“Luar biasa” apa yang dimaksud dengan Great Oxygenation Event? “Pohon keluarga” enzim mengungkapkan kapan organisme mulai menggunakan oksigen

Endapan besi mentah seperti ini memiliki jejak Peristiwa Oksigenasi Hebat. Kredit: Institut Sains Weizmann

Jika kita melihat evolusi enzim, kehidupan menemukan cara menggunakan oksigen jauh sebelum peristiwa utama.

Sekitar 2,5 miliar tahun yang lalu, planet kita mengalami perubahan terbesar dalam sejarahnya: menurut catatan geologi, oksigen molekuler tiba-tiba berubah dari tersedia secara bebas untuk diakses di mana-mana. Bukti terjadinya “high oxygenation event” (GOE) terlihat jelas, misalnya pada formasi pita besi yang mengandung besi teroksidasi. GOE, tentu saja, memungkinkan evolusi organisme yang menggunakan oksigen – sistem pernapasan – dan, pada akhirnya, diri kita sendiri. Tapi apakah itu “peristiwa besar” ketika ada perubahan radikal dan tiba-tiba, atau apakah kemudian organisme bebas menggunakan oksigen bebas pada tingkat yang lebih rendah?

Dan Tawfik, seorang profesor di Departemen Ilmu Biomolekuler di Weizmann Institute of Science, menjelaskan bahwa penanggalan GOE tidak dapat disangkal, bahkan oksigen molekuler dihasilkan oleh mikroorganisme fotosintetik. Secara kimiawi, energi yang diambil dari cahaya membagi air menjadi proton (ion hidrogen) dan oksigen. Elektron yang dihasilkan dalam proses ini digunakan untuk membentuk senyawa penyimpanan energi (gula) dan oksigen, produk sampingan, awalnya dilepaskan ke lingkungan.

Dan Tawfik dan Jagoda Jabłońska

Prof. Dan Tawfik dan Jagoda Jabłońska. Kredit: Institut Sains Weizmann

Namun, pertanyaan yang belum terselesaikan adalah apakah produksi oksigen sesuai dengan GOE, atau apakah makhluk hidup memiliki akses ke oksigen bahkan sebelum peristiwa itu? Satu sisi dari diskusi ini mengatakan bahwa oksigen molekuler tidak akan tersedia sebelum GOE, karena akan memastikan bahwa oksigen yang dilepaskan oleh kimia atmosfer dan lautan melalui fotosintesis akan segera bereaksi secara kimiawi. Bagian kedua dari diskusi, bagaimanapun, menunjukkan bahwa beberapa oksigen yang dihasilkan oleh mikroorganisme fotosintetik mungkin bebas disimpan oleh organisme non-fotosintetik untuk digunakan, bahkan sebelum GOE. Beberapa dari asumsi ini menyarankan “oasis” atau “gelombang” oksigenasi atmosfer yang berumur pendek.

Peneliti tim Tagfik Jagoda Jabłońska percaya bahwa fokus kelompok – evolusi protein – dapat membantu memecahkan masalah. Artinya, dengan menggunakan metode untuk menjelaskan bagaimana dan kapan protein yang berbeda berevolusi, dia dan Tawfik akan mengetahui kapan organisme hidup mulai memproses oksigen. Pohon filogenetik ini banyak digunakan untuk menjelaskan sejarah spesies atau keluarga manusia, tetapi juga keluarga protein, dan Jabłońska memutuskan untuk menggunakan pendekatan serupa untuk mempublikasikan evolusi enzim berbasis oksigen.

Pohon Enzim

Sebuah “pohon silsilah” enzim terungkap ketika organisme mulai menggunakan oksigen. Kredit: Institut Sains Weizmann

Untuk memulai studi, Jabłońska berada di peringkat 130 di antara keluarga enzim terkenal yang memproduksi atau menggunakan oksigen dalam bakteri dan busur – di sekitar Archean Eon (kira-kira periode antara penciptaan kehidupan). 4 miliar tahun yang lalu, dan GOE). Dia memilih sekitar setengah dari mereka, di mana aktivitas dalam penggunaan atau transmisi oksigen ditemukan di sebagian besar atau semua anggota keluarga dan tampaknya menjadi fungsi kunci. Artinya, anggota keluarga pertama akan dibuat sebagai enzim oksigen. Dari jumlah tersebut, 36 dipilih 36 sejarah evolusi yang dapat dilacak dengan pasti. “Tentu saja, ini jauh dari sederhana,” kata Tawfik. “Gen dapat hilang di beberapa organisme karena mereka tampaknya berevolusi kemudian pada anggota yang menahannya. Dan mikroorganisme berbagi gen secara horizontal, mencampurkan pohon filogenetik dan melebih-lebihkan usia enzim. Kami harus memperbaiki yang terakhir, kebanyakan. ”

Para peneliti akhirnya menemukan bahwa pohon filogenetik menunjukkan ledakan evolusi enzim berbasis oksigen sekitar 3 miliar tahun yang lalu – satu miliar tahun sebelum GOE. Menjelajahi lebih lanjut periode waktu ini, para ilmuwan menemukan bahwa alih-alih bertepatan dengan pengambilan oksigen atmosfer, ledakan ini berasal dari masa ketika bakteri meninggalkan lautan dan mulai menjajah bumi. Beberapa enzim yang menggunakan oksigen dapat ditemukan lebih jauh lagi. Jika penggunaan oksigen bertepatan dengan GOE, enzim yang menggunakannya akan berevolusi kemudian, sehingga temuan ini mendukung skenario di mana oksigen dikenal selama banyak masa kehidupan ketika GOE terjadi.

Limbah satu mikroorganisme merupakan sumber kehidupan potensial bagi mikroorganisme lainnya.

Skenario yang diajukan oleh Jabłońska dan Tawfik terlihat seperti ini: oksigen adalah salah satu unsur yang paling reaktif secara kimiawi di lingkungan. Sebagai ujung baterai, ia siap mendukung elektron dan dengan demikian memberikan kekuatan metabolik ekstra. Ini sangat berguna untuk banyak cara hidup, tetapi juga berbahaya. Oleh karena itu, organisme fotosintetik dan organisme hidup lainnya di lingkungan harus segera mengembangkan cara untuk mengeluarkan oksigen secara efisien. Ini akan menunjukkan enzim yang menggunakan oksigen yang akan menghilangkan oksigen molekuler dari sel. Namun, residu satu mikroorganisme merupakan sumber kehidupan potensial bagi mikroorganisme lain. Reaktivitas khusus oksigen memungkinkan organisme untuk memecah dan menggunakan molekul “elastis”, seperti aromatik dan lipid, sehingga enzim yang mengambil dan menggunakan oksigen mulai segera berevolusi.

Tawfi: “Ini menegaskan hipotesis bahwa oksigen muncul dan bertahan di biosfer sebelum GOE. Butuh waktu untuk mencapai level GOE yang lebih tinggi, tetapi saat itu oksigen sangat populer di biosfer. “

Jabłońska: “Penelitian kami menyajikan cara yang benar-benar baru untuk mengetahui tanggal penciptaan oksigen, dan itu akan membantu kami memahami bagaimana kehidupan seperti yang kita kenal sekarang telah berevolusi.”

Referensi: Jagoda Jabłońska dan Dan S. Tawfik, 25 Februari 2021, “Evolusi enzim yang menggunakan oksigen menunjukkan oksigenasi pertama di biosfer.” Ekologi dan Evolusi Alam.
DOI: 10.1038 / s41559-020-01386-9

Penelitian Profesor Dan Tawfik didukung oleh Program Kepemimpinan STEM Zuckerman. Tawfik Prof. Nella dan Leon Benoziyo memegang Kursi Profesional.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Menyelidiki lebih dalam tentang asal usul sinar kosmik dengan gerakan Brown geometris

Representasi skema sinar kosmik yang merambat melalui awan magnetik. Kredit: Salvatore Buonocore Model simulasi menyediakan langkah pertama dalam mengembangkan algoritma untuk meningkatkan metode deteksi. Sinar...

Penyerapan elektron terpisah yang ditangkap dalam film

Film menangkap gambar penangkapan elektron terpisah. Kredit: Javier Marmolejo Para peneliti di Universitas Gothenburg telah mengamati penyerapan satu elektron oleh tetesan melayang dengan amplitudo...

Perlindungan probiotik? Bakteri Usus Ditemukan Melindungi Usus Terhadap Virus COVID-19

Para peneliti dari Universitas Yonsei di Korea Selatan telah menemukan bahwa bakteri tertentu yang hidup di usus manusia mengeluarkan obat yang menghambat SARS-CoV-2. ...

Menggali sejarah populasi Neanderthal menggunakan DNA nuklir purba dari sedimen gua

Galeri patung gua di Spanyol utara. Penulis: Javier Trueba - film sains Madrid DNA mitokondria manusia purba telah diekstraksi dari deposit gua, tetapi nilainya...

Sakelar Semikonduktor Berpanduan Laser untuk Komunikasi Generasi Selanjutnya

Insinyur Laboratorium Nasional Lawrence Livermore telah menemukan jenis baru sakelar semikonduktor yang digerakkan oleh laser yang secara teoritis dapat mencapai kecepatan lebih tinggi pada...

Newsletter

Subscribe to stay updated.