evolusi molekuler

EVOLUSI MOLEKULER

A.    Ruang Lingkup Evolusi Molekuler

       Evolusi molekuler (molecular evolution) pada dasarnya menjelaskan dinamika dari pada perubahan evolusi pada tingkat molekuler, disamping itu untuk mendukung pemahaman tentang proses evolusi dan efek-efek berbagai macam mekanisme molekuler, termasuk di dalamnya adalah evolusi genom, gen-gen, dan produk-produknya (Graur & Hsiung Li, 2000). Lebih lanjut dikatakan bahwa studi tentang evolusi molekuler berakar pada dua disiplin ilmu yang berbeda yaitu “genetika populasi “ dan “ biologi molekuler “. Genetika populasi melengkapi tentang dasar teori untuk proses-proses evolusi, sementara biologi molekuler melengkapi tentang data empiric. Jadi untuk memahami evolusi molekuler tersebut sangat diperlukan pengetahuan dasar keduanya yaitu genetika populasi dan biologi molekuler praktis.Selanjutnya lingkup pembahasan evolusi molekuler seperti yang disampaikan Graur & Hsiung Li (2000) sebagai berikut.

Pengkajian teori evolusi pada masa modern ini dilihat dari beberapa pendekatan antara lain melalui pendekatan genetika populasi, evolusi ekologi, evolusi molekuler, sistematik, dan paleontology (Stearn & Hoekstra, 2003). Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk mengkaji proses evolusi biologi dapat dilakukan melalui berbagai pendekatan, sehingga masalah evolusi dapat dikaji secara lebih komprehensif dan proporsional.Pendekatan evolusi molekuler (molecular evolution) sebagai salah satu pendekatan yang digunakan dalam mengkaji evolusi biologi pada saat ini (masa evolusi modern) sangat banyak digunakan (Waluyo, 2005).

Pendekatan molekuler ini mengkaji dan memandang evolusi dari sejarah rekaman urutan DNA dan protein (Stearn & Hoekstra, 2003).

Dua area pembahasan :

(1) pada objek pertama adalah menjelaskan tentang pembentukan, penyebab dan efek dari perubahan evolusi molekul

(2) pada objek kedua menggunakan molekul hanya sebagai alat untuk merekontruksi sejarah biologi organisme dan konstituen genetikanya. Walaupun kenyataannya kedua disiplin ilmu di atas saling berkait erat.

Kemajuan di satu area akan memfasilitasi perkembangan studi di area lain. Contoh, pengetahuan tentang filogeni adalah sangat esensial untuk determinasi jenis perubahan pada karakter molekuler.

Sebaliknya, pengetahuan terhadap pola dan rata-rata perubahan melokul adalah sangat krusial dalam usaha untuk rekontruksi sejarah evolusi kelompok organisme. Dalam tinjauan molekuler, evolusimerupakan perubahan susunan genetic pada generasi yang berurutan. Untuk mengetahui evolusi, sangat baik untuk mengetahui tentang genetika dari populasi (population genetic).

Penelitian selama 30 tahun yang dilakukan oleh R.A. Fisher di Inggris dan S. Wright di Amerika memperlihatkan bahwa evolusi tidak mengenai sebuah gen atau suatu individu, tetapi melaui sekelompok gen atau sekumpulan individu yang disebut populasi (Sidharta, 1995). Genetika individu selalu menyangkut konsep genotype yakni konstitusi genetika pada individu. Dan jika kita katakan bahwa evolusi adalah perubahan dalam komposisi genetis dari populasi, maka yang diartikan adalah suatu perubahan dari frekuensi genetis di dalam seluruh gen (termasuk plasmagen) yang dimiliki semua individu dalam populasi tersebut (Waluyo, 2005).

Perhitungan laju evolusi molekuler mengenai penyimpangan dalam struktur protein telah memberikan alasan yang kuat terjadinya mutasi secara acak. Urutan asam amino protein tertentu seperti sitokrom c dan hemoglobin pada berbagai macam organisme sekarang telah ditentukan. Dari jumlah perbedaan asam amino antara protein yang sama pada bermacam-macam spesies, dimungkinkan untuk menyusun pohon silsilah atau pohon filogenetik yang menunjukkan garis keturunan evolusi (Harris, 1994).Penelitian-penelitian molekuler telah mengungkapkan asal usul kehidupan dan evolusi yang berlangsung setelahnya menjadi berbagai spesies, baik yang telah punah maupun yang masih ada saat ini.

Teori-teori yang berkaitan dengan kejadian-kejadian awal ini tidak dapat dibuktikan secara pasti berdasarkan bukti-bukti sirkumstansial (kuat namun tidak membuktikan sesuatu hal benar atau tidak). Fosil molekuler seperti intron di dalam unit-unit transkripsional serta jalur-jalur biokimiawi umum yang dimiliki oleh berbagai organisme telah memberikan data tambahan untuk mendukung model-model yang ada saat ini. Biologi molekuler memandang memandang proses perkembangan organisme yang ada saat ini adalah merupakan hasil perkembangan makhluk hidup sebelumnya.

Keragaman organisme yang ada pada saat ini dipandang sebagai perubahan organisme yang dimulai dari struktur DNA dimana mekanisme perubahan tersebut dimulai dari tingkat molekul DNA (penyandi program kehidupan) sehingga memungkinkan adanya keragaman organisasi makhluk hidup. Dari kajian bidang molekuler muncul banyakkonsep penting adanya gen yang tidak berubah selama proses evolusi. Gen-gen tersebut memiliki tingkah homologi (kesamaan) struktur antara spesies dalam skala luas dan ekspresi fungsional protein yang dihasilkannya tidak berbeda satu dengan yang lainnya.

Gen-gen ini disebut gen-gen yang mengalami konservasi.Berdasarkan konsep biologi molekuler bahwa kajian asal usul organisme sangat diuntungkan oleh keberadaan mitokondria karena dalam kedua organelatersebut diketahui adanya DNA yang berbeda dengan DNA kromosom. Selain itu telah terbukti bahwa DNA mitokondria hanya berasal dari ibu. Sehingga untuk menelaah asal usul manusia, hewan dan tanaman tingkat tinggi. Banyak dilakukan dengan analisis DNA mitokondria (Widodo, 2003) Biologi molekuler adalah bidang ilmu yang berkembang dari genetika molekuler yang diperluas. Bahasan Biologi molekuler meliputi semua aspek proses hidup, tidak saja hanya menyangkut sifat-sifat yang diturunkan melalui gen, melainkan juga ekspresi dan pelaksanaanprogram-program kehidupan dalam proses fisiologi, perkembangan reproduksi dan taksonomi sampai dengan bahasan tentang adaptasi dan interaksi dengan spesies lain (Sumito,2002dalam Mas’ud 2009).

Dengan demikian biologi molekuler merupakan bidang kajian yang mengadung unsur biokimia maupun biofisika dan hanya dapat dibahas dengan baik apabila cukup memiliki penguasaan bidang biologi secara mendasar. Berkaitan dengan mengungkap peristiwa evolusi pada tingkat genom, maka perlu dikaji dari aspek genetika dan Biologi molekuler untuk menjawab pertanyaan apa dan bagaimana evolusi dapat terjadi pada tingkat genom.

Garis Besar Evolusi Molekuler

Berbagai penelitian di bidang molekuler telah mencoba mengungkap asal-usul kehidupan dan evolusi berbagai makhluk hidup yang masih hidup atau yang telah punah. Teori-teori yang berkembang tentang asal-usul kehidupan memang sulit dibuktikan. Saat ini fosil molekuler sebagai intron yang terdapat dalam materi genetik tiap makhluk hidup merupakan salah satu petunjuk yang mendukung teori-teori tersebut. Garis besar evolusi molekuler adalah sebagai berikut:

1.     Dunia RNA.

           Suatu sistem kehidupan harus dapat mereplikasikan materi genetiknya danmampu berevolusi. Protein sangat penting dalam replikasi DNA, tetapi sebagian besar potein di sintesis pada cetakan RNA dan cetakan RNA itu sendiri disintesis padacetakan DNA. Para saintis telah membuat hipotesis bahwa molekul-molekul RNA yang dapatmelakukan sendiri muncul secara prabiotis melalui kondensasi acak dari mononukleotida-mononukleotida menjadi polimer-polimer kecil. Situs-situs aktif pada sebagian besar protein modern dan RNA katalitik merupakan komponen penyusunsegmen-segmen yang relatif kecil dari polimer-polimernya.

Polimer-polimer RNA replikasi primitif berukuran kecil yang terbentuk secara abiotis kemungkinan hanyamempunyai aktifitas katalitik yang lemah dan rentan terhadap replikasi yang salah.Meskipun demikian, molekul tersebut barangkali dapat menggunakan dirinya atau molekul RNA lain sebagai cetakan untuk mempolimerisasi nukleotida RNA.

Kesalahan-kesalahan dalam jumlah banyak yang terjadi selama replikasi pada RNA replikasi awal menghasilkan sebuah pool keragaman genetic yang dapat dipilah-pilah oleh seleksi alam untuk menemukan molekul-molekul yang dapat mereplikasikandengan lebih cepat atau mempunyai akurasi yang lebih tinggi. Akan tetapi, terdapat sebuah masalah, yaitu tidak ada replikasi yang dapat mengadakan situs aktifnya sendiri.Karenanya, dibutuhkan minimum dua replikasi RNA yang disintesis pada saat hampirbersamaan dari prakursor ”suppurba”(primordial soup).

Sebuah tipe primitive sel yang mengandung sebuah genom RNA, yang  disebut eugenot, diduga berkembang daripopulasi progenot.Molekul RNA diduga merupakan molekul genom atau enzim primordial (purba)pada sistem-sistem kehidupan primitif. Gula ribose lebih mudah disintesi pada simulasi kondisi primordial dibandingkan gula deoksiribosa. Prakursor DNA dari semua sel yang hidup pada saat ini dihasilkan dari reduksi nuleosid difosfat RNA oleh enzim protein yang amat lestari (conserved) yang disebut ribonukleosida difosfat reduktase. Enzimini terdapat pada semua sel modern dengan hanya sedikit perbedaan struktur. Hal tersebut tanpa menunjukan bahwa enzim ini adalah enzim purba yang telah melakukantugas penting yang sepanjang sejarah evolusioner yang panjang.

Sistem-sisitem kehidupan dengan genom RNA diduga telah berevolusi terlebih dahulu. Genom-genom DNA yang lebih stabil dievolusikan kemudia untuk menyimpan informasi genetik.Selain itu, DNA lebih kecil kemungkinnnya untuk membentuk konfigurasi-konfigurasi tiga dimesi yang kompleks akibat ketidakadaan gugus 2 hidroksilnya yangtelah dapat mengakibatkan ikatan hidrogen yang tidak biasa. Lebih lanjut, bahwaaktifitas kataliik dari beberapa ribosom modern melibatkan gugus 2’ OH ini.

terakhir,molekul-molekul dsDNA mempunyai struktur yang sama berupa struktur heliks gandayang menunjukan kepada kita bahwa molekul tersebut tidak mempunyai sifat seperti enzimatis. Akan tetapi, dsDNA dapat melipat ballikke untaiannya sendiri dan ssDNA melipat membentuk struktur tersier. Secara bertahap, protein mulai mengambil alih fungsi-fungsi kataltik yangsebelumnya dilaksanakan oleh molekul-molekul RNA.

Hal ini memberikan flaksibilitas yang tinggi di dalam sekuens karena terdapat 20 asam amino dan hanya 4ribonukleotida. Selain itu, bentuk tiga dimensi molekul RNA membutuhlan suatuskuens komplementer ditempat lain pada untaiannya untuk dapat membentuk ikatan hydrogen.Sintesis-sintesis kehidupan awal yang bias membuat berbegai protein penting cenderung memiliki keuntungan selektif dibandingkan system-sistem dengan protein-protein yang terbatas. Dengan demikian, seleksi mendorong munculnya variasi-variasipada protoribosom, tRNA, dan tRNA sintesis awal. Proses ini diduga telah menghasilkan satu set ribosom spesifik-peptida yang masing-masing mempunyaisekuens mRNA. Dengan demikian, suatu kode genetik primitive dapat termantapkan sebagai set-set tRNA sintase dan proto ribosom spesifik-peptida berevolusi.

2.     Dunia DNAMolekul

   

           DNA beruntai ganda mempunyai struktur yang lebih stabil dibandingkan ssRNA. Karena lebih menguntungkan bagi system kehidupan untukmenyimpan informasi yang dapat diwariskan di dalam molekul DNA daripada molekul RNA. Gugus 2” OH pada RNA dapat menyerang ikatan fosfodiester yang berada didekatnya sehingga membuat RNA menjadi jauh lebih stabil dari pada DNA. Prosesautokatalitik ini barangkali dipercaya oleh kondisi-kondisi yang keras pada bumiprimitif.

Seiring semakin kompleksnya sel-sel ukuran genomnya juga harus meningkat.Jika eugenot pertama memiliki genot RNA yang tersegmentasi, setidaknya satu genomdari tiap segmen harus ada di dalam tiap sel anaknya agar sel tersebut dapat sintas(survive)Untuk meningkatkan probabilitas sel-sel anakan memperoleh genom yangutuh, seleksi alam akan lebih memilih produksi genom polisistroni, akan tetapi semakinbesar segmen genomik RNA, semakin tidak stabil pula RNA tersebut sebagai sifatautokatalitiknya, jadi merupakan suatu keuntungan bagi molekul DNA polisistronikstabil untuk mengambil alih fungsi genomic dari RNA dan membiarkan RNAmelakukan fungsi-fungsi yang tidak memerlukan molekul-molekul yang berusiapanjang.

Sel-sel tak bernukleus pertama yang mengandung genom DNA (dan semua sel semacam itu yang muncul berikutnya) disebut prokariota.Setidaknya diperlukan empat proses utama untuk menyelasaikan transisi ini,yaitu

(1) sintesis monomer DNA oleh ribonukleotida difospat reduktase

(2) transkripsibalik dari genom RNA menjadi polimer DNA

(3) replikasi genom DNA oleh DNApolymerase dan

(4) transkripsigenom DNA menjadimolekul RNA fungsional(nongenomik) seperti tRNA, mRNA, dan rNA.

Gen-gen yang terpisah pada sel eukariotik modern terdiri dari daerah pengkode (ekson) dan daerah yang bukan pengkode (intron). Terselingnya gen-gen oleh 88Handout Teori Evolusi Molekuler intron menawarkan suatu keuntungan evolusioner. Tampaknya,ekson-ekson dari gen yangberbeda kadangkala dapat direkombinasi melalui mekanisme-mekanisme alami untukmengkode protein dengan fungsi yang berbeda namun mempunyai domain-domainasam amino yang mirip. Tiap domain tersebut mempunyai fungsi spesifik (misalnyasebagai tempat pengikatan reseptor, pembentukan heliks-α dan lain-lain) proses ini disebut pengocokan ekson(exon shuffling), tampaknya telah digunakan secara luas didalam dunia DNA eukariota awal .

2.     Analisis Filogenetik

Protein-protein dapat berevolusi dengan laju yang berbeda-beda akibat adanyafaktor intrinsic (mekanisme-mekanisme perbaikan). Protein –protein yang sangat lestari(conserved) tampaknya hanya mampu menoleransi sedikit perubahan kecil, sedangkansejumlah protein lainnya mampu menyerap berbagai mutasi tanpa kehilanganfungsinya.

Mutasi yang terjadi diluar daerah yang terlibat dalam fungsi normal dapatditoleransi sebagaimutasi netralsecara selektif. Seiring berjalannya waktu biologis,mutasi-mutasi netral tersebut cenderung terakumulasi di dalam garis keturunangeneologis.

Jika kita asumsikan kalau mutasi –mutasi netral semacam itu terakumulasidengan laju konstan untuk protein yang sangat lestari, maka kita bisa menentukan polapercabangan dari pohon filogenetik(disebut juga kladogramatau pohon evolusi).

Prinsip parsimoniumum digunakan untuk menentukan jumlah minimum perubahan genetikyang dibutuhkan untuk menyebabkan perbedaan-perbedaan skuensasam amino atau nukleotida di antara organisme-organisme yang mempunyai nenekmoyang (ancestor) yang sama.

Jarak evolusi yang memisahkan organisme di dalampohon filogenetik biasanya dinyatakan dalam unit-unit mutasi nukleotida atau subtitusiasam amino sepanjang masing-masing lengan pohon tersebut di antara titik-titik percabangan seperti pada Gambar 4.1 berikut :

Gambar 4.1.Pohon Filogenetik Berdasar Homologi antara Sitokrom c berbagai Organisme(sumber: Budiyanto, 2011)