Double Helix

Bentuk DNA

DNA terlihat seperti tangga melingkar: bentuk yang ilmuwan sebut double helix.

Dua sisi panjang tangga ini disebut sugar-phosphate backbone. Mereka datang dari gugus-gugus alternatif sugar (deoxyribose) & phosphate, & mereka menahan seluruh struktur bersama.

Bagian yang penting dari tangga ini adalah bagian tengahnya. Setiap bagian tengah terdiri dari dua basis yang saling memadu. Ada empat basis:

- A (adenine)

- T (thymine)

- C (cytosine)

- G (guanine)

Aturan kritis ini adalah: A selalu memadu dengan T, & C selalu memadu dengan G. Selalu. Dalam setiap spesies. Mereka disebut base pairs, & satu base plus gula & fosfat disebut nucleotide.

Sebuah potongan DNA manusia mungkin membaca: ATCGGCTAA. Jika Anda tahu satu sisi, Anda secara otomatis tahu sisi lain: karena A memadu dengan T, dan C memadu dengan G.

Siapa yang Menemukannya?

Balapan untuk Menemukan Struktur DNA

Pada 1953, James Watson & Francis Crick mempublikasikan struktur DNA. Mereka memenangkan Hadiah Nobel untuknya pada 1962.

Tapi mereka tidak bisa melakukannya tanpa Rosalind Franklin.

Franklin adalah seorang kimiawan brilian di King's College London. Dia menggunakan spektroskopi sinar-X: menembakkan sinar-X ke kristal DNA dan membaca pola yang dibuat: untuk menghasilkan Foto 51, gambar struktur DNA yang paling jelas yang pernah dilihat orang.

Rekan sekerjanya Maurice Wilkins menunjukkan Foto 51 kepada Watson tanpa pengetahuan atau izin Franklin. Watson kemudian menulis bahwa saat dia melihatnya, struktur ganda heliks menjadi jelas.

Franklin tidak pernah menerima Hadiah Nobel. Dia wafat karena kanker ovarium pada 1958 pada usia 37 tahun: mungkin disebabkan oleh pekerjaannya yang ekstensif dengan sinar-X: dan Hadiah Nobel tidak diberikan setelah kematian seseorang. Watson dan Crick hampir tidak mengakui kontribusiannya pada saat itu.

Hari ini, para ilmuwan mengakui bahwa pekerjaan eksperimental Franklin esensial. Dia dirampas kredit selama hidupnya, dan ceritanya adalah pengingat bahwa ilmu pengetahuan dilakukan oleh orang: dan orang tidak selalu adil.

Bagaimana DNA Menciptakan Salinan Dirinya Sendiri

Menciptakan Kode

Setiap kali sel membelah: untuk menyembuhkan luka, untuk tumbuh, atau untuk menggantikan sel-sel yang aus: harus membuat salinan DNA yang tepat. Proses ini disebut replikasi.

Ini adalah cara kerjanya:

1. Enzim yang disebut helikase memisahkan heliks ganda dengan melepaskan ikatan hidrogen antar pasangan basa. Dia benar-benar memisahkan lapisan itu di tengah-tengah.

2. Enzim lain yang disebut DNA polymerase membaca setiap rantai terpapar & membangun rantai baru yang cocok, mengikuti aturan pasangan basa (A dengan T, C dengan G).

3. Hasilnya: dua salinan DNA yang sama. Setiap salinan memiliki satu rantai lama & satu rantai baru.

Tubuh Anda melakukan ini sekitar 3,8 juta kali per detik. Dan itu benar-benar sempurna hampir setiap kali: DNA polymerase membuat kesalahan sekitar satu per miliar basa yang dicopy. Ketika itu membuat kesalahan, enzim lain biasanya menangkap dan memperbaiki kesalahan.

Tapi tidak selalu. Ketika kesalahan melewati, itu menjadi sebuah mutasi. Kita akan membahas mengapa itu penting segera.

Transkripsi dan Translasi

Bagaimana DNA Membangun Sesuatu

DNA tidak membangun tubuh Anda secara langsung. Ini bekerja melalui sebuah perantara yang disebut RNA (asam ribonukleat).

Proses ini memiliki dua langkah utama:

Langkah 1: Transkripsi (DNA → mRNA)

Sebagian DNA (suatu gen) di-copy menjadi sebuah molekul yang disebut messenger RNA (mRNA). Bayangkan ini sebagai membuat fotokopi dari satu halaman dari buku petunjuk yang sangat besar. Aslinya tetap aman di inti sel; salinannya pergi ke lantai pabrik.

Langkah 2: Translasi (mRNA → Protein)

Ribosom: mesin pembangun protein di dalam sel: membaca mRNA tiga huruf sekaligus. Setiap kelompok tiga huruf disebut codon. Setiap codon menentukan satu asam amino. Susun asam-asam amino tersebut dan Anda mendapatkan sebuah protein.

Misalnya, codon AUG mengkodekan asam amino metionin dan juga menandakan 'mulai membangun disini.' Codon UAA menandakan 'hentikan.'

Satu gen mungkin mengkodekan sebuah protein dengan ratusan asam amino. Protein tersebut mungkin menjadi enzim yang mencerna makanan Anda, molekul hemoglobin yang mengangkut oksigen di dalam darah Anda, atau serat keratin yang membentuk rambut Anda.

Satu gen → satu mRNA → satu protein → satu pekerjaan di dalam tubuh Anda. (Ini adalah penjelasan yang disederhanakan: kenyataannya lebih kompleks: tapi ini menggambarkan logika inti.)

Ketika Gen Mutasi

Apa yang Terjadi Ketika Kode Berubah?

Sebuah mutasi adalah perubahan pada urutan DNA. Ini bisa berupa sebuah basis digantikan dengan basis lain, sebuah basis dihapus, atau basis-basis tambahan diinsersi.

Beberapa mutasi tidak ada efeknya: codon masih mengkodekan asam amino yang sama (ada redundansi yang dibangun dalam kode genetika). Ini disebut mutasi yang tidak bersuara.

Beberapa mutasi mengubah satu asam amino tetapi protein tersebut masih berfungsi. Beberapa mengubah asam amino kritis & protein tersebut rusak.

Dan beberapa mutasi: sangat jarang: menghasilkan protein yang lebih baik dari asli.

Mengapa Kita Semua Berbeda

Di Mana Variasi Berasal

Jika DNA menyalin diri dengan begitu akurat, mengapa kita tidak semua identik?

Tiga sumber utama variasi genetik:

1. Mutasi: Kesalahan pemindaian acak, radiasi UV, atau paparan kimia dapat mengubah basis dalam DNA. Sebagian besar mutasi netral. Beberapa berbahaya. Beberapa bermanfaat.

2. Reproduksi seksual: Ketika organisme berkembang biak secara seksual, setiap orang tua menyumbang setengah DNA mereka. Kombinasi khusus acak. Anda membagikan 50% DNA Anda dengan setiap orang tua, tetapi 50% yang Anda dapatkan adalah lotre genetik. Itulah mengapa saudara kandung terlihat mirip tetapi tidak identik.

3. Rekombinasi: Selama pembentukan sel telur dan sperma, kromosom secara fisik menukar segmen dengan satu sama lain. Ini menggabungkan kombinasi gen dalam cara yang tidak ada pada kedua orang tua.

Mengapa Variasi Penting

Variasi genetik bukanlah kelemahan: itu adalah strategi bertahan hidup. Populasi di mana setiap individu genetiknya identik rentan. Satu penyakit bisa menghapus seluruh kelompok karena tidak ada yang memiliki resistensi.

Namun, dalam populasi yang genetiknya beragam, beberapa individu akan memiliki mutasi yang secara kebetulan membuat mereka resisten. Mereka bertahan, berkembang biak, dan menurunkan resistensi tersebut. Ini adalah seleksi alam: mesin evolusi.

Setiap adaptasi yang bisa Anda pikirkan: kecepatan singa, penyimpanan air kaktus, otak manusia: semuanya dimulai dari mutasi acak yang berguna.

CRISPR dan Pengeditan Gen

Menuliskan Kembali Kode Kehidupan

Selama miliaran tahun, perubahan pada DNA terjadi perlahan: melalui mutasi acak dan seleksi alam.

Hal itu berubah pada tahun 2012.

Jennifer Doudna & Emmanuelle Charpentier menemukan bahwa sistem pertahanan bakteri yang disebut CRISPR-Cas9 dapat direprogram untuk memotong DNA di lokasi tepat apa pun. Mereka memenangkan Hadiah Nobel Kimia pada tahun 2020.

CRISPR bekerja seperti gunting molekuler dengan GPS. Anda berikan RNA panduan yang cocok dengan urutan DNA yang ingin Anda edit, dan protein Cas9 memotong DNA di titik yang tepat itu. Kemudian, mekanisme perbaikan sel sendiri memperbaiki potongan itu: dan Anda bisa meletakkan gen yang diperbaiki sambil melakukannya.

Ini adalah revolusioner. Ilmuwan sudah menggunakan CRISPR untuk:

- Mengobati penyakit sel darah yang bengkok dalam uji klinis dengan mengedit sel pemula pasien

- Membuat tanaman pangan tahan penyakit tanpa pemuliaan tradisional

- Mengembangkan perawatan potensial untuk distrofi muskuloskeletal, beberapa jenis kanker, & HIV

Tapi CRISPR juga menimbulkan pertanyaan etika yang besar.

Pada tahun 2018, seorang ilmuwan Tiongkok bernama He Jiankui mengumumkan bahwa dia telah menggunakan CRISPR untuk mengedit DNA embrio manusia: dua gadis bayi lahir dengan gen yang dimodifikasi. Masyarakat ilmiah global mengutuk tindakan ini sebagai keputusan yang berisiko dan terlalu dini. He dikenai hukuman tiga tahun penjara.

Pertanyaan inti: mengedit DNA embrio mengubah setiap sel dalam orang yang dihasilkan, & perubahan itu diteruskan kepada anak-anak mereka, & anak cucu mereka. Kita bicarakan tentang mengubah permanen kolam gen manusia.

Pengujian genetik juga menimbulkan pertanyaan sendiri. Hari ini Anda bisa meneteskan sedikit darah ke tabung dan belajar risiko Anda terhadap ratusan penyakit. Tapi apakah perusahaan atau perusahaan asuransi harus memiliki akses informasi itu? Apakah orang tua boleh memilih embrio berdasarkan fitur seperti kecerdasan atau ketangkasan?

Haruskah Kita Mengedit DNA Manusia?

Waktunya Anda Argumenya

Tidak ada jawaban yang benar tunggal untuk pertanyaan ini. Tetapi ada jawaban yang terpikir dengan baik & jawaban yang tidak terpikir dengan baik.

Argumen yang kuat mempertimbangkan potensi keuntungan & risiko, menggunakan bukti, & mengakui kompleksitas masalah.

Apa yang Anda Ingat?

Satu Pemikiran Terakhir

Anda memulai les ini dengan pertanyaan tentang kucing.

Kini Anda tahu jawahnya hidup dalam tangga melingkar yang kompleks: sebuah kode begitu elégan sehingga mengendalikan segala makhluk hidup di planet ini, dan begitu kuat sehingga kita baru mulai belajar mengubahnya.

Ilmu pengetahuan tentang DNA sedang berkembang lebih cepat dari pada saat pun di sepanjang sejarah manusia. Para siswa yang belajar materi ini saat ini akan menjadi mereka yang membuat keputusan tentang bagaimana ilmu itu digunakan.