilmuwan telah lama bertanya-tanya bagaimana benda mati seperti air, gas, dan endapan mineral berubah menjadi sel hidup yang mampu melakukan replikasi, metabolisme, dan evolusi.
Ahli kimia Stanley Miller dan Harold Urey di Universitas Chicago melakukan percobaan pada tahun 1953 yang menunjukkan bahwa senyawa organik kompleks – yang berarti molekul berbasis karbon – dapat disintesis dari senyawa organik dan anorganik yang lebih sederhana. Dengan menggunakan air, metana, amonia, gas hidrogen, dan percikan listrik, para ahli kimia ini membentuk asam amino.
Para ilmuwan percaya bahwa bentuk kehidupan paling awal, yang disebut sel proto, muncul secara spontan dari molekul organik yang ada di awal bumi. Struktur primitif mirip sel ini kemungkinan besar terbuat dari dua komponen mendasar: bahan matriks yang menyediakan kerangka struktural dan bahan genetik yang membawa instruksi agar sel proto berfungsi.
Seiring waktu, sel-sel proto ini secara bertahap mengembangkan kemampuan untuk mereplikasi dan menjalankan proses metabolisme. Kondisi tertentu diperlukan agar reaksi kimia penting dapat terjadi, seperti sumber energi tetap, senyawa organik, dan air. Kompartemen yang dibentuk oleh matriks dan membran sangat penting menyediakan lingkungan stabil yang dapat mengkonsentrasikan reaktan dan melindunginya dari lingkungan luar, sehingga memungkinkan terjadinya reaksi kimia yang diperlukan.
Oleh karena itu, muncul dua pertanyaan penting: Bahan apa yang membuat matriks dan membran sel proto? Dan bagaimana mereka memungkinkan sel-sel awal mempertahankan stabilitas dan fungsi yang mereka perlukan untuk bertransformasi menjadi sel-sel canggih yang membentuk semua organisme hidup saat ini?
Gelembung vs tetesan
Para ilmuwan mengusulkan bahwa dua model sel proto yang berbeda – vesikel dan coacervat – mungkin memainkan peran penting dalam tahap awal kehidupan.
Vesikel adalah gelembung kecil, seperti sabun dalam air. Mereka terbuat dari molekul lemak yang disebut lipid yang secara alami membentuk lembaran tipis. Vesikel terbentuk ketika lembaran-lembaran ini melengkung menjadi sebuah bola yang dapat membungkus bahan kimia dan melindungi reaksi penting dari lingkungan yang keras dan potensi degradasi.
Seperti miniatur kantong kehidupan, vesikel menyerupai struktur dan fungsi sel modern. Namun, tidak seperti membran sel modern, sel proto vesikel tidak memiliki protein khusus yang secara selektif memungkinkan molekul masuk dan keluar sel dan memungkinkan komunikasi antar sel. Tanpa protein ini, sel proto vesikel akan memiliki kemampuan terbatas untuk berinteraksi secara efektif dengan lingkungannya, sehingga membatasi potensi kehidupannya.
Coacervates, di sisi lain, adalah tetesan yang terbentuk dari akumulasi molekul organik seperti peptida dan asam nukleat. Mereka terbentuk ketika molekul organik saling menempel karena sifat kimia yang menarik mereka satu sama lain, seperti gaya elektrostatis antara molekul yang bermuatan berlawanan. Ini adalah kekuatan yang sama yang menyebabkan balon menempel pada rambut.
Coacervates dapat digambarkan sebagai tetesan minyak goreng yang tersuspensi dalam air. Mirip dengan tetesan minyak, sel protocoacervate tidak memiliki membran. Tanpa membran, air di sekitarnya dapat dengan mudah bertukar materi dengan sel proto. Fitur struktural ini membantu coacervates memusatkan bahan kimia dan mempercepat reaksi kimia, menciptakan lingkungan yang ramai untuk bahan penyusun kehidupan.
Dengan demikian, tidak adanya membran tampaknya membuat coacervates menjadi kandidat sel proto yang lebih baik dibandingkan vesikel. Namun, kurangnya membran juga menimbulkan kelemahan yang signifikan: potensi bocornya materi genetik.
Sel proto yang tidak stabil dan bocor
Beberapa tahun setelah ahli kimia Belanda menemukan tetesan coacervate pada tahun 1929, ahli biokimia Rusia Alexander Oparin mengusulkan bahwa coacervate adalah model sel proto yang paling awal. Dia berpendapat bahwa tetesan coacervate memberikan bentuk kompartementalisasi primitif yang penting untuk proses metabolisme awal dan replikasi diri.
Selanjutnya, para ilmuwan menemukan bahwa coacervate kadang-kadang dapat terdiri dari polimer bermuatan berlawanan: molekul panjang seperti rantai yang menyerupai spageti pada skala molekuler, membawa muatan listrik berlawanan. Ketika polimer dengan muatan listrik yang berlawanan dicampur, mereka cenderung saling tarik menarik dan saling menempel membentuk tetesan tanpa membran.
Ketiadaan membran menimbulkan tantangan: Tetesan-tetesan tersebut dengan cepat menyatu satu sama lain, mirip dengan tetesan minyak dalam air yang bergabung menjadi gumpalan besar. Selain itu, kurangnya membran memungkinkan RNA – sejenis materi genetik yang dianggap sebagai bentuk paling awal dari molekul yang dapat mereplikasi diri, yang penting untuk tahap awal kehidupan – untuk bertukar dengan cepat antar sel proto.
Rekan saya Jack Szostak menunjukkan pada tahun 2017 bahwa fusi dan pertukaran bahan yang cepat dapat menyebabkan pencampuran RNA yang tidak terkendali, sehingga menyulitkan evolusi rangkaian genetik yang stabil dan berbeda. Keterbatasan ini menunjukkan bahwa coacervate mungkin tidak mampu mempertahankan kompartementalisasi yang diperlukan untuk kehidupan awal.
Kompartmentalisasi adalah persyaratan ketat untuk seleksi alam dan evolusi. Jika sel-sel proto coacervate menyatu tanpa henti, dan gen-gen mereka terus-menerus bercampur dan bertukar satu sama lain, semuanya akan mirip satu sama lain tanpa adanya variasi genetik. Tanpa variasi genetik, tidak ada sel proto yang mempunyai kemungkinan lebih tinggi untuk bertahan hidup, bereproduksi, dan mewariskan gennya ke generasi mendatang.
Namun kehidupan saat ini tumbuh subur dengan beragam materi genetik, menunjukkan bahwa alam memecahkan masalah ini. Oleh karena itu, solusi terhadap masalah ini harus ada, mungkin tersembunyi di depan mata.
Air hujan dan RNA
Sebuah penelitian yang saya lakukan pada tahun 2022 menunjukkan bahwa tetesan coacervate dapat distabilkan dan menghindari fusi jika direndam dalam air deionisasi — air yang bebas dari ion dan mineral terlarut. Tetesan tersebut mengeluarkan ion-ion kecil ke dalam air, kemungkinan besar memungkinkan polimer bermuatan berlawanan di pinggirannya saling mendekat satu sama lain dan membentuk lapisan kulit yang bertautan. “Dinding” yang bertautan ini secara efektif menghalangi peleburan tetesan.
Selanjutnya, bersama kolega dan kolaborator saya, termasuk Matthew Tirrell dan Jack Szostak, saya mempelajari pertukaran materi genetik antar sel proto. Kami menempatkan dua populasi sel proto terpisah, yang diolah dengan air deionisasi, dalam tabung reaksi. Salah satu populasi ini mengandung RNA. Ketika kedua populasi dicampur, RNA tetap terkurung dalam sel protonya masing-masing selama berhari-hari. “Dinding” sel proto yang bertautan menghalangi kebocoran RNA.
Sebaliknya, ketika kita mencampurkan sel proto yang tidak diberi air deionisasi, RNA berdifusi dari satu sel proto ke sel proto lainnya dalam hitungan detik.
Terinspirasi oleh hasil ini, rekan saya Alamgir Karim bertanya-tanya apakah air hujan, yang merupakan sumber alami air bebas ion, dapat melakukan hal yang sama di dunia prebiotik. Bersama rekan lainnya, Anusha Vonteddu, saya menemukan bahwa air hujan memang menstabilkan sel proto terhadap fusi.
Kami yakin, hujan mungkin telah membuka jalan bagi sel-sel pertama.
Tetesan dengan dinding bertautan menolak fusi dan mencegah kebocoran RNA mereka. Dalam gambar ini, setiap warna mewakili jenis RNA yang berbeda.
Aman Agrawal, CC BY-SA
Bekerja lintas disiplin ilmu
Mempelajari asal usul kehidupan menjawab keingintahuan ilmiah tentang mekanisme yang menyebabkan kehidupan di Bumi dan pertanyaan filosofis tentang tempat kita di alam semesta dan sifat keberadaan.
Saat ini, penelitian saya menyelidiki awal mula replikasi gen dalam sel proto. Dengan tidak adanya protein modern yang membuat salinan gen di dalam sel, dunia prebiotik akan bergantung pada reaksi kimia sederhana antara nukleotida – bahan penyusun materi genetik – untuk membuat salinan RNA. Memahami bagaimana nukleotida bersatu membentuk rantai panjang RNA merupakan langkah penting dalam menguraikan evolusi prebiotik.
Untuk menjawab pertanyaan mendalam tentang asal usul kehidupan, penting untuk memahami kondisi geologi, kimia, dan lingkungan di awal bumi sekitar 3,8 miliar tahun yang lalu. Oleh karena itu, mengungkap awal mula kehidupan tidak hanya terbatas pada ahli biologi saja. Insinyur kimia seperti saya, dan peneliti dari berbagai bidang ilmiah, sedang mengeksplorasi pertanyaan eksistensial yang menarik ini.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation oleh Aman Agrawal di Sekolah Teknik Molekuler Universitas Chicago Pritzker. Baca artikel aslinya di sini.