Kesalahan dalam Struktur Protein Mencetus Evolusi Kompleksitas Biologis

Minggu, 22 Mei 2011 - Protein yang tidak stabil "lebih lengket", lebih mungkin untuk membentuk asosiasi dengan protein lain yang bisa memperkenalkan lebih banyak fleksibilitas dan kompleksitas ke dalam sel.

---

Lebih dari empat miliar tahun evolusi, tanaman dan hewan bertumbuh jauh lebih kompleks daripada nenek moyang mereka yang bersel tunggal. Namun studi terbaru dalam membandingkan protein-protein yang terbagi di seluruh spesies menemukan bahwa organisme kompleks, termasuk manusia, telah mengakumulasi kelemahan struktural yang sebenarnya mungkin telah melakukan perjalanan panjang dari mikroba ke manusia.

Studi yang dipublikasikan dalam Nature ini menunjukkan bahwa pengenalan acak kesalahan menjadi protein, daripada seleksi alam tradisional, mungkin telah mendorong evolusi kompleksitas biologis. Cacat dalam “pengemasan” protein yang membuat mereka lebih tidak stabil dalam air bisa mempromosikan interaksi protein dan kerja sama tim intraseluler, memperluas kemungkinan kehidupan.

“Semua orang ingin mengatakan evolusi adalah setara dengan seleksi alam dan bahwa hal-hal yang canggih dan kompleks benar-benar terseleksi,” kata rekan penulis studi Ariel Fernández, PhD, sarjana di University of Chicago dan peneliti senior di Institut Matematika Argentina (IAM), Buenos Aires. “Apa yang kami klaim di sini adalah bahwa seleksi tidak efisien menciptakan ceruk atau kesempatan untuk mengembangkan kompleksitas.”

“Ini adalah jembatan baru antara kimia protein dan biologi evolusi,” kata penulis Michael Lynch, PhD, profesor biologi di Indiana University. “Saya berharap ini membuat kita berhenti sejenak dan berpikir tentang bagaimana evolusi beroperasi dalam cara-cara baru yang belum pernah kita pikirkan sebelumnya.”

Ketika mutasi yang sedikit negatif muncul pada suatu spesies dalam populasi yang besar, seperti triliunan organisme bakteri yang bisa mengisi area kecil, mereka dengan cepat dibersihkan oleh kekuatan selektif. Namun ketika sebuah mutasi baru muncul dalam suatu spesies dengan populasi yang relatif kecil, seperti pada mamalia besar dan manusia, seleksi terhadap error justru lebih lambat dan kurang efisien, memungkinkan mutasi menyebar melalui populasi.

Untuk melihat apakah cacat ringan terakumulasi dalam spesies berpopulasi kecil, Fernández dan Lynch membandingkan 100 protein lebih yang terbagi dalam 36 spesies dengan populasi yang berukuran berbeda. Meskipun berbagi, protein “orthologous” identik dalam bentuk dan fungsi, perbedaan genetik mengubahnya dengan cara yang lebih halus.

Fernández dan Lynch berfokus pada cacat desain yang disebut “dehydrons,” situs dimana struktur protein rentan terhadap reaksi kimia dengan air. Protein yang lebih banyak dehydrons cenderung lebih “tidak terlindungi” – tidak stabil dalam lingkungan berair, dan dengan demikian rawan untuk terikat dengan protein lain guna melindungi daerah rawan mereka.

Sebuah analisis komputasi pada 106 protein orthologous mengkonfirmasi hipotesis mereka bahwa protein dari spesies yang berpopulasi lebih kecil ternyata lebih rentan di dalam air. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa kesalahan struktural terakumulasi dalam organisme besar seperti manusia karena pergeseran genetik secara acak.

“Kami tidak suka mendengar bahwa struktur kita sebenarnya kacau,” kata Fernandez. “Tapi hal itu memiliki sisi baiknya. Karena kacau, mereka cenderung lebih berpartisipasi dalam kompleks, dan kita memiliki kesempatan yang lebih baik untuk mencapai fungsi yang lebih canggih melalui kerja sama tim. Daripada menjadi penyendiri, protein adalah sebuah tim pemain.”

Pada mereka sendiri, protein-protein yang tidak stabil ini mungkin lebih buruk dalam melakukan tugas selular mereka, mungkin menyebabkan kerusakan pada organisme. Namun protein yang tidak stabil juga “lebih lengket”, lebih mungkin untuk membentuk asosiasi dengan protein lain yang bisa memperkenalkan lebih banyak fleksibilitas dan kompleksitas ke dalam sel. Jika kompleks menciptakan keunggulan bertahan hidup bagi organisme, kekuatan seleksi alam mengambil alih dan menyebarkan kompleks protein baru melalui populasi.

“Ini bukan argumen yang menentang seleksi, ini merupakan argumen untuk mekanisme non-adaptif yang membuka jalur evolusi baru yang tidak pernah ada sebelumnya,” kata Lynch. “Ini adalah trik kecil pertama yang masuk ke dalam baju besi protein yang pada dasarnya membuka lingkungan selektif baru.”

Untuk mengkonfirmasi bahwa akumulasi kelemahan struktural dalam protein mendahului, bukan menghasilkan, pembentukan kompleks, Fernández dan Lynch beralih pada percobaan alami. Beberapa spesies bakteri memiliki dua jenis populasi: komunitas yang hidup di dalam organisme lain dan populasi lebih besar yang hidup bebas di dalam lingkungan. Ketika protein orthologous dibandingkan di antara dua populasi tersebut, pola yang sama muncul – protein dari populasi yang lebih kecil ternyata lebih cacat dibandingkan dari bakteri yang hidup bebas.

Meskipun manfaat ini disengaja, akumulasi kelemahan struktural yang terlalu banyak dapat membahayakan organisme. Ketika protein yang sangat reaktif seperti prion, amiloid-beta, atau tau terlalu lengket, mereka dapat menggumpal ke dalam agregat yang membunuh sel-sel dan menyebabkan penyakit seperti Alzheimer dan ensefalopati.

Implikasi bahwa kompleksitas awalnya muncul karena kecelakaan mungkin bersifat provokatif dalam bidang biologi evolusi, kata para penulis. Penemuan bahwa protein cacat lebih mungkin untuk membentuk kompleks juga dapat merevolusi pertumbuhan bidang bioteknologi, di mana alat-alat evolusi digunakan untuk membuat bahan yang kuat, melakukan perakitan diri, atau pemulihan diri.

“Desain alam sering satu tingkat lebih canggih daripada rekayasa terbaik,” kata Fernandez. “Contoh lainnya: Alam tidak mengubah mesin molekuler, namun entah bagaimana, ia memperbaikinya dengan cara yang halus melalui pembungkusan.”

Penelitian ini didukung oleh National Institutes of Health dan National Science Foundation.