Warisan Ned Seeman |  Pendapat
Opinion

Warisan Ned Seeman | Pendapat

‘Bagaimana “perjuangan untuk hidup” Darwin terjadi sebagian besar belum diselidiki pada tingkat molekuler’, tulis Edith Heard, direktur jenderal Laboratorium Biologi Molekuler Eropa, baru-baru ini.1 Dia berbicara tentang mengembangkan gambaran organisme skala molekuler yang lebih baik di lingkungan alami mereka daripada potongan-potongan kecil di laboratorium. Tetapi cara lain untuk membaca komentarnya adalah bahwa proses dasar evolusi Darwin – replikasi, mutasi, dan seleksi – tidak banyak dieksplorasi pada tingkat molekul tunggal.

Tentu saja, pada organisme, efek mutasi genetik menjadi terlihat pada tekanan selektif hanya pada tingkat fenotipe. Ada dunia kompleksitas yang memisahkan mutasi genotipe yang diwariskan dari konsekuensi yang mereka miliki untuk kebugaran. Tetapi hubungannya jauh lebih langsung pada virus, dengan konsekuensi yang membuat kita sangat sadar dengan SARS-CoV-2. Dan kepercayaan yang tersebar luas adalah bahwa seleksi alam Darwinian dimulai di antara entitas molekul yang bahkan lebih sederhana – bahkan mungkin molekul tunggal, seperti yang dikemukakan dalam hipotesis dunia RNA tentang asal usul kehidupan.

Replikasi template dan pertumbuhan eksponensial dari untaian mirip DNA pertama kali ditunjukkan beberapa dekade yang lalu2 dan juga telah diamati pada enzim RNA yang dapat menampilkan persaingan antar varian.3 Proses seperti itu hanya menjadi Darwinian jika ada mutasi dan tekanan selektif yang membedakan antara mutan. Kedua fitur tersebut sekarang telah didemonstrasikan dalam konstruksi DNA sintetik, menghasilkan sistem molekuler prototipe yang seharusnya menawarkan model minimal yang sederhana dan merdu tentang ‘bagaimana “perjuangan untuk hidup” Darwin terjadi.’4

Wawasannya yang luar biasa adalah bahwa DNA dapat melakukan lebih dari apa yang dilakukan alam dengannya

Karya baru ini memanfaatkan nanoteknologi DNA yang dipelopori oleh mendiang Ned Seeman dari Universitas New York, yang meninggal pada bulan Desember – dan yang merupakan rekan penulis makalah ini bersama dengan fisikawan Paul Chaikin dan lainnya. Seeman adalah satu-satunya: seorang visioner imajinatif, di bawahnya yang kasar dan sikap blak-blakan adalah seorang pria yang penuh perhatian dan perhatian yang mengilhami kasih sayang yang besar dari teman-teman dan siswa.5 Wawasannya yang luar biasa adalah bahwa DNA dapat melakukan lebih dari apa yang dilakukan alam dengannya – ia dapat berfungsi sebagai molekul yang dapat diprogram yang dapat berkumpul sendiri melalui pemasangan basa ke dalam segala macam struktur dan susunan yang diperluas. Seeman dan lainnya telah menggunakan untaian DNA sintetis untuk membuat kerangka nano, kisi, pola origami, dan mesin molekuler.6

Di antara kemungkinan ini, Seeman, bekerja dengan Erik Winfree di California Institute of Technology, membuat untaian DNA yang terlipat menjadi ‘ubin’ yang menghubungkan melalui tepinya menjadi susunan yang dapat diprogram yang mewujudkan semacam perhitungan, analog dengan ‘automata seluler’ yang pertama kali dikemukakan. oleh Stanislas Ulam dan John von Neumann. Seperti yang terjadi, von Neumann memahami entitas hipotetis seperti itu sebagai model replikasi diri. Seeman, Chaikin dan rekan kerja mereka sekarang telah menjadi lingkaran penuh, menunjukkan bahwa ubin DNA tersebut memang dapat mewujudkan replikasi dan seleksi Darwin – melakukan dalam arti apa yang dilakukan DNA alami dalam genom, tetapi melalui struktur dan prinsip yang sangat berbeda.

Para peneliti telah membangun di atas pekerjaan sebelumnya di mana mereka mendemonstrasikan replikasi diri dari pola ubin.7 Entitas yang mereplikasi di sini adalah dimer di mana setiap komponen adalah ubin DNA berbentuk silang dengan ‘tepi lengket’ di mana basa dapat berpasangan dengan urutan komplementer pada ubin lain. Pasangan ini diprakarsai oleh dimer benih, yang dapat membentuk pembentukan dimer lain di tepi atas dan bawah. Dimer baru menjadi bersatu secara kovalen melalui gugus penghubung yang diaktifkan oleh sinar UV, dan dapat dengan sendirinya membentuk yang lain, menghasilkan pita seperti tangga yang tumbuh yang mengingatkan pada heliks DNA untai ganda itu sendiri. Dimer kemudian dapat dipisahkan dengan pemanasan ringan, menyelesaikan siklus replikasi.

Skema yang menunjukkan mutasi dari dimer AB ke dimer CD selama replikasi diri

Seeman dan rekan sebelumnya menunjukkan bahwa replikasi eksponensial ini juga dapat menampilkan seleksi: dengan dua ‘spesies’ ubin yang berbeda, satu direplikasi lebih cepat dalam kondisi asam sedangkan yang lain melakukannya pada pH netral. Sekarang mereka telah menambahkan elemen lain dari evolusi Darwin: mutasi. Selain dimer ‘reguler’ (AB), mereka memperkenalkan (CD) lain dengan urutan sticky-edge yang cukup mirip sehingga mereka dapat saling templat. Kemudian pita AB yang tumbuh mungkin menelurkan mutasi CD – dan dalam siklus replikasi berulang, yang terakhir dapat berkembang biak dan bahkan mengambil alih populasi, meskipun awalnya diunggulkan dengan dimer AB. Para peneliti menunjukkan bahwa lebih banyak jenis mutan dapat ditambahkan, dengan tingkat pertumbuhan yang berbeda dan kepekaan terhadap faktor lingkungan seperti pH atau suhu yang dapat bertindak sebagai tekanan selektif. Dengan cara ini sistem dapat digunakan untuk memodelkan fitur-fitur dasar seleksi alam secara eksperimental – untuk mengeksplorasi, katakanlah, apakah ada batasan pada kisaran tingkat mutasi yang akan mendukung evolusi Darwinian sejati, seperti yang diharapkan secara teoritis.

Tetapi lebih dari ini: blok bangunan skala nano dapat digunakan untuk membuat sistem material yang diperluas – di sini dalam rakit dua dimensi, tetapi yang lain telah menggunakan konstruksi DNA untuk membangun dalam tiga dimensi. Itu membuka tidak hanya replikasi tetapi seleksi alam sebagai alat untuk bahan yang dapat berevolusi – contoh bidang dugaan bahan hidup yang meminta dan mengeksploitasi kapasitas sistem kehidupan. Warisan Seeman mungkin baru saja dimulai.

Referensi

1 E Mendengar, Alam, 2022, 601, 9 (DOI: 10.1038/d41586-021-03818-3)

2G oleh Kiedrowski, Angew. Kimia Int. Ed., 1986, 25, 932 (DOI: 10.1002 / anie.198609322)

3 TA Lincoln dan GA Joyce, Sains, 2009, 323, 1229 (DOI: 10.1126/sains.1167856)

4 F Zhou dkk, Prok. Natl Acad. Sci USA, 2021, 118, e2111193118 (DOI: 10.1073/pnas.2111193118)

5P Bola, Alam, 2021, 600, 605 (DOI: 10.1038/d41586-021-03709-7)

6 NC Seeman, Nanoteknologi DNA Struktural. Cambridge University Press, 2016

7 X Dia dkk., Nat. Ibu., 2017, 16, 993 (DOI: 10.1038 / nmat4986)

Posted By : keluaran hk hari ini tercepat