Interaksi DNA-peptida menciptakan perilaku kompleks yang mungkin telah membantu membentuk biologi

Para peneliti menemukan bahwa interaksi DNA-peptida sederhana menciptakan keragaman yang mengejutkan dari perilaku fase urutan tinggi yang terkotak-kotak, menunjukkan bahwa interaksi primordial polimer ini membantu menciptakan struktur biologis kompleks modern.

Interaksi asam deoksiribonukleat (DNA) -protein sangat penting dalam biologi. Misalnya, setiap sel manusia mengandung DNA sekitar 2 meter, tetapi ini dikemas ke dalam ruang yang berukuran sekitar satu juta kali lebih kecil. Informasi dalam DNA ini memungkinkan sel menggandakan dirinya sendiri. Pengemasan ekstrem ini terutama dilakukan di dalam sel dengan membungkus DNA di sekitar protein. 

Jadi, bagaimana DNA dan protein berinteraksi sangat menarik bagi para ilmuwan yang mencoba memahami bagaimana biologi mengatur dirinya sendiri. 

Penelitian baru oleh para ilmuwan di Earth-Life Science Institute (ELSI) di Tokyo Institute of Technology dan Institut Pierre-Gilles de Gennes, ESPCI Paris, Université PSL menunjukkan bahwa interaksi DNA dan protein memiliki kecenderungan yang mendalam untuk membentuk yang lebih tinggi- struktur tertata seperti yang memungkinkan pengemasan DNA yang ekstrem dalam sel.

Sel hidup modern pada dasarnya terdiri dari beberapa kelas molekul besar. DNA mendapat perhatian terbesar karena merupakan gudang informasi yang digunakan sel untuk membangun dirinya sendiri dari generasi ke generasi. 

DNA yang kaya informasi ini biasanya hadir sebagai lambang untai ganda dari dua polimer yang melilit satu sama lain, dengan banyak dari apa yang membuat informasi yang dikandung DNA dikaburkan ke lingkungan luar karena bagian-bagian yang membawa informasi dari molekul terlibat dengan pelengkap mereka untai. 

Ketika DNA disalin menjadi asam ribonukleat (RNA), untaiannya ditarik terpisah untuk memungkinkan permukaan yang lebih kompleks berinteraksi, yang memungkinkannya disalin ke dalam polimer RNA untai tunggal. Polimer RNA ini akhirnya dibaca oleh proses biologis menjadi protein, yang merupakan polimer dari berbagai asam amino dengan sifat permukaan yang sangat rumit. 

Jadi, DNA dan RNA agak dapat diprediksi dalam hal perilaku kimianya sebagai polimer, sedangkan protein tidak.

Molekul polimer, yang tersusun atau berulang jenis subunit, dapat menunjukkan perilaku kompleks bila dicampur dengan bahan kimia lain, terutama bila dilarutkan dalam pelarut seperti air. Kimiawan telah mengembangkan seperangkat istilah kompleks tentang bagaimana senyawa berperilaku saat dicampur. 

Misalnya, protein dalam susu sapi dianggap sebagai suspensi koloid (atau campuran tersuspensi nonkristalin homogen yang tidak mengendap dan tidak dapat dipisahkan secara fisik) suspensi dalam air. Ketika jus lemon ditambahkan ke susu, protein yang tersuspensi mengatur ulang diri mereka sendiri untuk menghasilkan dadih yang dapat diatur sendiri, yang terpisah menjadi fase baru. 

Ada jenis lain dari fenomena yang telah ditemukan ahli kimia selama bertahun-tahun, misalnya, kristal cair (LC). LC terbentuk ketika molekul memiliki bentuk memanjang atau kecenderungan untuk membuat agregat linier (seperti tumpukan molekul yang bertumpuk satu sama lain): bahan yang dihasilkan menyajikan campuran sifat kristal dan cairan: bahan tersebut memiliki tingkat keteraturan tertentu seperti padatan (misalnya, orientasi paralel molekul) tetapi masih mempertahankan fluiditasnya (molekul dapat dengan mudah tergelincir satu sama lain). 

Kita semua mengalami kristal cair di berbagai layar tempat kita berinteraksi dengan "LCD" setiap hari, atau layar kristal cair, yang menggunakan properti variabel ini untuk membuat gambar yang kita lihat di layar perangkat kita. 

Dalam pekerjaan mereka, Fraccia dan Jia, menunjukkan bahwa DNA dan peptida untai ganda dapat menghasilkan banyak fase LC yang berbeda dengan cara yang sangat aneh: LC sebenarnya terbentuk dalam tetesan tanpa membran, yang disebut coacervates, di mana DNA dan peptida secara spontan berkumpul dan dipesan. 

Proses ini membawa DNA dan peptida ke konsentrasi yang sangat tinggi, sebanding dengan inti sel, yang 100-1000 kali lebih besar dari larutan awal yang sangat encer (yang merupakan konsentrasi maksimum yang mungkin dapat dicapai di Bumi awal). 

Dengan demikian, perilaku spontan seperti itu pada prinsipnya dapat mendukung pembentukan struktur seperti sel pertama di Bumi awal, yang akan memanfaatkan matriks LC yang teratur tetapi cair untuk mendapatkan stabilitas dan fungsionalitas, dan untuk mendukung pertumbuhan dan evolusi biomolekul primitif. yang 100-1000 kali lebih besar dari larutan awal yang sangat encer (yang merupakan konsentrasi maksimum yang mungkin dapat dicapai di Bumi awal). 

Dengan demikian, perilaku spontan seperti itu pada prinsipnya dapat mendukung pembentukan struktur mirip sel pertama di Bumi awal, yang akan memanfaatkan matriks LC yang teratur tetapi cair untuk mendapatkan stabilitas dan fungsionalitas, dan untuk mendukung pertumbuhan dan evolusi biomolekul primitif. yang 100-1000 kali lebih besar dari larutan awal yang sangat encer (yang merupakan konsentrasi maksimum yang mungkin dapat dicapai di Bumi awal). 

Dengan demikian, perilaku spontan seperti itu pada prinsipnya dapat mendukung pembentukan struktur mirip sel pertama di Bumi awal, yang akan memanfaatkan matriks LC yang teratur tetapi cair untuk mendapatkan stabilitas dan fungsionalitas, dan untuk mendukung pertumbuhan dan evolusi biomolekul primitif.

Batas antara saat properti tingkat tinggi ini mulai muncul tidak selalu jelas. Ketika molekul berinteraksi pada tingkat molekuler, mereka sering kali "mengatur dirinya sendiri". 

Kita dapat membayangkan proses penambahan pasir ke tumpukan pasir: ketika seseorang menaburkan lebih banyak pasir ke tumpukan, itu cenderung membentuk keadaan akhir "energi rendah" - tumpukan. 

Meskipun penambahan butiran pasir dapat menyebabkan beberapa struktur baru terbentuk secara lokal, di beberapa titik, penambahan satu butir lagi menyebabkan longsor pada tumpukan yang memperkuat bentuk kerucut dari tumpukan.

Meskipun kita semua mendapat manfaat dari keberadaan fenomena ini, komunitas ilmiah mungkin kehilangan aspek penting dari implikasi jenis organisasi mandiri ini, kata Jia dan Fraccia. 

Kombinasi dari efek pengorganisasian diri material kolektif ini mungkin relevan di banyak skala biologi dan mungkin penting untuk transisi struktur biomolekuler dalam fisiologi sel dan penyakit. 

Secara khusus, para peneliti menemukan bahwa berbagai struktur kristal cair dapat diakses terus menerus hanya dengan perubahan kondisi lingkungan, bahkan sesederhana perubahan salinitas atau suhu; mengingat banyak kondisi yang belum dijelajahi, pekerjaan ini menunjukkan lebih banyak lagi mesofasa LC yang terorganisir sendiri dengan fungsi biologis potensial dapat ditemukan dalam waktu dekat.

Pemahaman baru tentang pengorganisasian diri biopolimerik mungkin juga penting untuk memahami bagaimana kehidupan mengatur diri sendiri menjadi hidup di tempat pertama. 

Memahami bagaimana kumpulan molekul primitif dapat menyusun diri mereka sendiri menjadi agregat yang berperilaku kolektif adalah jalan yang signifikan untuk penelitian di masa depan.

"Ketika masyarakat umum mendengar tentang kristal cair, mereka mungkin memikirkan layar TV dan aplikasi teknik. Namun, sangat sedikit yang langsung memikirkan sains dasar. Kebanyakan peneliti bahkan tidak akan membuat hubungan antara LC dan asal mula kehidupan. Kami berharap ini pekerjaan akan membantu meningkatkan pemahaman publik tentang LC dalam konteks asal mula kehidupan, "kata rekan penulis Jia.

Akhirnya, pekerjaan ini mungkin juga relevan dengan penyakit. Misalnya, penemuan terbaru mengenai penyakit termasuk Alzheimer, Parkinson, Huntington's Disease, dan ALS (Lou Gehrig's Disease) telah menunjukkan transisi fase intraseluler dan pemisahan yang mengarah ke tetesan tanpa membran sebagai penyebab utama potensial.

Para peneliti mencatat bahwa meskipun pekerjaan mereka sangat dipengaruhi oleh pandemi, mereka melakukan yang terbaik untuk tetap bekerja di bawah penutupan global dan pembatasan perjalanan.

Referensi

Tommaso P. Fraccia 1 * & Tony Z. Jia 2,3 , Coacervates Kristal Cair Terdiri dari DNA Untai Ganda Pendek dan Peptida Kationik, ACS Nano , DOI: 10.1021 / acsnano.0c05083

1. Institut Pierre-Gilles de Gennes, Chimie Biologie Innovation, ESPCI Paris, CNRS, PSL Research University, 75005 Paris, Prancis

2. Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology, 2-12-1-IE-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8550, Jepang

3 . Blue Marble Space Institute of Science, 1001 Fourth Ave., Suite 3201, Seattle, Washington 98154, Amerika Serikat