Sekitar 4 miliar tahun yang lalu, Bumi adalah tempat yang tidak ramah, tanpa oksigen, dipenuhi oleh sekian banyak letusan gunung berapi, dan dihujani oleh berbagai asteroid. Tak ada tanda-tanda kehidupan, bahkan dalam bentuk yang paling sederhana sekalipun. Tetapi, di suatu tempat di tengah-tengah keadaan yang sangat kacau ini, sejumlah besar bahan kimia yang bereaksi satu dengan yang lain secara acak selama ratusan juta tahun menemukan suatu susunan yang memungkinkan untuk mengawali kehidupan.
Ibarat melempar bola pada sebuah keranjang dari posisi tersulit yang dilakukan berulang-ulang selama jutaan tahun, pada akhirnya bahan-bahan kimia berubah menopang kehidupan yang dibentuk dari berbagai kemungkinan selama waktu yang terlewati. Bagaimanapun, tidak jelas seperti apa percisnya hal serumit sel bisa muncul dari reaksi kimia yang terjadi secara acak semacam itu.
Sekarang, tim yang dipimpin oleh Tony Z. Jia dari Earth-Life Science Institute (ELSI) di Institut Teknologi Tokyo dan Kuhan Chandru dari Universitas Nasional Malaysia, telah menunjukkan bahwa asam alfa hidroksi (AHA) sederhana, seperti glikolat dan asam laktat, secara spontan mempolimerisasi dan merakit diri menjadi mikrodroplet poliester ketika dikeringkan pada suhu sedang yang disusul oleh proses rehidrasi.
Hal seperti ini, mungkin saja bisa terjadi di sepanjang pantai, tepi sungai atau di sebuah genangan air primitif yang mengering. Pada akhirnya, ini akan membentuk semacam kompartemen jenis baru seperti sel yang dapat menjebak dan memusatkan biomolekul seperti asam nukleat dan protein.
Tetesan ini – tidak seperti kebanyakan sel modern – dapat dengan mudah bergabung dan direformasi sehingga bisa menjadi tuan rumah bagi suatu sistem genetik dan metabolisme awal serbaguna yang berpotensi penting bagi asal usul kehidupan.
Para ilmuwan dari seluruh dunia secara aktif bekerja untuk memahami bagaimana kehidupan dimulai. Semua kehidupan Bumi modern, dari bakteri hingga manusia, terdiri dari sel-sel. Sel terdiri dari lipid, protein, dan asam nukleat. Dengan lipid yang membentuk membran sel, sebuah selungkup yang menjaga komponen lainnya bersama-sama dan berinteraksi dengan lingkungan, bertukar makanan dan pembuangan. Bagaimana sekumpulan molekuler serumit sel pertama kali terbentuk tetaplah menjadi misteri.
Sebagian besar penelitian asal-usul kehidupan lebih berfokus pada bagaimana molekul dan struktur yang ada dalam kehidupan kontemporer dapat dihasilkan oleh lingkungan, dan kemudian berkumpul menjadi sebuah struktur yang membentuk sel-sel pertama. Namun, ada banyak kemungkinan berbagai jenis molekul lainnya yang terbentuk berdampingan dengan biomolekul di Bumi awal, dan ada kemungkinan bahwa kehidupan mulai menggunakan bahan kimia yang sangat sederhana yang tidak terkait dengan biomolekul modern kemudian berkembang melalui tahapan dari yang paling sederhana hingga yang semakin kompleks untuk memunculkan struktur yang ditemukan dalam sel modern.
Monomer asam alfa-hidroksi dikeringkan, menghasilkan sintesis gel polyester. Gel ini kemudian direhidrasi, menghasilkan perakitan tetesan-tetesan kecil (microdroplet). Credit: ELSI
Pekerjaan sebelumnya yang dilakukan di ELSI menunjukkan bahwa pengeringan pada suhu sedang dari suatu senyawa organik sederhana yang dikenal sebagai alpha-hydroxyacids -yang ditemukan dalam meteorit dan berbagai simulasi kimia prebiologis – secara spontan mempolimerisasi diri menjadi campuran polyester rantai panjang.
Jia dan rekannya melakukan langkah berikutnya dan memeriksa reaksi-reaksi ini di bawah mikroskop, dan menemukan bahwa sistem campuran polyester ini membentuk fase gel dan secara spontan berkumpul sendiri ketika dibasahi untuk membentuk struktur sederhana seperti sel.
Aspek yang paling menyulitkan dari pekerjaan ini adalah bagaimana merancang sebuah metode baru untuk mengkarakterisasi sifat-sifat dan fungsi dari tetesan tersebut, karena tidak ada yang menganalisis sistem seperti itu sebelumnya. Jia mencatat bahwa timnya beruntung memiliki keragaman keahlian multidisiplin seperti ahli kimia, ahli biokimia, ilmuwan material, dan ahli geologi.
Setelah menentukan komposisinya dan menunjukkan kecenderungannya untuk berkumpul sendiri, pertanyaan berikutnya adalah apakah struktur seperti sel ini mungkin dapat melakukan sesuatu yang bermanfaat secara kimia. Membran sel modern melakukan banyak fungsi penting yang membantu mempertahankan sel; misalnya, mempertahankan makromolekul dan metabolit di suatu tempat, serta menyediakan lingkungan internal yang konstan, yang bisa sangat berbeda dari yang di luar sel.
Mereka kemudian menguji kemampuan struktur ini untuk menyita molekul dari lingkungan dan menemukannya mengumpulkan molekul besar pewarna hingga tingkat yang luar biasa. Mereka kemudian menunjukkan bahwa tetesan-tetesan ini juga dapat menjadi tuan rumah bagi RNA dan molekul protein dan masih memungkinkannya untuk berfungsi secara katalitik. Selanjutnya, tim menunjukkan bahwa tetesan ini dapat membantu dalam pembentukan lapisan lipid pada permukaannya, menunjukkan bahwa tetesan-tetesan kecil ini dapat membantu pembentukan sel awal.
Jia dan rekannya tidak yakin struktur ini adalah nenek moyang pertama sel, tetapi mereka berpikir mungkin saja tetesan semacam itu memungkinkan perakitan sel-sel pertama di Bumi. Sistem kompartementalisasi baru yang mereka temukan sangat sederhana, catat mereka, dan dapat terbentuk dengan mudah di lingkungan primitif di seluruh Semesta. Kata Jia, “Ini memungkinkan kita untuk membayangkan sistem non-biologis di Bumi awal yang mungkin masih memiliki andil dalam asal usul kehidupan di Bumi. Ini menunjukkan mungkin ada banyak sistem non-biologis lainnya yang harus menjadi target penyelidikan di masa depan dari jenis ini.” Dia berpikir pengembangan sistem model yang serupa ini dapat memungkinkan studi yang lebih baik dari evolusi beragam sistem kimia yang mewakili kimia kompleks yang mungkin ditemukan pada benda-benda planet yang primitif.
“Bumi purba tentu saja merupakan tempat yang berantakan secara kimia,” jelas Jia, “dan seringkali sebagian besar studi kehidupan berfokus pada biomolekul modern dalam kondisi yang relatif ‘bersih’. Mungkin penting untuk mengambil campuran “acak” ini dan melihat apakah ada fungsi atau struktur menarik yang dapat muncul darinya secara spontan.”
Para penulis sekarang berpikir bahwa dengan secara sistematis meningkatkan kompleksitas kimia dari sistem seperti itu, mereka akan dapat mengamati bagaimana bahan-bahan kimia berkembang dari waktu ke waktu dan memungkinkannya untuk menemukan sifat-sifat yang berbeda dan baru muncul.
“Kami memiliki sistem eksperimental baru yang kini dapat kami mainkan, sehingga kami dapat mulai mempelajari fenomena seperti evolusi dan evolusi tetesan ini. Kemungkinan kombinasi struktur atau fungsi yang mungkin dimiliki tetesan ini hampir tak ada habisnya. Jika aturan fisik yang mengatur pembentukan tetesan cukup universal di alam, maka kami berharap untuk mempelajari sistem serupa untuk menemukan apakah mereka juga dapat membentuk mikrodroplet dengan sifat baru,” tambah Jia.
Akhirnya, sementara tim saat ini berfokus pada pemahaman asal usul kehidupan, mereka mencatat penelitian dasar ini dapat memiliki aplikasi di bidang lain, misalnya, pengiriman obat dan obat-obatan pribadi. “Ini hanya contoh luar biasa dari cara tak terduga proyek dapat berkembang ketika tim ilmuwan yang beragam dari seluruh dunia berkumpul untuk mencoba dan memahami fenomena baru dan menarik,” kata anggota tim Jim Cleaves, juga dari ELSI.
Penelitian ini telah dipublikasikan di PNAS.
