Terlepas dari kemajuan selama bertahun-tahun, asal usul kehidupan tetap menjadi salah satu misteri sains yang paling abadi.

“Fitur biologi yang paling penting, makhluk hidup terdiri dari sel-sel, yang melaluinya Anda meneruskan informasi genetik DNA“Mereka menggunakan enzim protein untuk menggerakkan metabolisme mereka, dan semua itu muncul melalui proses khusus dalam sejarah evolusi yang sangat awal,” kata Aaron Goldman, asisten profesor biologi di Oberlin College. “Memahami bagaimana sistem biologis dasar ini pertama kali terbentuk tidak hanya akan memberi kita wawasan tentang bagaimana kehidupan bekerja pada tingkat dasar, tetapi apa sebenarnya kehidupan itu dan bagaimana kita dapat mencarinya di luar Bumi.”

Pertanyaan tentang bagaimana kehidupan pertama kali muncul biasanya dipelajari melalui eksperimen laboratorium yang mensimulasikan lingkungan Bumi purba dan mencari bahan kimia yang dapat menciptakan jenis biomolekul dan reaksi metabolisme yang sama seperti yang kita lihat pada makhluk hidup saat ini. Ini dikenal sebagai pendekatan “bottom-up” karena bekerja dengan bahan yang seharusnya ada di Bumi untuk prebiotik.

Sementara apa yang disebut eksperimen “kimia prebiotik” ini telah berhasil mendemonstrasikan cara hidup mungkin Tumbuh dewasa, mereka tidak bisa memberi tahu kita seperti apa kehidupan sebenarnya sebuah aksi timbul. Sementara itu, penelitian lain menggunakan teknik dari biologi evolusioner untuk merekonstruksi seperti apa bentuk kehidupan awal berdasarkan data dari kehidupan saat ini. Ini dikenal sebagai pendekatan “top-down” dan dapat memberi tahu kita tentang sejarah kehidupan di Bumi.

Namun, penelitian top-down hanya dapat melihat ke belakang karena ada gen yang masih tersimpan dalam organisme saat ini, dan dengan demikian tidak sampai ke asal usul kehidupan. Terlepas dari keterbatasan mereka, penelitian top-down dan bottom-up mengarah pada tujuan bersama untuk menemukan asal usul kehidupan, dan idealnya, jawaban mereka harus sesuai dengan seperangkat istilah yang sama.

Sebuah artikel baru yang diterbitkan oleh Goldman, Lori Barge (Research Scientist in Astrobiology at the NASApembangkit tenaga jet (Laboratorium Propulsi Jet)) dan kolega, untuk mengisi kesenjangan metodologi ini. Para penulis berpendapat bahwa menggabungkan penelitian laboratorium dari bawah ke atas pada jalur yang masuk akal menuju asal usul kehidupan dengan rekonstruksi evolusioner dari atas ke bawah dari bentuk kehidupan awal dapat digunakan untuk menemukan bagaimana kehidupan benar-benar bermula di Bumi purba.

Dalam makalah mereka, penulis menggambarkan sebuah fenomena mendasar bagi kehidupan saat ini yang dapat dipelajari dengan menggabungkan penelitian bottom-up dan top-down: rantai transpor elektron.

Rantai transpor elektron adalah jenis sistem metabolisme yang digunakan oleh organisme melintasi pohon kehidupan, dari bakteri ke manusia, untuk menghasilkan bentuk energi kimia yang dapat digunakan. Berbagai jenis rantai transpor elektron khusus untuk setiap bentuk kehidupan dan metabolisme energi yang mereka gunakan: misalnya, mitokondria kita mengandung rantai transpor elektron yang terkait dengan metabolisme energi heterotrofik (pemakan makanan); Padahal, tumbuhan memiliki rantai transpor elektron yang sama sekali berbeda yang melekat padanya Fotosintesis (Menghasilkan energi dari sinar matahari).

Dan di seluruh dunia mikroba, organisme menggunakan berbagai rantai transpor elektron yang terkait dengan berbagai proses metabolisme energi yang berbeda. Namun, terlepas dari perbedaan ini, penulis menggambarkan bukti dari penelitian top-down bahwa jenis strategi metabolisme ini digunakan oleh bentuk kehidupan yang sangat awal dan memberikan beberapa model rantai transpor elektron leluhur yang dapat ditelusuri kembali ke sejarah evolusi yang sangat awal.

Mereka juga mensurvei bukti saat ini dari bawah ke atas bahwa bahkan sebelum kehidupan seperti yang kita kenal muncul, kimia mirip rantai transpor elektron dapat difasilitasi oleh mineral dan air di lautan awal Bumi. Terinspirasi oleh pengamatan ini, penulis menguraikan strategi penelitian masa depan yang menggabungkan penelitian top-down dan bottom-up pada sejarah rantai transpor elektron paling awal untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang metabolisme energi kuno dan asal usul kehidupan secara lebih luas.

Studi ini adalah puncak dari lima tahun kerja sebelumnya oleh tim multidisiplin dan interdisipliner yang dipimpin oleh Barge di JPL, yang didanai oleh NASA-NSF Ideas Lab for the Origins of Life untuk mempelajari bagaimana interaksi metabolik muncul di lingkungan geologis di Bumi purba. . . Pekerjaan tim sebelumnya telah melihat, misalnya, pada interaksi rantai transpor elektron spesifik yang digerakkan oleh logam (dipimpin oleh Jessica Weber, seorang ilmuwan riset di JPL); Bagaimana enzim purba mungkin Kimia prebiotik termasuk dalam situs aktifnya (dipimpin oleh Goldman); Dan Metabolisme mikroba di lingkungan yang sangat terbatas energi (Dipimpin oleh Doug LaRue, dari University of Southern California).

“Munculnya metabolisme adalah pertanyaan multidisiplin sehingga kami membutuhkan tim multidisiplin untuk mempelajarinya,” kata Barge. “Pekerjaan kami telah menggunakan teknik dari kimia, geologi, biologi, dan pemodelan komputasi, untuk menggabungkan pendekatan top-down dan bottom-up ini, dan jenis kolaborasi ini akan menjadi penting untuk studi jalur metabolisme prebiotik di masa depan.”

Referensi: “Rantai Transpor Elektron sebagai Jendela ke Tahap Awal Evolusi” oleh Aaron D. Prosiding National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2210924120

Studi ini didanai oleh National Aeronautics and Space Administration.