Dogma Sentral Biologi Molekuler dan Ekstensinya Dari Kondisi Sekarang

Saya membuat artikel ini dengan tujuan mau sekalian belajar untuk UTS nya Pak Dr. Panjisakti Basunanda, M.P. (yang sangat kami kenal sebagai Pak Panji) minggu depan.

(Tulisan ini terakhir gw edit di tahun 2014)

---

Wow, ternyata draft ini udah berumur 5 tahun dan sampai berdebu! Wew, udah lama gw ga ketemu Pak Panji. Semoga beliau sehat selalu.

Beberapa orang awam pasti bertanya2: ini apa lagi sih yang si Adhit tulis??

Oke, gw mau jelaskan dulu… dogma sentral biologi molekuler (Central Dogma of Molecular Biology) adalah sebuah “dogma” yang diintroduksikan oleh Francis Crick pada tahun 1958 dan dimunculkan kembali pada jurnal Nature pada tahun 1970 mengenai aturan utama bagaimana DNA menjadi RNA dan menjadi protein. Itu pada umumnya… sekali lagi, pada umumnya atau aturan standar (General Rules of Transfer). Namun kenyataannya, hingga kini aturan mulai terkembang dengan lahirnya aturan spesial (Special Rules of Transfer). Sebenarnya ada 1 aturan lagi yang hingga saat ini menjadi kontroversial dan belum jelas aturannya. Ini disebut aturan yang tidak diketahui (Unknown Rules of Transfer).

Aturan Standar (General Rules of Transfer)

Sebenarnya ini bagi yang merasakan SMA jurusan IPA dan S1 di bidang terkait biologi seharusnya sudah mengerti. Referensi buat baca, yah, tinggal buka Campbell Biology atau Bruce Alberts “Molecular Biology of The Cell”. Proses ini mencakup 3 hal:

1. Replikasi DNA dengan enzim DNA polimerase.
2. Transkripsi DNA menjadi RNA dengan enzim RNA polimerase (DNA-dependent RNA polymerase).
3. Translasi RNA menjadi polipeptida, lalu protein dengan bantuan ribosom.

Replikasi DNA itu secara umum terjadi dengan bantuan enzim DNA polimerase. Enzim DNA polimerase sebenarnya memiliki banyak variasi sesuai organismenya, plus proses ini juga dibantu oleh enzim2 lain seperti topoisomerase yang fungsinya meluruskan struktur heliks DNA, helikase yang membuka ikatan hidrogen, RNA primase yang memasang primer RNA, dan enzim ligase yang menyatukan potongan DNA.

Transkripsi adalah proses penyalinan (transkrip = salin = fotokopi) gen di DNA menjadi urutan kodon mRNA (messenger RNA, atau ARNd, ARN duta) dengan bantuan enzim RNA polimerase. RNA polimerase menyalin DNA dengan menambahkan basa komplemen di bagian DNA cetakan/antisense sehingga huruf nukleotida akan sama dengan DNA komplemen/kode/sense. Di prokariot, mRNA bisa langsung ditranslasi, sementara di eukariot, mRNA mengalami pemotongan bagian intron (bagian yang tidak dikode jadi protein) menyisakan ekson (yang berisi informasi kode protein) melalui proses yang disebut splicing. Informasi gen yang dibawa berupa kodon, 3 huruf/triplet huruf nukleotida berisi informasi asam amino tertentu.

Translasi adalah proses penerjemahan kodon2 mRNA menjadi rantai polipeptida dengan bantuan tRNA (transfer RNA, atau ARNt) di ribosom. Awalnya mRNA menempel di rRNA dari subunit kecil ribosom, bagian urutan nukleotida anti-Shine-Dalgarno untuk docking (bayangin colokan listrik, bagian ini adalah lubangnya yang pas buat masuk). Kemudian tRNA akan mengenali kodon mulai (AUG) di mRNA dan mentransfer asam amino metionin sebagai asam amino pertama di polipeptida. Ini tahap inisiasi. Tahap elongasi adalah tahap selanjutnya, di mana sisa kodon akan diterjemahkan oleh tRNA dan rantai polipeptida akan semakin panjang dengan asam amino yang diterjemahkan. Terakhir, tahap terminasi adalah tahap akhir di mana ribosom tiba di kodon stop (UAA, UAG, dan UGA) yang tidak ada tRNA nya. Polipeptida lepas dan ribosom terbuka, mRNA akan didegradasi atau ditranslasi lagi sesuai kebutuhan. Polipeptida akan dibawa ke badan Golgi untuk dikemas menjadi protein yang sempurna.

Aturan Spesial (Special Rules of Transfer)

Aturan ini cukup spesial dan kemunculannya lebih baru atau lama setelah dogma sentral sendiri dirilis. Cakupannya:

1. Transkripsi balik RNA menjadi cDNA dengan enzim transkriptase balik (reverse transcriptase atau RNA-dependent DNA polymerase). Biasanya terjadi ketika retrovirus masuk ke inangnya (misal HIV), di saat itu ssRNA (single-stranded RNA, ARN utas tunggal) akan dikonversi menjadi cDNA (copy DNA, ADN salinan) yang akan dileburkan ke genom inti sel inang, awal fase litik.
2. Replikasi RNA dengan enzim RNA replikase (RNA-dependent RNA polymerase, RdRP). Juga dilakukan oleh virus. Prinsip kerja enzim RdRP ini seperti RNA polimerase, jadi satu ssRNA yang dimiliki virus akan disalin dengan cara menambahkan basa komplementernya, dari RNA sense menjadi RNA antisense (misal RNA virus awalnya AUAUGC, yang disalin adalah UAUACG)
3. Translasi langsung DNA menjadi polipeptida lalu protein di lab dengan menambahkan antibiotik jenis aminoglikosida pada lingkungan translasi (yang ada ribosomnya) di luar sel (ribosom diambil dari sel). Pernah dicoba oleh McCarthy dan Holland (1965) dan Uzawa dkk (2002).

Oke, jadi kurang lebih kayak begini skemanya:

Aturan Dogma Sentral, Umum dan Spesial (By Narayanese at English Wikipedia – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=36890617)

Tapi apakah itu udah semua? Belum!

Aturan Tak Diketahui (Unknown Rules of Transfer)

Keberadaan aturan ini belum jelas. Sempat beberapa di antaranya diklaim terjadi, namun menjadi perdebatan. Semua berurusan dengan protein, yang dalam hal ini upaya mengembalikan urutan asam amino proteogenik (yang ada 20) kembali menjadi kodon nukleotida. Antara lain:

1. Translasi balik rantai protein atau polipeptida menjadi RNA.
2. Translasi balik ganda rantai protein atau polipeptida menjadi DNA.
3. Replikasi protein.

Untuk membahas ini, gw akan menjelaskannya dengan hasil diskusi gw sama Prof. Dr. Masayuki Nashimoto dari Niigata University of Pharmacy and Applied Life Sciences, Niigata, Jepang.

Kunjungan tahun 2017 lalu, beliau yang kanan (iya lah)

Translasi balik asam amino ke nukleotida itu banyak halangannya:

1. Asam amino proteogenik ada 20, sementara nukleotida cuma ada 4. Ketika nukleotida menjadi informasi pembentukan polipeptida, digunakan sistem kodon yang terdiri atas 3 huruf yang boleh berulang (jadi kita pakai matematika: 4x4x4 = ada 64 kombinasi, 61 kombinasi untuk 20 asam amino dan ada beberapa kodon untuk satu asam amino, dan 3 kombinasi kodon stop). Kalau membalikkan asam amino ke nukleotida, bagaimana kita berurusan dengan berkurangnya informasi 20 asam amino ke 4 nukleotida?
2. Berbeda dengan nukleotida yang seragam (ada purin yang terdiri dari 2 cincin: 1 cincin segi-5 dan 1 segi-6 – basa A dan G, dan pirimidin yang terdiri dari 1 cincin segi-6 – basa C dan T), asam amino punya variasi gugus R yang sangat banyak dan beragam sifatnya.

Prof. Nashimoto menyebutkan bahwa beliau secara sintetik telah membuat struktur rtRNA berbentuk huruf T (beliau sebut sebagai “hammerhead RNA”) yang bisa dirancang mengenali bentuk gugus R (sama kayak antikodon di tRNA yang mengenal mRNA, amino-binding sequence atau urutan nukleotida pengenal gugus R amino ini bisa mengenal asam amino dari gugus R nya). rtRNA (reverse translation RNA, ARN translasi balik) ini mengenali gugus R pada salah satu asam amino di polipeptida protein dan membawa kodon sesuai asam amino yang dikenali. Beliau melakukan tes ini ke asam amino arginin (ARG) pada pita polipeptida dan rtRNA ini membawa kodon RNA penyandi arginin untuk membentuk kembali mRNA (baca Nashimoto, 2001). Beliau percaya metode urutan nukleotida pengenal gugus R ini bisa diterapkan ke semua asam amino, baik yang hidrofobik atau hidrofilik, baik yang gugus R nya besar atau kecil. Ditambah dari ini, mungkin diperlukan struktur mirip ribosom sebagai penopang proses.

Untuk protein -> protein, ini agak susah karena kita harus buat rtRNA seperti yang disebut di atas; maksudnya kita harus buat urutan nukleotida pengenal gugus R untuk mengenali asam amino yang mau disalin, dan bagian ujung transfer pada tRNA untuk membentuk polipeptida yang baru, dan mungkin perlu struktur penopang seperti ribosom.

Mungkin kita udah menyebutkan cara membuat transfer protein -> nukleotida atau protein -> protein di atas, tapi permasalahan baru adalah ini adalah versi sintetik. Transfer ini sebelumnya disebut transfer yang tidak diketahui karena tidak diketahui apakah di era purba ketika RNA dan protein masih bisa saling mendukung, sebelum adanya kehidupan, apakah protein bisa disalin menjadi RNA atau DNA lagi. Permasalahan baru lainnya adalah transfer ini tidak efektif bila kita ingin membalikkan protein ke RNA atau DNA atau protein ke protein karena mahalnya biaya riset dan pembuatan mekanisme yang disebut di atas. Metode yang disebut di atas tidak lebih menjadi metode spekulasi untuk rekonstruksi kejadian antara protein/asam amino dan RNA di bumi purba yang menjadi bagian penelitian asal-usul kehidupan.

Terakhir, bonus!

Aturan Sintetik (Synthetic Rules of Transfer)

Di era sintetik ini yang bahkan hubungan pun bisa disintetik anjay kita telah mengenal asam nukleat sintetik alias XNA, xenobiotic nucleic acid atau xeno nucleic acid.

Ga sia2 gw nunda nulis artikel ini, karena dalam 5 taun gw udah ketemu Prof. Nashimoto yang gw sebut di atas di 2017, sama Dr. Markus Schmidt, Dr. Philipp Holliger, dan Prof. Dr. Vitor B. Pinheiro di International Conference of Xenobiology 2 (XB2), Berlin (baca ini) di tahun sebelumnya.

View this post on Instagram

A post shared by Adhityo Wicaksono (@adhitwicaksono5889)

Ketemu dengan Dr. Schmidt (atas), Prof. Pinheiro dan Dr. Holliger (bawah) di XB2 Berlin

Aturan baru ini rada ajaib (terinspirasi Schmidt, 2010), sistem xenobiotik yang dimaksud adalah sistem sintetik yang ketika ada dianggap ga bakal mencermari gene pool yang ada di ekosistem:

1. Replikasi XNA menjadi XNA yang sama, tujuannya membuat sistem sel xenobiotik dengan materi genetik XNA, bukan DNA, dan replikasi ini tujuannya untuk perbanyakan ketika pembelahan sel.
2. Transfer XNA ke DNA dan sebaliknya, tujuannya untuk menyalin sistem substansi genetik alami, DNA ke XNA untuk membuat sistem xenobiotik yang tidak merusak gene pool yang ada di alam.
3. Transfer XNA ke RNA dan sebaliknya, tujuannya untuk mengekspresikan kode di XNA untuk membuat protein.
4. Transkripsi XNA ke XNA-messenger (X2NA). Mirip dengan prosedur nomor 3, tapi tanpa melalui RNA, melainkan dipilih XNA lain yang berperan sebagai molekul perantara yang bisa dibaca ke ribosom sintetik.
5. Translasi X2NA ke protein dengan ribosom sintetik, dengan begini sistem xenobiotik/sintetik ini tidak perlu melibatkan DNA maupun RNA yang alami lagi, terpisah secara keseluruhan dari sistem alami.
6. Translasi balik protein ke X2NA atau XNA, sebagai upaya transfer dari protein alami ke XNA menggunakan prinsip di aturan yang tidak diketahui di atas.
7. Translasi balik protein ke RNA atau DNA, dengan dibuatnya prosedur oleh Prof. Nashimoto (2001) di atas, maka metode ini termasuk metode sintetik, bukan alami.

---

Lima tahun gw skip dari nulis artikel ini. Dari waktu itu era gw sibuk nulis tesis, ke sekarang era sibuk nulis disertasi. Waktu itu gw ga bakal duga bakal ketemu orang2 keren itu. Alhamdulillah, gw diberi kesempatan menjelaskan sistem biologi yang keren ini!

-AW-

---

Referensi

Crick, F.H.C. (1958). “On Protein Synthesis”. Symp. Soc. Exp. Biol. XII, 139-163.

Crick F. (1970). “Central dogma of molecular biology”. Nature 227(5258): 561-563.

McCarthy, B.J. and Holland, J.J., 1965. Denatured DNA as a direct template for in vitro protein synthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 54(3), p.880.

Nashimoto, M., 2001. The RNA/protein symmetry hypothesis: experimental support for reverse translation of primitive proteins. Journal of theoretical biology, 209(2), pp.181-187.

Schmidt, M., 2010. Xenobiology: a new form of life as the ultimate biosafety tool. Bioessays, 32(4), pp.322-331.

Uzawa, T., Yamagishi, A. and Oshima, T., 2002. Polypeptide Synthesis Directed by DNA as a Messenger in Cell-Free Polypetide Synthesis by Extreme Thermophiles, Thermus thermophilus HB27 and Sulfolobus tokodaii Strain 7. The Journal of Biochemistry, 131(6), pp.849-853.