July 31, 2021
Penelitian Mengejutkan Mengungkapkan Fotosintesis Bisa Setua Kehidupan Itu Sendiri

Penelitian Mengejutkan Mengungkapkan Fotosintesis Bisa Setua Kehidupan Itu Sendiri

Cyanobacteria di permukaan air.

Para peneliti menemukan bahwa bakteri paling awal memiliki alat untuk melakukan langkah penting dalam fotosintesis, mengubah cara berpikir kehidupan berevolusi di Bumi.

Penemuan ini juga menantang ekspektasi tentang bagaimana kehidupan mungkin berevolusi di planet lain. Evolusi fotosintesis yang menghasilkan oksigen dianggap sebagai faktor kunci dalam kemunculan kehidupan kompleks pada akhirnya. Ini diperkirakan membutuhkan waktu beberapa miliar tahun untuk berkembang, tetapi jika pada kenyataannya kehidupan paling awal dapat melakukannya, maka planet lain mungkin telah mengembangkan kehidupan yang kompleks jauh lebih awal dari yang diperkirakan sebelumnya.

“Sekarang, kita tahu bahwa Fotosistem II menunjukkan pola evolusi yang biasanya hanya dikaitkan dengan enzim tertua yang diketahui, yang sangat penting bagi kehidupan itu sendiri untuk berkembang.” – Dr. Tanai Cardona

Tim peneliti yang dipimpin oleh para ilmuwan dari Imperial College London, menelusuri evolusi protein utama yang diperlukan untuk fotosintesis, hingga kemungkinan asal usul kehidupan bakteri di Bumi. Hasilnya dipublikasikan dan dapat diakses secara bebas di BBA – Bioenergetika.

Peneliti utama Dr. Tanai Cardona, dari Departemen Ilmu Hayati di Imperial, berkata: “Kami sebelumnya telah menunjukkan bahwa sistem biologis untuk melakukan produksi oksigen, yang dikenal sebagai Fotosistem II, sangat tua, tetapi sampai sekarang kami belum pernah mampu menempatkannya di garis waktu sejarah kehidupan.

“Sekarang, kita tahu bahwa Fotosistem II menunjukkan pola evolusi yang biasanya hanya dikaitkan dengan enzim tertua yang diketahui, yang sangat penting bagi kehidupan itu sendiri untuk berkembang.”

Produksi oksigen awal

Fotosintesis, yang mengubah sinar matahari menjadi energi, bisa datang dalam dua bentuk: satu menghasilkan oksigen, dan satu lagi tidak. Bentuk penghasil oksigen biasanya diasumsikan berevolusi kemudian, terutama dengan munculnya cyanobacteria, atau alga biru-hijau, sekitar 2,5 miliar tahun yang lalu.

Sementara beberapa penelitian menunjukkan kantong fotosintesis penghasil oksigen (oksigenik) mungkin telah ada sebelum ini, itu masih dianggap sebagai inovasi yang membutuhkan setidaknya beberapa miliar tahun untuk berevolusi di Bumi.

Penelitian baru menemukan bahwa enzim yang mampu melakukan proses kunci dalam fotosintesis oksigenik – memecah air menjadi hidrogen dan oksigen – sebenarnya ada pada beberapa bakteri paling awal. Bukti paling awal kehidupan di Bumi berusia lebih dari 3,4 miliar tahun dan beberapa penelitian menunjukkan bahwa kehidupan paling awal bisa jadi lebih tua dari 4,0 miliar tahun.

Koloni Cyanobacteria

Koloni cyanobacteria di bawah mikroskop.

Seperti evolusi mata, versi pertama fotosintesis oksigenik mungkin sangat sederhana dan tidak efisien; Karena mata paling awal hanya merasakan cahaya, fotosintesis paling awal mungkin sangat tidak efisien dan lambat.

Di Bumi, butuh lebih dari satu miliar tahun bagi bakteri untuk menyempurnakan proses yang mengarah pada evolusi cyanobacteria, dan dua miliar tahun lagi bagi hewan dan tumbuhan untuk menaklukkan daratan. Namun, bahwa produksi oksigen hadir sangat awal di lingkungan lain, seperti di planet lain, transisi ke kehidupan yang kompleks bisa memakan waktu yang jauh lebih sedikit.

Mengukur jam molekuler

Tim membuat penemuan mereka dengan melacak ‘jam molekuler’ dari protein fotosintesis utama yang bertanggung jawab untuk memisahkan air. Metode ini memperkirakan laju evolusi protein dengan melihat waktu antara momen evolusi yang diketahui, seperti munculnya berbagai kelompok cyanobacteria atau tumbuhan darat, yang membawa versi protein tersebut saat ini. Laju evolusi yang dihitung kemudian diperpanjang kembali ke masa lalu, untuk melihat kapan protein pertama kali berevolusi.

“Kami dapat mengembangkan sistem foto yang dapat melakukan reaksi kimia hijau dan berkelanjutan yang kompleks, yang sepenuhnya didukung oleh cahaya.” – Dr. Tanai Cardona

Mereka membandingkan laju evolusi protein fotosintesis ini dengan protein kunci lain dalam evolusi kehidupan, termasuk yang membentuk molekul penyimpan energi dalam tubuh dan yang menerjemahkan. DNA urutan menjadi RNA, yang diperkirakan berasal sebelum nenek moyang semua kehidupan seluler di Bumi. Mereka juga membandingkan laju kejadian yang diketahui terjadi baru-baru ini, ketika kehidupan sudah bervariasi dan cyanobacteria muncul.

Protein fotosintesis menunjukkan pola evolusi yang hampir identik dengan enzim tertua, membentang jauh ke masa lalu, menunjukkan bahwa mereka berevolusi dengan cara yang serupa.

Penulis pertama studi Thomas Oliver, dari Departemen Ilmu Kehidupan di Imperial, mengatakan: “Kami menggunakan teknik yang disebut Rekonstruksi Urutan Leluhur untuk memprediksi urutan protein protein fotosintetik leluhur.

“Urutan ini memberi kami informasi tentang bagaimana leluhur Fotosistem II akan bekerja dan kami dapat menunjukkan bahwa banyak komponen kunci yang diperlukan untuk evolusi oksigen di Fotosistem II dapat ditelusuri ke tahap paling awal dalam evolusi enzim.”

Mengarahkan evolusi

Mengetahui bagaimana protein fotosintesis utama ini berevolusi tidak hanya relevan untuk pencarian kehidupan di planet lain, tetapi juga dapat membantu para peneliti menemukan strategi untuk menggunakan fotosintesis dengan cara baru melalui biologi sintetis.

Dr. Cardona, yang memimpin proyek tersebut sebagai bagian dari UKRI Future Leaders Fellowship, mengatakan: “Sekarang kami memiliki pemahaman yang baik tentang bagaimana protein fotosintesis berevolusi, beradaptasi dengan dunia yang berubah, kami dapat menggunakan ‘evolusi terarah’ untuk mempelajari bagaimana untuk mengubahnya untuk menghasilkan jenis kimia baru.

“Kami dapat mengembangkan sistem foto yang dapat melakukan reaksi kimia hijau dan berkelanjutan yang kompleks, yang sepenuhnya didukung oleh cahaya.”

Referensi: “Evolusi molekuler komparatif yang diselesaikan waktu dari fotosintesis oksigenik” oleh Thomas Oliver, Patricia Sánchez-Baracaldo, Anthony W. Larkum, A. William Rutherford dan Tanai Cardona, 19 Februari 2021, BBA – Bioenegetik.
DOI: 10.1016 / j.bbabio.2021.148400