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 O2. 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 unting-

unting 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 berbeda-

beda. 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 bersama-

sama. 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.