EVOLUSI MOLEKULER
MAKALAH Disusun Untuk Memenuhi Tugas Matakuliah Evolusi yang dibina Oleh Dra. Umi Lestari, M.Si dan Siti Imroatul Maslikah, M. Si
Oleh:
Erny Sukmawati
(407342409194)
Anugrah Tesia Pramuktia Juni
(407342408152)
Dyah Ayu Ariani
(40734240
)
Prischa Yulianita Rahawati
(40734240
)
UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM JURUSAN BIOLOGI November 2010
Latar Belakang Semua bagian organisme berubah selama evolusi. jika sirip ikan berevolusi pada amphibi menjadi anggota badan, dan kemudian anggota badan berevolusi menjadi banyak bentuk dan ukuran, jaringan pembentuknya, sel-selnya, dan molekulnya juga berubah. Evolusi molekuler disinonimkan dengan evousi pada tingkat protein, karena evolusi pada tingkat molekul sebagian besar dipelajari secara menyeluruh pada protein. Protein merupakan kelas molekul yang paling umum dan paling berdiversifikasi pada organisme. Protein tahan air yang disebut dengan keratin membentuk kulit dan rambut; protein pembeku darah yang disebut hemoglobin berirkulasi dalam darah; banyak macam protein yang disebut enzim, mengkatalisasi metabolisme tubuh. Evolusi molekuler meliputi dua area pembahasan, yaitu: (1) evolusi molekuler dan (2) rekontruksi sejarah evolusi gen dan organisme. Area pertama, evolusi makromolekuler menunjukan pembentukan gen dan pola perubahan yang tampak pada materi genetik (misalnya urutan DNA) dan produkinya (missal protein) selama waktu evolusi dan terhadap mekanisme yang bertanggung jawab untuk sejumlah perubahan tersebut. Area kedua dikenal sebagai “molekuler phylogeny” menjelaskan sejarah evolusi organisme dan makromolekul seperti adanya keterlibatan data-data molekuler. Dua area pembahasan (1) pada objek pertama adalah menjelaskan tentang pembentukan, penyebab dan efek dari perubahan evolusi molekul dan (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.
AWAL PEMBENTUKAN BUMI “Big-bang” diperkirakan terjadi sekitar 20 milyar tahun yang lalu. Sekitar 15 milyar tahun kemudian, kumpulan debu dan gas luar angkasa menyatu dan berkondensasi akibat gravitasi, menjadi gumpalan gas raksasa yang kita kenal sebagai matahari. Matahari ini dikelilingi oleh beberapa bentukan yang lebih kecil dengan komposisi yang bervariasi, yang dikenal sebagai planet. Jagad raya sebagian besar tersusun oleh gas dengan berat molekular ringan, yaitu hydrogen dan helium, dimana unsur2 tersebut merupakan penyusun utama suatu bintang. Unsur dengan berat molekul yang lebih berat menyusun hanya sekitar 0,1 persen dari suatu planet. Ketika bumi terbentuk, panas dilepaskan yang disebabkan oleh keruntuhan karena gravitasi (collapse due to gravity) dan adanya elemen radioaktif pada kumpulan debu. Selama ratusan miliar tahun pertama, bumi terlalu panas sehingga air tidak dapat berbentuk cair dan hanya dalam bentuk uap. Setelah suhu bumi menurun, uap tersebut mengalami kondensasi dan membentuk lautan dan danau. Kehidupan diperkirakan berasal dari reaksi kimia yang terjadi pada atmosfer, diikuti dengan reaksi lanjut pada lautan dan danau purba (hidrosphere).
ATMOSFER AWAL Atmosfer pertama, yang disebut atmosfer primer, sebagian besar tersusun dari hydrogen dan helium. Akan tetapi karena ukuran planet bumi terlalu kecil untuk menahan gas seringan itu, maka gas2 tersebut akan terlepas ke luar angkasa. Bumi kemudian membentuk atmosfer sekunder, yang sebagian besar terbentuk melalui volcanic out-gasing (pengeluaran gas volkanik), karena pada saat itu aktivitas volkanik bumi lebih besar dan panas. Gas volkanik sebagian besar tersusun dari uap (95%), lalu oleh CO2, SO2, N2, H2S2, HCl, B2O dan elemental sulfur dalam jumlah yang tak tentu, serta H2, CH4, SO3, NH3 dan HF dalam jumlah yang paling kecil. Akan tetapi tidak terdapat O 2. Dari berbagai unsur diatas, CO2 merupakan 2 unsur terbanyak (4%). Disamping itu, uap air bereaksi dengan mineral primitif seperti nitrides sehingga membentuk ammonia, dengan carbides sehingga membentuk metan, dan dengan sulfides sehingga membentuk hydrogen sulfide. Tidak terdapat oksigen bebas pada masa itu.
Atmosfer bumi pada masa ini, yaitu atmosfer tersier, terbentuk secara biologis. Metan, ammonia, dan gas reduksi lainya telah habis terpakai, sementara komponen lainya (nitrogen, sisa-sisa argon, xenon, dll), hampir tidak berubah. Sejumlah besar oksigen telah diproduksi melalui fotosintesis. Hal ini tidak dapat terjadi sampai cyanobakteria, yaitu organisme pertama yang dapat melakukan fotosintesis sejati, berevolusi kurang lebih 25 juta hmilyar tahun yang lalu. Dengan bertambahnya evolusi mahluk pemfotosintesis, kandungan oksigen atmosfer bumi ikut bertambah. Kandungan ini mencapai 1% pada sekitar 800 juta tahun yang lalu, dan 10% pada sekitar 400 juta tahun yang lalu. Pada masa ini, kadarnya sekitar 20%.
TEORI ASAL KEHIDUPAN OLEH OPARIN Radiasi ultraviolet matahari dan pelepasan listrik (lightning-discharge) menyebabkan gas dalam atmosfer purba bereaksi, sehingga terbentuklah senyawa organik sederhana. Senyawa ini larut dalam laut purba dan terus bereaksi, membentuk apa yang dikenal dengan “sup purba”. Sup ini mengandung asam amino, gula, dan basa asam nukleat serta molekul-molekul lain yang tersintesis secara acak. Reaksi lanjutan membentuk polimer, yang akan berasosiasi membentuk globulus. Dari globulus inilah sel primitif akan terbentuk. Teori asal kehidupan diatas diusulkan oleh ahli biokimia dari Rusia bernama Alexander Oparin pada tahun 1920an. Charles Darwin sendiri pernah mengusulkan bahwa kehidupan mungkin berasal dari genangan air hangat yang terdiri dari ammonia dan unsur kimia penting lainya. Akan tetapi Oparinlah yang menjelaskan langkah yang diperlukan dan poin terpenting dalam proses tersebut, yaitu bahwa kehidupan berevolusi sebelum terdapat oksigen di udara. Karena Oksigen bersifat sangat reaktif, ia akan bereaksi dengan molekul prekusor yang terbentuk di atmosfer, dan mengoksidasi molekul-molekul tersebut kembali menjadi CO2 dan H2O.
Gambar 1. Formasi Primitif Sup
ASAL
MULA
DARI
MAKROMALEKUL
INFORMATIONAL
(PEMBAWA INFORMASI) Informasi biologis disalurkan melalui polimerisasi template specific (cetakan spesifik) dari nukleotida. Gabungan dari polifosfat, purin, dan pirimidin akan menghasilkan rantai asam nukleat acak jika ribose dan deoksiribosa diikutkan dalam reaksi. Satu permasalahan yang belum dapat dipecahkan adalah bahwa kehidupan menggunakan asam nukleat ikatan 3‟,5‟ sedangkan sintesis purba menghasilkan molekul RNA dengan ikatan yang bervariasi, yang kebanyakan adalah 2‟,5‟. Sebaliknya deoksiribosa tidak memiliki 2‟-OH sehingga tidak dapat meberi ikatan 2‟,5‟. Walaupun begitu, RNA dianggap menyediakan molekul informational pertama, sedangkan DNA akan terbentuk setelahnya, yang dirancang untuk menyimpan informasi dalam bentuk yang lebih akurat dan stabil. Ketika template RNA di-inkubasikan dengan campuran nukleotida yang ditambahkan pengkondensasi purba, maka potongan RNA complementer akan tersintesis. Reaksi non-enzimatis ini dikatalis oleh ion timah, dengan tarif kesalahan sekitar 1 basa yang salah dalam setiap 10 basa yang terbentuk. Dengan menggunakan ion seng (Zn), terjadi kemajuan dalam reaksi, dimana panjang molekulnya dapat mencapai 40 basa, dengan taraf kesalahan sekitar satu dalam 200. Semua RNA dan DNA polymerase modern mengandung Zn. Jika ikatan template RNA 3‟,5‟ digunakan , sekitar 75% RNA yang terbentuk mempunyai ikatan 3‟,5‟. Akan tetapi hal ini tidak mengatasi problema bahwa pembentukan
orisinil dari tipe polimer RNA acak sangat cenderung menggunakan ikatan non biologis 2‟,5‟. Jika campuran nukleosida trifosfat (atau nukleotida plus polifosfat) di inkubasikan dalam kondisi purba, dengan menggunakan Zn sebagai katalis, sebuah molekul unting tunggal RNA dengan sekuen acak akan terbentuk. Langkah polimerisasi awal ini sangatlah lamban. Akan tetapi, ketika polimer RNA terbentuk, ia akan bertindak sebagai template untuk penyusunan untingunting komplementer. Sintesis berdasarkan template jauh lebih cepat, bahkan ketika tidak ada enzim sekalipun. Unting komplementer akan berperan sebagai template untuk menghasilkan lebih banyak molekul RNA. Hasil akhirnya adalah, ketika sekuen acak pertama muncul, ia akan melipat ganda dengan cepat dan akan mengambil alih campuran inkubasi. Dengan begini akan terbentuk kumpulan sekuen dengan banyak kesalahan, namun saling berkaitan (suatu „quasi-species‟ molecular). Jika serentetan inkubasi yang mirip dilakukan, masing masing sampel akan menghasilkan quasi-species yang berkaitan. Akan tetapi, sekuen yang mengambil alih pada setiap inkubasi akan berbeda satu sama lain. RIBOSOM DAN ‘DUNIA RNA’ Melihat kasus ayam, telur lebih dulu protein atau asam nukleat, Karena molekul RNA acak dapat menyusun dan berduplikasi sendiri dibawah kondisi purba, maka diduga bahwa asam amino terbentuk terlebih dahulu. Walaupun kebanyakan enzim modern adalah protein, contoh-contoh RNA yang bertindak sebagai enzim dan mengkatalis rekasi tanpa protein telah ditemukan. Kondisi ini menunjukan bahwa asam nukleat primitif bereplikasi sendiri, baru nantinya ditambahkan protein.
Gambar 5. Assembly and Duplikasi RNA acak Pandangan yang agak ekstrim adalah bahwa organisme primitif memiliki gen dan enzim yang terbuat dari RNA yang membentuk sesuatu yang dikenal sebagai “dunia RNA.” Ide ini diusulkan oleh Walter Gilbert tahun1986 dan dimaksudkan untuk menghindari paradoks bahwa asam nukleat dibutuhkan untuk mengkode protein, sedangkan enzim yang terbuat dari protein dibutuhkan dalam replikasi asam amino. Dalam tahapan evolusi, RNA diduga menjalankan kedua fungsi diatas. Nantinya protein akan mengambil alih fungsi enzimatik, dan DNA muncul dan berfungsi menyimpan materi genetik, sehingga RNA hanya akan berfungsi sebagai pertengahan antara enzim dan gen. Beberapa contoh telah menggambarkan kemampuan RNA dalam melakukan reaksi enzimatik serta mengkode informasi genetik. Beberapa contoh kasus yang mendukung RNA adalah: 1. Ribosom adalah molekul RNA sekali pakai yang aktif secara enzimatis. Enzim asli memproses banyak sekali molekul, dan tidak berubah susunannya selama reaksi. Maka dari itu RNA yang bersifat „self splicing (membelah dengan sendirinya)‟ bukanlah enzim sejati karena hanya bekerja sekali. Terdapat banyak sekali molekul yang diperkiranan merupakan ribozyme (ribosom yang aktif secara enzimatis). Poin terpenting adalah RNA ribosomal dari subunit yang besar, yang langsung terlibat dengan rekasi sintesis protein. Salah satu ribozyme yang paling terkenal adalah ribonuclease P. Enzim ini mempunyai komponen RNA dan protein yang mampu memproses transfer molekul RNA yang spesifik. Bagian RNA dari ribonuclease P-lah yang menjalankan rekasi tersebut.
Protein didalamnya hanya berfungsi untuk menahan ribosom dan RNA transfer yang direaksikan. Dalam larutan pekat, protein bahkan tidak diperlukan, karena komponen RNA dapat bekerja sendiri. 2. Intron yang bersifat self splicing (dapat membelah sendiri, yaitu intron group I) adalah contoh dari RNA katalis. Gen dari sel eukariotik biasanya diselingi oleh daerah non-koding (intron), yang harus dihapus dari RNA duta sebelum menjalani translasi menjadi protein. Biasanya, proses ini (yang dikenal sebagai splicing) dilakukan oleh spliceosom, yang terbuat dari beberapa protein dan molekul RNA kecil. Terkadang intron RNA men-splicing diri sendiri tanpa bantuan protein lain. Splicing seperti ini dijumpai pada sebagian kecil gen nukleus pada protozoa, dalam mitokondria sel fungi, dan pada kloroplast sel tanaman. 3. Viroid adalah molekul RNA penginfeksi sel tanaman. RNA viroid mengandung rekasi pembelahan diri selama replikasinya. Jadi disini viroid berfungsi sebagai ribosom. 4. Polimerase DNA tidak dapat memulai unting baru, namun hanya memanjangkan unting yang sudah ada. Primer yang terbuat dari RNA harus digunakan ketika unting DNA mulai elongasi. Polimerase RNA mampu melakukan inisiasi dan elongasi. Hal ini menunjukan bahwa polymerase RNA telah berevolusi sebelum polymerase DNA. 5. Molekul RNA kecil yang digunakan sebagai penunjuk ditemukan dalam berbagai proses. Contohnya adalah dalam penghilangan intron, modifikasi dan editing RNA duta, dan pemanjangan ujung dari kromosom eukariot oleh telomerase. 6. „Riboswitches‟ adalah motif pengikat pada RNA yang mengikat molekul kecil sehingga mengontrol ekspresi gen ketika tidak adanya protein regulator.
Pertanyaan penting dalam hal ini adalah: apakah RNA dapat mengopi diri sendiri tanpa bantuan DNA maupun enzim protein Walaupun polymerase RNA yang merupakan riboenzim sudah punah, terbukti bahwa ribosom tersebut dapat diproduksi dalam suatu percobaan. Molekul RNA yang diubah, dapat terseleksi
oleh suatu bentuk evolusi Darwin pada level molekuler. Ribosom yang sudah ada dapat digunakan sebagai materi awal. Alternatif lain adalah penggunaan kumpulan sekuen RNA yang dibuat secara artificial. Dalam salah satu percobaan, molekul RNA yang menunjukan aktivitas RNA ligase purba dipilih dari sekumpulan sekuen RNA acak (random RNA pool). Ribosom artifisial tersebut dapat mengikat dua rantai RNA melalui reaksi ligase seperti halnya enzim protein pada sel modern. Ribozym ligase yang paling bagus kemudian diseleksi lebih lanjut. Hasilnya adalah ribosom dengan 189 basa yang menggunakan template RNA untuk mensintesis untai RNA komplementer dengan tingkat ketepatan antara 96-99%. Ribosom ini menambahkan sebuah nukleotida tunggal, satu persatu, kepada primer RNA menggunakan substrat nucleoside trifosfat. Akan tetapi prosesnya sangat lamban dan hanya dapat memperpanjang rantai sebanyak 14 nukleotida, karena ribosom tersebut akan mengalami disasosiasi (pemisahan) dari template setelah menambahkan setiap nukelotida. Tidak seperti polymerase asli, yang akan tetap menempel dan bergerak dalam template, menambahkan nukleotida secara berturut-turut. Satu masalah dengan konsep dunia RNA adalah bahwa RNA lebih reaktif dibandingkan DNA. Walaupun RNA lebih mudah terbentuk pada kondisi purba, ia lebih tidak stabil dibanding DNA. Maka dari itu, walaupun DNA lebih lama terbentuk pada awalnya, ia akan cenderung mengalami penumpukan dalam kondisi seperti diatas. Terlebih lagi, sup purba mengandung campuran dari sub komponen kedua tipe asam nukleat, beserta protein, lipida dan karbohidrat. Maka dari itu lebih mungkin bahwa suatu molekul asam nukleat hibrida yang mengandung komponen RNA dan DNA lah yang pertama kali muncul.
SEL PERTAMA Membentuk molekul biologis primitif merupakan langkah pertama. Kemungkinan, protein dan molekul lipid terkumpul disekitar RNA (atau DNA) primitif, sehingga membentuk gumpalan mikroskopik ber-membran. Pada akhirnya proto-sel diatas akan belajar menggunakan RNA untuk mengkode sekuen protein. Lipid akan membentuk membran dibagian luar untuk menjaga agar komponen lainya tetap ditempat. Awalnya protein dan RNA saling berbagi
fungsi enzimatis. Namun kemudian RNA akan kehilangan sebagian besar fungsi enzimatisnya ketika digantikan protein yang lebih cocok. Diduga bahwa RNA merupakan molekul pertama yang digunakan untuk menyimpan informasi, dan akan digantikan oleh DNA dikemudian hari. Karena DNA lebih stabil dibandingkan RNA, maka ia dapat menyampaikan informasi dengan lebih akurat.
Gambar 6. Artificial Evolution of Ribozyme RNA Polymerase Sel primitif agak menyerupai bakteri primitif, dan mereka hidup memakan senyawa organik dalam sup purba. Pada akhirnya, persediaan molekul organik yang sudah jadi akan habis. Proto sel terpaksa mencari sumber energi baru, dengan menggunakan matahari. fotosintesis pertama diduga menggunakan energi matahari digabungkan dengan pengunaan senyawa sulfur sebagai pereduksi. Fotosintesis yang lebih maju menggunakan air, bukan senyawa sulfur. Air akan dipisah, melepaskan oksigen ke atmosfer. Sebelum ini, atmosfer tidak memiliki oksigen. Penambahan oksigen ini benar-benar mengubah keadaan bumi purba. Ketika oksigen telah tersedia, kemampuan respirasi mulai berkembang. Sel mengatur ulang komponennya, dari yang semula digunakan untuk fotosintesis, menjadi yang dapat melepaskan energi
dengan cara oksidasi molekul makanan menggunakan oksigen. Fotosintesis menghasilkan oksigen dan memnggunakan CO2, sedangkan respirasi melakukan sebaliknya. Hasil keseluruhan adalah ekosistem dimana tumbuhan dan hewan saling melengkapi secara biokimia.
Gambar 7. Emergence The Proto Cell
TEORI AUTOTROFIK DAN ASAL MULA METABOLISME Terdapat teori alternatif mengenai asal mula kehidupan secara kimiawi. Menurut teori ini, proto sel pertama tidaklah heterotrofik dan hidup dengan memakan materi organik yang sudah ada, namun adalah autotrofik dan mampu memfiksasi CO2 kepada molekul organik. Organisme autotrof adalah orgnisme yang menggunakan sumber carbon inorganik dan mampu membuat materi orgnik sendiri, tidak seperti organisme heterotrof yang menggunakan materi orgnaik yang telah tersedia. Autotrof yang paling dikenal adalah tanaman yang menggunakan energi matahari untuk mengubah karbon dioksida menjadi derivate gula. Walaupun begitu terdapat juga bakteri yang tidak perlu menggunakan sinar matahari, yang diganti dengan sumber energi lain. Dan juga, jalur dari fiksasi CO2 lebih dari satu. Disini beberapa bacteria autotrof mengabungkan CO2 dengan asam karboksilat, dan tidak menghasilkan derivate gula seperti pada tanaman. Teori asal kehidupan autorofik menyatakan bahwa oksidasi kimia dari senyawa besi yang sudah ada di alam sebagai sumber energi purba. Terutama pada konversinya dari FeS menjadi pyrite (FeS2) menggunakan H2S yang menghasilkan energi dan menyediakan atom H untuk mereduksi CO2 menjadi materi organik (Bakteri anaerob modern menghasilkan energi melalui oksidasi
senyawa Fe2+ menjadi Fe3+, dan ada juga yang mmengoksidasi senyawa sulfur. Maka dari itu metabolism pada masa purba yang menggunakan Fe dan sulfur terdengar masuk akal). Beberapa teori telah dikemukan mengenai rekasi fiksasi CO2 yang pertama. Salah satu teori melibatkan insersi CO2, yang dikatalis oleh Fe, kedalam derifat sulfur dari asam karboksilat yang masih dapat ditemukan sekarang sebagai penengah metabolit (metabolik intermediate), seperti asam asetat, asam piruvat, dll. Reaksi awal seperti diatas terjadi dipermukaan mineral besi dan sulfide yang terpendam dalam tanah, tidak pada sup purba. Hal ini menimbulkan pertanyaan dari mana asam organik seperti itu awalnya berasal. Salah satu kemungkinan adalah bahwa mereka terbentuk dari sintesis tipe Miller seperti yang telah dijelaskan. Teori lain menjelaskan bahwa molekul organik pertama dibentuk langsung dari CO yang ditambah H2S. Telah dibuktikan bahwa campuran katalis FeS/NiS dapat merubah CO ditmabah thiol metan (CH3SH) menjadi thioester (CH3 CO SCH3), yang selanjutnya terhidrolisis menjadi asam asetat. Keikutsertaan selenium sebagai katalis memungkinkan konversi CO ditambah H2S menjadi CH3SH (yang nantinya akan menjadi thioester, lalu asam asetat). Telah dibuktikan bahwa aktivasi CO oleh katalis campuran FeS/NiS dapat membentuk ikatan peptide antara asam amino alpha (alpha amino acids) dalam larutan aqueous. Sistem diatas juga mampu menghidrolisis polipeptida.
EVOLUSI DNA, RNA DAN SEKUEN PROTEIN Bayangkan gen dari suatu organisme awal. Dalam waktu berjuta-juta tahun, mutasi gen akan terjadi pada sekuen DNA pada gen, dengan kecepatan yang lambat tapi pasti. Kebanyakan mutasi tereliminasi karena bersifat merusak, walaupun tetap ada yang bertahan. Kebanyakan mutasi yang disimpan dalam gen adalah mutasi netral yang tidak baik maupun buruk bagi organisme tersebut. Kadang-kadang mutasi yang memperkuat fungsi dari gen atau protein yang dikode dapat terjadi, walaupun relatif jarang. Terkadang mutasi yang awalnya buruk dapat berubah menjadi baik dalam kondisi lingkungan yang berbeda. Fungsi asli dari suatu protein adalah yang terpenting, bukan sekuen gen yang mengkodenya. Jika protein tersebut dapat berfungsi secara normal, mutasi
pada gen tersebut masih dapat diterima. Kebanyakan asam amino yang menyusun suatu rantai protein dapat bervariasi, tanpa merusak fungsi dari protein tersebut terlalu banyak (fungsinya rusak sedikit). Pengantian satu asam amino dengan asam amino lain yang mirip (substitusi konversi) jarang sekali dapat menghapus fungsi dari protein yang dikode. Jika kita bandingkan antara sekuen protein yang sama yang diambil dari beberapa organisme organik modern yang berbeda, dapat dilihat bahwa sekuenya tersusun dengan sangat mirip. Contohnya, rantai alpha hemoglobin pada manusia dan simpanse adalah identik. Akan tetapi jika dibandingkan dengan babi, maka 13% sekuen akan berbeda, dengan ayam terdapat 25% perbedaan, dan dengan ikan terdapat 50% perbedaan. Perbedaan sekuen ini sudah banyak diduga dari perkiraan kekerabatan evolusi lain. Disitu ditunjukan situs perlekatan (binding site) yang ditemukan dalam enzim yang berkerabat (yaitu sekelompok dehidrogenase alkohol yang ditemukan dalam mikroorganisme) yang menggunakan Fe dalam mekanisme aktifnya. Suatu silsilah evolusi mungkin dapat disusun menggunakan satu set sekuen suatu protein, selama protein tersebut dapat ditemukan pada setiap mahluk yang dibandingkan. Rantai alpha hemoglobin hanya ditemukan pada mahluk yang berkerabat darah dengan manusia. Sebaliknya, cytochrome e adalah suatu protein yang terlibat dalam penghasilan energi pada semua organisme tingkat atas, termasuk fungi dan tumbuhan. Bahkan terdapat beberapa kerabat dari protein tersebut yang ditemukan pada banyak bakteria. Manusia dengan ikan berbeda dalam sekuen asam amino untuk cytochrome e sebesar 18%, dan berbeda dengan fungi atau tanaman sebesar 45%. Akan tetapi antara fungi dan tanaman sendiri, terdapat perbedaan 45%, yang menandakan bahwa perbedaan antara hewan dan tanaman adlah sebesar perbedaan antara tanaman dan fungi. Mutasi tunggal mungkin mengembalikan suatu sekuen gen atau protein pada lokasi tertentu, kembali menjadi sekuen moyangnya. Akan tetapi gen hampir tidak pernah bermutasi kebelakang untuk kembali menjadi seperti moyangnya, yaitu sebelum sekuen tersebut mengalami berbagai evolusi. Hal ini hanyalah masalah probabilitas. Tidak ada yang mencegah suatu sekuen untuk kembali menjadi sekuen awal, namun kemungkinan membalikan setiap mutasi yang telah terjadi adalah sangat-sangat kecil.
MENGHASILKAN GEN BARU MELALUI DUPLIKASI Cara standar mengetahui terbentuknya gen baru adalah melalui duplikasi gen. Mutasi mungkin menyebabkan duplikasi dari segmen DNA yang membawa satu sampai beberapa gen. Segmen awal akan tetap sama karena fungsinya dibutuhkan, namun duplikatnya dapat bermutasi dan mungkin tersusun ulang secara drastis. Kemungkinan besar mutasi yang menumpuk akan menonaktifkan gen duplikat. Namun kadang juga duplikat akan tetap aktif dan terubah susunanya sehingga mempunyai fungsi yang berkaitan namun berbeda dengan gen aslinya. Duplikasi
berulang
yang
diikuti
perbedaan
sekuen
mungkin
menghasilkkan keluarga gen berkerabat yang mempunyai fungsi yang berkaitan namun berbeda. Salah satu contoh yang paling baik adalah keluarga gen globin. Hemoglobin membawa oksigen dalam darah, sedangkan mioglobin membawa oksigen dalam otot. Kedua protein ini memiliki fungsi yang kurang lebih sama, bentuk 3D yang mirip, dan sekuen yang berkerabat. Setelah gen globin awal berduplikasi, 2 gen untuk mioglobin dan hemoglobin perlahan mengalami percabangan, karena mereka mengalami spesialisasi untuk bekerja dalam jaringan yang berbeda. Hemoglobin pada darah manusia memiliki dua ranta alpha globin dan dua rantai beta globin yang membentuk suatu tetramer alpha 2 / beta 2, tidak seperti mioglobin yang merupakan suatu monomer rantai polipeptida. Alpha-globin dan beta-globin terbentuk melalui percabangan pada gen hemoglobin awal. Disamping itu, gen awal alpha-globin mengalami percabangan lagi, menjadi alpha-globin modern dan zeta-globin. Beta-globin mengalami percabangan dua kali, yang menghasilkan beta-globin modern, gamma, delta, dan epsilon globin. Jenis-jenis globin ini digunakan dalam tahap pertumbuhan yang berbedabeda. Pada setiap tahapan, tetramer hemoglobin mengandung dua rantai alpha dan dua rantai beta. Zeta-globin dan epsilon-globin hanya terdapat pada embrio, yang memiliki hemoglobin zeta 2 / epsilon. Pada fetus, rantai epsilon digantikan oleh gamma, sedangkan rantai zeta diganti alpha, sehingga hemoglobinya adalah alpha 2 / gamma 2. Karena fetus perlu menarik oksigen dari darah ibu, maka hemoglobin alpha 2 / gamma 2 lebih efektif dalam mengikat oksigen dibandingkan hemoglobin pada manusia dewasa.
Gambar 8. Globin Family Tree
Gambar 9. Fetal Hemoglobin is Better Gen globin adalah contoh dari keluarga gen (gene family), yaitu sekelompok gen yang saling berkerabat yang terbentuk melalui duplikasi terus menerus. Setiap anggota keluarga ini mempunyai sekuen yang berkerabat dengan fungsi yang mirip. Selama evolusi, duplikasi gen yang terus menerus mungkin menghasilkan beberapa gen baru yang fungsinya mengalami secara perlahan, sampai pada akhirnya kekerabatan antar keduanya sulit untuk dikenali. Hal ini memberikan gen suatu penggolongan lain, dibawah tingkat keluarga, yang dikenal sebagai “superfamily”. Gen-gen pada system imun merupakan contoh yang baik dari keluarga gen dan superfamily gen. Pada eukariot, retro-elements yang mengkode enzim reverse transkriptase cukup umum ditemukan. Karena itu transkripsi balik dari molekul mRNA seluler mungkin terjadi. Hasilnya adalah kopi dari DNA komplementer yang mungkin
terintegrasi dalam genom. Dengan begini maka terbentuk duplikat dari gen tersebut, walaupun yang ini tidak memiliki intron dan promoter gen aslinya. Duplikat tidak aktif seperti diatas dikenal sebagai pseudogen, dan biasanya terjadi penumpukan mutasi yang akan menginaktifkan sekuen koding pada pseudogen tersebut. Terkadang, pseudogen mungkin terletak disebelah promoter fungsional sehingga dapat terekspresikan. Ini akan menghasilkan duplikat fungsional dari gen awal yang mungkin mengalami perubahan karena mutasi, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Kesalahan yang jarang terjadi selama pembelahan sel mungkin menyebabkan seluruh genom mengalami duplikasi. Contoh utama adalah bahwa kesalahan yang terjadi selama meiosis mungkin menghasilkan gamet diploid. Fusi dari dua gamet diploid akan menghasilkan zigot tetraploid, yang menyebabkan individu tetraploid. Sementara itu, individu triploid lebih sering terbentuk melalui fusi satu gamet diploid dengan gamet normal. Kebanyakan individu triploid adalah steril, karena memiliki gamet dengan jumlah kromosom yang salah. Akan tetapi terkadang triploid juga dapat menghasilkan progeny tetraploid. Jumlah ploidi yang menyimpang sering terjadi pada tanaman. Sekitar 5 dari 1000 gamet tanaman bersifat diploid. Maka dari itu, dalam persilangan antara dua induk, sekitar 2,5 dalam setiap 10-5 zigot akan bersifat tetraploid. Dengan berlalunya waktu, maka duplikat gen dalam suatu organisme tetraploid akan mengalami percabangan. Pada akhirnya, ketika duplikat tersebut mengalami percabangan yang cukup untuk menjadikanya unik dan berfungsi baru, organisme tersebut akan menjadi diploid lagi.
SEKUEN PARALOGUS DAN ORTHOLOGUS Beberapa sekuen disebut sebagai homolog ketika sekuen-sekuen tersebut memiliki sekuen awal (ancestral sequence) yang sama. Jika beberapa organisme mempunyai duplikat dari suatu gen yang berasal dari gen awal yang sama, maka perbandingan sekuen seharusnya menghasilkan silsilah evolusi (evolutionary tree) yang akurat. Akan tetapi, duplikasi gen mungkin menghasilkan duplikat gen yang sama pada satu organsime saja. Alternatif seperti ini digambarkan pada. Gen orthologus adalah gen yang ditemukan pada beberapa spesies, yang mengalami
percabangan (divergence) ketika organisme yang memiliki gen tersebut mengalami percabangan pula. Gen paralogus adalah beberapa duplikat dari suatu gen dalam organisme yang sama yang terjadi karena proses duplikasi. Untuk menghasilkan silsilah evolusi yang akurat, gen orthologus harus dibandingkan satu sama lain. Contohnya, sekuen alpha-globin dari satu hewan seharusnya dibandingkan dengan alpha-globin orthologus dari hewan lain, bukan dengan beta-globin paralogus. Karena suatu paralogus memiliki seperangkat gen dengan sekuen yang mirip, maka mungkin menimbulkan kebingungan bagi pengamat, kecuali jika asal mula gen tersebut telah diketahui. Salah satu yang terpenting, adalah bahwa kita harus bias mengetahui apakah suatu orgnaisme mengandung sekuen yang berasal dari asal yang sama. Misal karena informasi kita terbatas, maka hanya diketahui bahwa terdapat alpha-globin dari babi dan beta-globin dari anjing. Jika kita tidak mengetahui adanya anggota keluarga gen globin
lainya
dalam
kedua
organisme
tersebut,
kita
mungkin
akan
membandingkan kedua sekuen tersebut seakan-akan mereka orthologus. Perbandingan seperti ini akan menghasilkan hubungan/silsilah yang tidak tepat.
Gambar 10. Paralog dan ortholog sekuen
MEMBUAT GEN BARU MELALUI SHUFFLING Cara lain dalam menghasilkan gen baru adalah dengan menggunakan molekul yang sudah jadi. Segmen dari dua gen atau lebih dapat digabungkan (fusi) melalui penyusunan ulang DNA, sehingga menghasilkan gen baru yang tersusun atas daerah2 (region) yang berasal dari beberapa sumber. Contoh pembentukan gen dari beberapa komponen yang berbeda adalah pada reseptor LDL. LDL atau low density lipoprotein, berfungsi membawa kolesterol dalam darah. Reseptor LDL ditemukan pada permukaan sel yang menggunakan LDL. Gen untuk reseptor ini terdiri atas beberapa daerah, dimana dua diantaranya berasal dari gen lain. Mendekati bagian depan terdapat 7 ulangan dari suatu sekuen yang juga ditemukan dalam „factor C9 komplementer‟, yaitu suatu protein dalam sistem imun tubuh. Lebih kedepan lagi adalah segmen yang berkerabat dengan suatu hormon, yaitu epidermal growth factor. Ketika suatuen „mosaik‟
seperti itu ditranskripsikan lalu ditranslasi, maka akan terbertuk suatu protein „tembelan‟ yang tersusun atas beberapa domain yang berbeda.
Gambar 11. Prinsip Evolusi Modular
Gambar 12. Contoh Evolusi Modular- Reseptor LDR
PROTEIN YANG BERBEDA BEREVOLUSI PADA TARAF YANG BERBEDA Sudah jelas bahwa kita tidak dapat bergantung pada satu protein saja untuk menghasilkan suatu silsilah evolusi. Jika kita membuat silsilah menggunakan beberapa protein yang berbeda, maka hasil yang didapatkan sering kali mirip. Walaupun begitu, protein yang berbeda berevolusi dengan kecepatan yang berbeda. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, manusia memiliki perbedaan 50% dibandingkan dengan ikan mengenai rantai alpha pada hemoglobin, dan 20% pada sitokrom c. Jika kita membandingkan antara jumlah perubahan bebrapa jenis asam amino dengan skala waktu, maka kita dapat melihat kecepatan evolusinya. Sitokrom c lamban, hemoglobin (alpha dan beta) kecepatanya sedang, sedangkan untuk fibrinopeptida A dan B sangat cepat. Fibrinopeptida terlibat dalam proses pembekuan darah. Protein ini membutuhkan arginin di bagian ujung, dan harus bersifat keasaman sedang.
Terlepas dari itu, protein ini dapat bervariasi secara luas karena sedikit sekali syarat2 (agar bisa berfungsi) lainya. Sebaliknya, histon mengikat DNA dan bertanggung jawab atas benarnya pelipatan DNA. Hampir setiap perubahan pada histon dapat bersifat letal pada sel, maka dari itu evolusi histon sangatlah lamban. Sitokrom c adalah suatu enzim yang fungsinya bergantung amat sangat pada residu asam amino pada situs aktif, yang mengikatkanya pada kofaktor hemo. Karena itu residu pada situs aktif jarang bervariasi, walaupun asam amino disekitarnya berubah-rubah. Dari 104 residu, hanya 3, yaitu Cys-17, His-18, dan Met-80 yang tidak bervariasi sama sekali. Pada tempat lain, variasi sangatlah rendah residu asam amino yang besar dan nonpolar selalu mengisi posisi 35 dan 36. Beberapa molekul sitokrom c telah diamati menggunakan kristalografi sinar, dan telihat bahwa semua molekul memiliki struktur 3D yang sama. Walaupun pada molekul sitokrom c dapat terjadi variasi sampai 88% pada residu, bentuk 3D nya tidak berubah. Sedikit variasi ini terlihat pada asam amino yang penting bagi fungsi dan struktur sitokrom c. Insulin adalah suatu hormon yang berevolusi dengan kecepatan yang kurang lebih sama dengan sitokrom c. Inslin terdiri atas 2 rantai protein (A dan B)yang dikode oleh satu gen insulin. Selama sintesis protein, molekul pre-insulin panjang akan dihasilkan. Bagian tengah molekul ini, yaitu peptide C, akan dipotong dan dibuang. Ikatan disulfida akan menahan rantai A dan B bersamasama. Karena rantai C bukanlah bagian dari hasil akhir (hormone), maka ia dapat be revolusi dengan lebih cepat, kira-kira 10 kali kecepatan evolusi rantai B dan A. Seluruh protein ini menjaga residu penting mereka selama evolusi. Perlu dicatat bahwa mutasi bersifat acak. Mutasi bias saja terjadi pada bagian A, B, maupun C. Mutasi yang terjadi pada A dan B kemungkinan bersifat merugikan bagi organisme, maka dari itu tidak akan diturunkan ke generasi selanjutnya. Sebaliknya mutasi pada C tidak merugikan organisme, maka dari itu akan disalurkan kepada progeny.
KEBIASAAN
MOLEKULAR
(MOLECULAR
CLOCKS)
UNTUK
MELACAK EVOLUSI Protein yang berevolusi secara cepat, lambat laun akan memiliki sekuen yang sangat berbeda antar organisme dari asal yang sama, sehingga tidak dapat dikenali lagi. Sebaliknya, protein yang berevolusi sangat lamban akan menunjukan perbedaan yang kecil diantara dua orgnasime. Maka dari itu, kita perlu menggunakan sekuen yang lambat berubahnya, untuk menunjukan hubungan evolutioner yang jauh serta sekuen yang berevolusi secara cepat pada organisme yang berkerabat dekat. Kebanyakan protein manusia memiliki sekuen yang identik dengan simpanse, yang berkerabat dekat dengan manusia. Walaupun kita menelusuri evolusi cepat pada ebrinopeptida, manusa dan simpanse akan berada pada cabang yang sama dalam silisilah evolusi. Jadi bagaimana membedakan manusia dengan simpanse. Mutasi yang tidak mepengaruhi sekeuen protein lebih cepat menuumpuk selama evolusi, karena mereka tidak memiliki efek merugikan. Jadi jika kita melihat sekuen DNA (bukan sekuen protein) dari beberapa organisme, akan terlihat banyak perbedaan lain. Perbedaan ini cenderung ditemukan pada sekuen non koding dan pada posisi kodon ketiga. Dengan mengubah basa ketiga pada sebagian besar kodon tidak akan mengubah asam amino yang dikodenya. Intron adalah sekuen non koding yang akan dikeluarkan dari transkrip primer sehingga tidak akan muncul pada mRNA. Sekuen introm tidak merepresentasikan protein akhir yang akan dibentuk. Disamping batas intron dan situs pengenal daerah splicing, sekuen intron pada suatu DNA bebas bermutasi. Sekuen non koding lain terdapata diantara gen, dan jika tidak terlibat dalam proses regulasi, maka mereka bebas untuk bermutasi. Data awal mengenai sitokrom c, hemoglobin, dll diperoleh melalui sekuensing langsung protein. Karena DNA sequencing lebih mudah dilakukan dan lebih akurat, protein sekuen yang ditemukan baru-baru ini dideduksi menggunakan sekuen DNA. Maka dari itu terdapat banyak sekali informasi DNA menganai hewan yang berkerabat dekat. Dengan menggunakan data ini, maka kekerabatan evolutioner antar hewan, seperti manusia dengan simpansee, dapat diperjelas.
RNA RIBOSOMAL – AGEN EVOLUSI YANG LAMBAN Salah satu kendala besar adalah bagaimana menyusun silsilah evolusi yang mengandung seluruh organsime, serta menunjukan hubungan antara setiap kelompok besar organisme. Untuk mencapai tujuan ini, pertama-tama kita membutuhkan molekul yang dapat ditemukan pada setiap organisme. Kedua, molekul tersebut harus berevolusi dengan sangat lamban, sehingga tetap dapat dikenali pada setiap kelompok besar bentuk kehidupan. Walaupun histon berevolusi dengan sangat lamban, namun ia hanya dimilki oleh sel eukariot sel bakteri tidak memilikinya, Maka dari itu digunakan RNA ribosomal. Dalam kejadian sebenarnya, DNA dari gen yang mengkode RNA suatu sub unit kecil ribosom (16S atau 18S rRNA) disusun (sequenced), dan kemudian sekuen rRNA di
deduksi. Semua orgnisme hidup harus membuat
protein dan semuanya memiliki ribosom. Terlebih lagi, karena sintesis protein begitu penting, komponen ribosomal sangatlah dijaga dan ber-evolusi dengan lambat. Pengecualian dalam hal ini adalah virus, yang tidak memiliki ribosom.
(Apakah virus dapat disebut „hidup‟ atau tidak banyak dipertanyakan, dan juga silsilah evolusi (asal) dari virus masih kontoversial. Penggunaan kekerabatan berdasarkan RNA ribosom memungkinkan pembuatan silsilah evolusi yang mencakup seluruh kelompok besar makhluk hidup. Organsime tingkat tinggi terdiri atas 3 kelompok besar: hewan, tanaman, dan fungi. Analisis RNA mengindikasikan bahwa fungi purba tidak pernah berfotosintesis, dimana perkembangan mereka bercabang dengan tanaman sebelum terdapatnya kloroplas. Walaupun biasanya dipelajari dalam bidang botani, fungi sebenarnya lebih mirip hewan daripada tanaman. Banyak jenis organisme sel tunggal bercabang dari bagian eukariot pada bagian bawah silsilah, dan tidak termasuk dalam 3 kingdom tadi. Kebanyakan sel eukariot mengandung mitokondria, dan sebagai tambahan, sel tumbuhan memiliki kloroplast. Organel tersebut berasal dari bacteria simbiot dengan yang mengandung ribosom. Sekuen RNA mitokondria dan kloroplast menunjukan hubungan organel-organel tersebut dengan bacteria. Hubungan antara eukariot terbentuk dari penggunaan RNA dari ribosom yang ditemukan pada sitoplasma sel eukariot. Ribosom tersebut memiliki rRNA yang dikode oleh gen dalam inti sel.
Pada silsilah berdasarkan rRNA yang mencantumkan prokariot dan eukariot, dapat dilihat bahwa kehidupan di bumi terdiri atas tiga garis keturunan. Tiga kelompok kehidupan ini adalah eubacteria (bacteria sejati, yang
mengandung organel), archaea atau archaebacteria (bacteria purba) dan eukariot. Perbedaan antara dua prokariot dengan tipe gen yang berbeda sama bedanya dengan perbedaan antara prokariot dan eukariot. Sekuencing dari organell rRNA mengindikasikan bahwa mitokondria dan kloroplast berasa dari garis keturunan eubacteria.
Salah satu yang aneh dalam pengelempokan makhluk hidup menggunakan rRNA adalah bahwa mahluk hidup itu sendiri tidak diperlukan. Sampel DNA yang mengandung gen 16S rRNA sudah cukup. Walaupun mikroorganisme pada laut maupun tanah dipernah berhasil dikultur dengan sukses, DNA dapat diekstraksi langsung dari tanah maupun laut. Menggunakan PCR, pengandaan DNA dari satu sel dapat menghasilkan 16S rRNA yang cukup untuk memperoleh suatu sekuen. Beberapa kelompok bakteria telah banyak ditemukan menggunakan metode diatas, walaupun tidak ter-kultur dengan sukses.
EVOLUSI INSTAN RNA RIBOSOM Bayangkan sebuah molekul esensial yang berkembang secara perlahan, seperti histon atau RNA ribosom. Ada kemungkinan kombinasi tertentu dari dua mutasi terjadi pada molekul fungsional, namun hal itu sendiri akan menjadi tidak berpengaruh. Sebagai contoh, sebuah mutasi dari G ke C dapat berakibat fatal pada rRNA 16S. Namun, dengan mengganti GC menjadi pasangan basa CG hal tersebut dapat diatasi. Selama evolusi normal, pergantian ini hampir tidak mungkin terjadi karena mutasi tunggal sekalipun merupakan mutasi yang letal dan kemungkinan terjadinya mutasi beruntun hanya pada dua jenis basa sangat kecil.
Akibatnya, pasangan CG pada mutasi ini akan menjadi sangat langka di dalam rRNA 16S pada makhluk hidup yang masih ada. Untuk menganalisis seluruh hubungan struktur dan fungsi molekul seperti rRNA, beberapa mutasi buatan harus dipaparkan secara berturut-turut. Hal ini dapat dilakukan dengan prosedur yang dikenal dengan nama “evolusi instan” yang dikembangkan di dalam laboratorium Dr. Philip R. Cunningham di Wayne State University. Pada pendekatan ini, rRNA 16S dimutasikan dan mutasi yang mencegah sintesis protein diisolasi. Kemudian, mutasi supresor yang mengembalikan sintesis protein diseleksi. Pilihan lain, beberapa mutasi acak dapat dipaparkan secara beruntun pada suatu daerah kecil rRNA yang diduga memiliki peran penting dalam sintesis protein. Pada kedua cara tersebut, kebanyakan mutasi yang terjadi bersifat letal pada keadaan normal untuk menghindari matinya bakteri maka dilakukan manipulasi agar mutan dari rRNA 16S tidak mempengaruhi sintesis protein sel normal. Teknologi berikut dikembangakan untuk mencegah bentukan rRNA yang termutasi mempengaruhi fungsi normal dari bakteri. a. Salinan gen rRNA 16S dimasukkan ke dalam plasmid dan dimutasikan. Karena salinan genom rRNA 16S masih berfungsi, sebagian besar ribosom sel akan masih tetap normal. Hanya sebagian kecil ribosom yang akan memiliki mutan rRNA 16S. b. Sekuen anti-Shine-Dalgarno pada plasmid rRNA 16S diubah sehingga tidak dapat mengenali mRNA sel normal, sehingga mutasi letal pada salinan rRNA 16S tidak akan mempengaruhi sintesis protein normal. c. Gen reporter didesain dengan sekuen Shine-Dalgarno yang telah diubah menjadi cocok dengan plasmid atau mutan rRNA 16S. Sehingga hanya translasi mRNA dari gen reporter yang merespon mutasi dalam salinan rRNA 16S yang berasal dari plasmid. Gen reporter yang digunakan ada dua, chlorampenicol acetyl transferase (CAT), yang membuat bakteri menjadi kebal terhadap chlorampenicol, dan green fluorescent protein (GFP), yang menyebabkan bakteria menjadi berwarna hijau saat menampakkan fluorescent. Mutan rRNA 16S secara fungsional terisolasi dari bagian sel yang lain dan dapat dianalisis dengan memonitor ekspresi
dua protein CAT dan GFP. Mutasi letal pada rRNA 16S hanya mencegah CAT dan GFP tanpa mempengaruhi sintesis protein normal dari bakteri. Pada eksperimen ini hampir 60.000 kombinasi SD-anti SD yang berbeda telah dicoba namun hanya 13 yang telah diketahui fungsional tanpa membunuh sel. Peneliti laboratorium Cunningham menunjukkan bahwa hampir semua perubahan yang terjadi pada sekuen anti-SD berefek letal pada bakteri, hal ini mungkin diakibatkan terganggunya sintesis protein pada bakteri. Sejak pengembangannya, evolusi instan telah digunakan oleh beberapa peneliti di seluruh dunia untuk mempelajari peran RNA ribosom dalam sintesis protein. Teknologi ini juga dapat digunakan untuk mengembangkan antibiotik baru untuk daerah penting pada ribosom dan tidak dapat diatasi dengan ketahanan obat. Sebenarnya sekuen RNA ribosom digunakan untuk klasifikasi. Namun setelah didapatkan data sekuen yang lebih banyak, termasuk data seluruh genom, menambah sejumlah gen lain untuk masuk ke dalam pertimbangan klasifikasi menjadi mungkin dilakukan. Untuk mendapatkan pohon kekerabatan yang benar kita juga membutuhkan informasi sekuen dari organisme lain yang berada di luar kelompok tersebut, dalam kasus ini digunakan bakteri pseudomonas, yang berkerabat jauh dengan enterobakteri. Titik pada gambar menunjukkan dugaan leluhur yang sama.
Panjang cabang juga seringkali di beri skala untuk menunjukkan jumlah mutasi yang dibutuhkan berapa banyak basa yang harus berubah untuk mengganti sekuen tiap poin cabang satu ke yang lain. Parasit memiliki banyak adaptasi dan metode yang berkembang karena habitat mereka yang tidak biasa. Mengadakan hubungan filogenetik pada parasit sangat sulit bila hanya dengan analisis ciri-ciri yang sederhana. Untungnya,
sekuen gen seringkali dapat digunakan untuk melacak keturunan makhluk hidupt parasit. Perkembangan yang berbeda karena lingkungan yang tidak biasa tidak hanya terjadi pada parasit. Hewan seperti tikus tanah telah beradaptasi untuk hidup di bawah tanah atau gua dan tidak memiliki mata dalam prosesnya karena organ ini tidak berguna. Terkadang struktur sisa dari organ yang dihilangkan masih tersisa walaupun hewan tersebut sudah tidak membutuhkannya lagi. Paus memiliki sisa tungkai belakang yang mengecil, yang mengindikasikan bahwa paus bukanlah ikan yang sebenarnya, melainkan mamalia yang menjadi seperti ikan pada umumnya karena mereka beradaptasi untuk hidup di lautan. Sampai munculnya sekuensing gen, masih belum diketahui mamalia mana yang merupakan kerabat terdekat paus. Sekarang diketahui tampaknya paus memiliki kekerabatan dengan artiodactyl, mamalia bergigi geraham banyak seperti kuda nil, jerapah, babi dan unta. Satu masalah besar dari perbandingan sekuen adalah perubahan basa dapat berbalik kembali. Walaupun perbandingan statistik dari beberapa sekuen dengan banyak bagian yand diubah seringkali sudah mencukupi untuk pembuatan silsilah, terkadang muncul ambiguitas. Metode yang berguna untuk membantu menyelesaikan ambiguitas ini adalah dengan menggunakan insersi atau delesi yang tertata – dikenal dengan nama sekuen penanda atau indels. Walaupun insersi atau delesi satu basa dapat berbalik, kemungkinan insersi atau delesi pada beberapa basa untuk kembali seperti bentuk aslinya sangat kecil. Akibatnya, bila satu subgrup famili yang berhubungan sekuennya memiliki indels dengan panjang yang sama dan sekuen di tempat yang sama, sekuen itu berarti berasal dari satu leluhur yang sama.
DNA MITOKONDRIA Walaupun mitokondria mengandung molekul DNA sirkuler yang berbeda dengan kromosom bakteri, genom mitokondria berjumlah sangat sedikit. DNA mitokondria mengkode beberapa protein dan RNA ribosom dari mitokondria. Namun sebagian besar komponennya dikode oleh nukleus eukariot. Yang menjadi pertimbangan kali ini adalah mitokondria, DNA hewan mengakumulasi mutasi lebih cepat daripada gen inti sel. Dalam hal ini, mutasi seringkali terjadi pada
posisi kodon ketiga dari gen struktural dan bahkan lebih cepat di bagian pengaturan antar gen. Hal ini berarti bahwa DNA mitokondria dapat digunakan untuk mempelajari hubungan kekeluargaan dari spesies yang dekat atau ras berbeda dalam satu spesies. Kebanyakan variabilitas dalam DNA mitokondria manusia muncul di dalam segmen D-loop dari daerah regulator. Pembacaan segmen ini akan membuat kita dapat membedakan orang berdasarkan kelompok rasnya. Satu kekurangan bila kita memakai DNA mitokondria adalah bahwa semua mitokondria merupakan hasil turunan dari ibu. Walaupun sperma juga mengandung mitokondria, itu tidak dilepaskan saat fertilisasi sel telur dan tidak diwariskan ke keturunannya. Di sisi lain, analisis mitokondria memberikan hasil yang jelas mengenai silsilah dari wanita tersebut, sebagaimana komplikasi akibat rekombinasi dapat diabaikan. Lebih jauh lagi, sel eukaryotik mengandug hanya satu nukleus tapi memiliki banyak mitokondria sehingga bisa didapatkan ribuan DNA mitokondria. Hal ini membuat ekstraksi dan sekuensing DNA mitokondria menjadi lebih mudah dari segi teknikal. DNA mitokondria terkadang dapat didapatkan dari museum sampel dan hewan yang sudah punah. DNA mitokondria diekstrak dari mamoth beku yang ditemukan di siberia berbeda empat sampai lima basa dari 350 dibandingkan dengan gajah India dan gajah Afrika. Analisis DNA mendukung perpecahan tiga jalur berdasarkan hubungan anatomis. Quagga adalah hewan yang sudah punah, mirip dengan zebra. Hewan ini tersebar di padang rumput afrika selatan sekitar seratus tahun yang lalu. bulu yang diawetkan di musium Jerman memiliki potongan otot yang merupakan sumber bahan ekstraksi dan sekuensi. Dua fragmen gen digunakan dari DNA mitokondria quagga. DNA quagga berbeda 5% dari DNA Zebra modern. Dari sini diperkirakan quagga dan zebra gunung memiliki leluhur yang sama kurang lebih tiga juta tahun yang lalu. DNA juga dengan sukses telah diekstrak dari mumi mesir. Walaupun yang didapat hanya 5% bila dibandingkan dengan DNA dari jaringan manusia yang masih segar, sekuen DNA dari mumi berusia 2400 tahun telah didapatkan. Walaupun beberapa ribu pasangan basa telah terbaca, tidak ditemukan gen manusia di dalamnya. Karena DNA pada hewan tingkat atas kebanyakan
mengandung sekuen non-coding, hal ini bukanlah sesuatu yang mengejutkan. Pada akhirnya DNA murni mengandung elemen Alu yang merupakan karakteristik DNA manusia.
DNA KUNO DARI HEWAN PUNAH Terpisah dari mumi dan mamoth yang didiskusikan tadi, sekuen DNA dari hewan yang masih hidup biasanya digunakan untuk merancang skema evolusi. Namun, DNA lama yang diekstrak dari sisa fosil hewan yang sudah punah dapat memberikan data evaluasi bagi ras yang sudah berevolusi. DNA tertua yang diketahui didapat dari damar. Damar adalah bentukan resin dari pohon yang sudah punah yang akan berubah menjadi keras dan bening setelah jutaan tahun. Terkadang ada hewan kecil yang terperangkap di dalam damar dan ikut terawetkan. Sebagian besar hewan yang terperangkap adalah serangga, namun terkadang juga ditemukan cacing, siput dan bahkan kadal kecil. Damar berperan sebagai pengawet dan sel hewan di dalamnya masih bisa dilihat dengan mikroskop elektron. Sudah dibuktikan bahwa DNA di dalam hewan yang terperangkap damar bisa dipulihkan dan DNA tersebut telah diperbanyak dengan PCR dan disekuensikan. Potongan terbesar damar yang ditemukan hanya berukuran 6 inchi, sehingga hewan besar seperti dinosaurus tidak dapat diawetkan. Namun, sel darah yang terawetkan di dalam perut serangga penghisap darah secara teori dapat memberikan sumber DNA lengkap dari hewan besar. Hal ini menjadi dasar pembuatan film Jurassic Park oleh Michael Crichton, saat DNA dinosaurus dimasukkan ke dalam telur amphibi. Di kehidupan nyata, DNA dinosaurus yang ditemukan sudah rusak berat dan hanya bagian pendek saja yang dapat dibaca. Namun, kemungkinan untuk mendapatkan sekuen DNA dari T-Rex suatu saat bukan lagi menjadi impian saja. Walaupun DNA memang telah diisolasi dari sampel yang berusia ratusan juta tahun sehingga identifikasi menjadi tidak mungkin. Sekarang, DNA hewan tertua yang telah diidentifikasi berasal dari 50.000 tahun yang lalu berasal dari mammoth Siberia. Sampel jenis beku ini juga menyediakan DNA tumbuhan rumput dan semak yang berasal 300.000 sampai 400.000 tahun yang lalu.
Mikroorganisme juga dapat terperangkap di dalam damar dan beberapa kasus dapat dihidupkan kembali, bukan hanya mendapat sampel DNAnya saja. Dalam hal ini, spora, dilindungi mantel pelindung yang dibentuk bakteri agar dapat bertahan dalam kondisi buruk sehingga dapat tetap hidup untuk waktu yang sangat lama. Beberapa spora bakteri berusia 30 juta tahun telah ditemukan di dalam lebah yang terperangkap damar. Ketika diberi nutrisi spora tersebut berkembang menjadi koloni bakteri. Bakteri ini diidentifikasi sebagai Bacillus sphaericus, yang sekarang ditemukan berasosiasi dengan lebah. DNA dari bakteri ini sangat mirip dengan relatifnya di masa kini, hanya saja tidak identik, dan tampak seperti bakteri kuno ini hanya sebagai kontaminan saja. Sekarang, spora dari bakteri bacilus lain diisolasi dan dihidupkan kembali dari kristal garam berusia 250 juta tahun.
SEKUENSING DNA dan KLASIFIKASI BIOLOGI Sebelum sekunsing DNA menjadi umum, hewan dan tumbuhan diklasifikasikan dengan lumayan benar, fungi dan eukariot primitive lainya dengan penggolongan yang buruk, dan bacteria hampir tidak mungkin diklasifkasikan
karena
sulitnya
menemukan
sifat
yang
dapat
diamati.
Menggunakan sekuen gen untuk klasifikasi pertama kali dikembangkan untuk bacteria, dan kemudian menyebar menjadi untuk organisme lainya. Sekarang silsilah dapat ditelusuri dengan membandingkan sekuen DNA, RNA atau protein yang bersifat representative mengenai keterkaitan dasar genetic, tidak lagi dengan karakteristik yang terlihat saja.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. 2010. Evolusi. Online http://id.wikipedia.org/wiki/Evolusi. Diakses pada tanggal 22 Oktober 2010. Anonim. 2010. Evolusi awal. Online http://id.wikipedia.org/wiki/Evolusiawal/. diakses pada tanggal 22 Oktober 2010. Anonim. 2009. Pembentukan bumi. Online http://wapedia.mobi/id/. Diakses pada tanggal 22 Oktober 2010. Ridley, Mark. 1991. Masalah-masalah evolusi. junior research in new college. Oxford. UI Press. Salemba. jakarta Widodo, et. al. 2003. Bahan Ajar Evolusi. Program Semi-que IV. Jurusan Biologi FMIPA. Universitas Negeri Malang. Malang.
