Perhatikan baik-baik para atlet yang berlaga di Olimpiade Musim Panas tahun ini di London — otot mereka akan memberi tahu Anda banyak tentang bagaimana mereka mencapai status elit mereka. Berjam-jam pelatihan dan komitmen untuk olahraga mereka memainkan peran besar dalam membangun tubuh yang membawa mereka ke kompetisi atletik utama dunia. Lihatlah lebih dekat - ini membutuhkan mikroskop - dan Anda akan melihat sesuatu yang lain, sesuatu yang tertanam dalam cetak biru genetik pria dan wanita muda ini yang sama pentingnya bagi keberhasilan mereka.
Dalam hampir semua kasus, para atlet ini menyadari potensi penuh yang ditimbulkan oleh gen-gen itu. Dan potensi itu mungkin jauh lebih besar untuk memulainya daripada bagi kita semua yang fana. Misalnya, gen dalam sel yang membentuk pelari kaki Tyson Gay dikodekan dengan instruksi khusus untuk membangun banyak otot serat cepat, memberikan kakinya kekuatan ledakan dari blok awal. Sebagai perbandingan, kecepatan kontraksi maksimum dari otot-otot kaki pelari Shalane Flanagan, seperti yang ditentukan oleh gen-nya, jauh lebih lambat daripada yang dioptimalkan Gay untuk daya tahan yang diperlukan untuk berlari berjam-jam pada suatu waktu dengan sedikit melelahkan. Penyesuaian genetik seperti itu juga membantu pesaing dalam bola basket, bola voli, dan renang yang disinkronkan, walaupun dampaknya mungkin jauh lebih kecil karena kerja tim yang efektif dan memimpin juga memengaruhi keberhasilan dalam olahraga tersebut.
Ketika pistol berbunyi untuk lari 100 meter, ketika perenang Michael Phelps dan Tyler McGill menghantam air, ketika Tom Daley melompat dari platform selamnya, kita melihat yang terbaik yang ditawarkan oleh kolam gen dunia, meskipun para ilmuwan masih mencoba untuk mencari tahu gen mana itu. Sayangnya, sejarah menunjukkan bahwa kita mungkin juga melihat yang terbaik dalam manipulasi gen, karena beberapa atlet mendorong kinerja puncak dengan bantuan zat ilegal yang semakin sulit dideteksi.
Kurus pada otot
Tubuh manusia menghasilkan dua jenis serat otot rangka — kedutan lambat (tipe 1) dan kedutan cepat (tipe 2). Serat berkedut cepat berkontraksi berkali-kali lebih cepat dan dengan kekuatan lebih besar daripada yang berkedut lambat, tetapi mereka juga cepat lelah. Masing-masing tipe otot ini dapat dibagi lagi menjadi subkategori, tergantung pada kecepatan kontraktil, kekuatan dan ketahanan kelelahan. Tipe 2B serat berkedut cepat, misalnya, memiliki waktu kontraksi lebih cepat daripada tipe 2A.
Otot dapat dikonversi dari satu subkategori ke subkategori lain tetapi tidak dapat dikonversi dari satu jenis ke yang lain. Ini berarti bahwa latihan ketahanan dapat memberikan otot tipe 2B beberapa karakteristik tahan lelah dari otot tipe 2A dan bahwa latihan beban dapat memberikan otot tipe 2A beberapa karakteristik kekuatan otot tipe 2B. Pelatihan ketahanan, bagaimanapun, tidak akan mengubah otot tipe 2 menjadi tipe 1 juga tidak akan latihan kekuatan mengubah otot berkedut lambat menjadi cepat. Atlit ketahanan memiliki proporsi lebih besar dari serat berkedut lambat, sedangkan pelari cepat dan jumper memiliki lebih banyak varietas berkedut cepat.
Sama seperti kita dapat mengubah campuran otot kita hanya pada tingkat tertentu, pertumbuhan otot juga diatur dengan hati-hati dalam tubuh. Namun, satu perbedaan antara komposisi dan ukuran otot adalah bahwa otot dapat lebih mudah dimanipulasi. Insulinlike growth factor 1 (IGF-1) adalah gen dan protein yang diekspresikannya yang memainkan peran penting selama pertumbuhan masa kanak-kanak dan menstimulasi efek anabolik — seperti pembentukan otot — ketika anak-anak itu menjadi dewasa. IGF-1 mengontrol pertumbuhan otot dengan bantuan dari gen myostatin (MSTN), yang menghasilkan protein myostatin.
Lebih dari satu dekade yang lalu H. Lee Sweeney, seorang ahli fisiologi molekuler di University of Pennsylvania, memimpin sebuah tim peneliti yang menggunakan manipulasi genetik untuk menciptakan "tikus Schwarzenegger" yang terikat otot. Tikus yang disuntikkan dengan salinan tambahan gen IGF-1 menambah otot dan menjadi 30 persen lebih kuat. Sweeney menyimpulkan bahwa sangat mungkin bahwa perbedaan kadar protein IGF-1 dan MSTN seseorang menentukan kemampuannya untuk menggunakan otot ketika berolahraga, meskipun ia mengakui skenario ini belum diteliti secara luas.
Pertumbuhan dan ketahanan otot serat lambat juga dapat dikontrol melalui manipulasi gen. Pada Agustus 2004, sebuah tim peneliti yang termasuk Salk Institute for Biological Study, Ronald Evans melaporkan bahwa mereka mengubah gen yang disebut PPAR-Delta untuk meningkatkan aktivitasnya pada tikus, membantu memelihara otot lambat-kedutan yang tahan lelah. Apa yang disebut "tikus maraton" ini dapat berlari dua kali lebih jauh dan hampir dua kali lebih lama daripada rekan-rekan mereka yang tidak dimodifikasi.
Hal ini menunjukkan kemampuan untuk mengotak-atik jenis otot cepat atau lambat berkedut menimbulkan pertanyaan: Apa yang akan terjadi jika seseorang memperkenalkan gen untuk membangun otot berkedut cepat dan lambat pada atlet? "Kami sudah bicara tentang melakukannya tetapi belum pernah melakukannya, " kata Sweeney. "Saya kira Anda akan berakhir dengan kompromi yang cocok untuk olahraga seperti bersepeda, di mana Anda membutuhkan kombinasi daya tahan dan kekuatan." Namun, Sweeney menambahkan, ada sedikit alasan ilmiah (yang diterjemahkan ke dalam pendanaan) untuk melakukan studi pada tikus, apalagi manusia.
Manipulasi gen akan memiliki dampak paling signifikan dalam mengobati penyakit dan meningkatkan kesehatan daripada meningkatkan kemampuan atletik, meskipun olahraga pasti akan mendapat manfaat dari penelitian ini. Para ilmuwan sudah mempelajari apakah terapi gen dapat membantu orang yang menderita penyakit otot seperti distrofi otot. "Banyak yang telah dipelajari tentang bagaimana kita dapat membuat otot lebih kuat dan lebih besar dan berkontraksi dengan kekuatan yang lebih besar, " kata Theodore Friedmann, ahli genetika di University of California, San Diego, dan kepala panel penasehat doping gen untuk World Anti -Doping Agency (WADA). Studi ilmiah telah memperkenalkan protein IGF-1 ke jaringan tikus untuk mencegah degradasi otot normal selama penuaan. "Di suatu tempat di bawah jalan upaya dapat dilakukan untuk mencapai hal yang sama pada orang, " tambahnya. "Siapa yang tidak akan mengantre untuk hal seperti ini?"
Terapi gen telah terbukti bermanfaat dalam studi yang tidak terkait dengan perawatan otot. Pada Desember 2011, misalnya, sebuah tim peneliti Inggris melaporkan dalam The New England Journal of Medicine bahwa mereka mampu mengobati enam pasien dengan hemofilia B — penyakit di mana darah tidak dapat membeku dengan baik untuk mengendalikan perdarahan — dengan menggunakan virus untuk mengantarkan sebuah gen yang memungkinkan mereka menghasilkan lebih banyak agen pembekuan, faktor IX.
Target keras
Terlepas dari percobaan dengan kadar protein IGF-1 dan MSTN pada otot tikus, mengidentifikasi gen mana yang secara langsung bertanggung jawab atas kecakapan atletik adalah masalah yang rumit. "Apa yang telah kami pelajari selama 10 tahun terakhir sejak pengurutan genom manusia adalah bahwa ada lebih banyak kerumitan di sini daripada yang kami bayangkan, " kata Stephen Roth, profesor asosiasi fisiologi olahraga di University of Maryland, penuaan. dan genetika. "Semua orang ingin tahu gen apa yang berkontribusi terhadap kinerja atletik secara luas atau kekuatan otot atau kapasitas aerobik atau semacamnya. Kami masih belum memiliki target keras yang diakui secara kuat oleh komunitas ilmiah atas kontribusi mereka terhadap kinerja atletik."
Pada 2004, para ilmuwan telah menemukan lebih dari 90 gen atau lokasi kromosom yang mereka pikir paling bertanggung jawab untuk menentukan kinerja atletik. Saat ini penghitungannya telah meningkat menjadi 220 gen.
Bahkan dengan kurangnya kepastian ini, beberapa perusahaan telah mencoba untuk mengeksploitasi apa yang telah dipelajari sejauh ini untuk memasarkan tes genetik yang mereka klaim dapat mengungkapkan kecenderungan atletik anak. Perusahaan semacam itu "semacam memetik beberapa ceri dan berkata, 'Oh, empat atau lima variasi gen ini akan memberi tahu Anda sesuatu, '" Roth menjelaskan. Tetapi intinya adalah semakin banyak penelitian yang telah kita lakukan, semakin sedikit kita yakin bahwa salah satu dari gen-gen ini adalah kontributor yang sangat kuat sendiri. "
Atlas Sports Genetics, LLC, di Boulder, Colorado, mulai menjual tes $ 149 pada bulan Desember 2008 perusahaan mengatakan dapat menyaring varian gen ACTN3, yang pada atlet elit dikaitkan dengan keberadaan protein alpha-actinin-3 yang membantu tubuh memproduksi serat otot yang bergerak cepat. Otot pada tikus percobaan yang tidak memiliki alfa-aktinin-3 bertindak lebih seperti serat otot yang bergerak lambat dan menggunakan energi lebih efisien, suatu kondisi yang lebih cocok untuk daya tahan daripada massa dan kekuatan. "Kesulitannya adalah bahwa studi lebih lanjut belum menemukan secara tepat bagaimana hilangnya alpha-actinin-3 mempengaruhi fungsi otot pada manusia, " kata Roth.
ACE, gen lain yang dipelajari dalam kaitannya dengan ketahanan fisik, telah memberikan hasil yang tidak pasti. Para peneliti awalnya berpendapat bahwa orang dengan satu varian ACE akan lebih baik dalam olahraga ketahanan dan mereka yang memiliki varian berbeda akan lebih cocok untuk kekuatan dan kekuatan, tetapi temuan itu tidak meyakinkan. Jadi meskipun ACE dan ACTN3 adalah gen yang paling dikenal dalam hal atletik, tidak satu pun yang secara jelas memprediksi kinerja. Gagasan utama 10 atau 15 tahun yang lalu bahwa mungkin ada dua, tiga atau empat gen penyumbang yang sangat kuat untuk sifat tertentu seperti kekuatan otot "agak berantakan, " kata Roth. "Kami telah menyadari, dan itu baru saja dilakukan selama beberapa tahun terakhir, bahwa itu tidak ada di urutan 10 atau 20 gen melainkan ratusan gen, masing-masing dengan variasi yang sangat kecil dan sejumlah besar kemungkinan kombinasi dari banyak, banyak gen yang dapat menghasilkan kecenderungan keunggulan.
"Tidak ada yang berubah tentang sains, " tambahnya. "Kami membuat dugaan sejak awal yang ternyata tidak benar dalam banyak hal — itu sains."
Doping gen
WADA meminta bantuan Friedmann setelah Olimpiade Musim Panas Sydney 2000 setelah desas-desus mulai beredar bahwa beberapa atlet di sana telah dimodifikasi secara genetik. Tidak ada yang ditemukan, tetapi ancaman itu tampak nyata. Para pejabat sangat menyadari uji coba terapi gen baru-baru ini di University of Pennsylvania yang telah mengakibatkan kematian seorang pasien.
"Dalam kedokteran, risiko seperti itu diterima oleh pasien dan oleh profesi bahwa bahaya dilakukan untuk tujuan penyembuhan dan mencegah rasa sakit dan penderitaan, " kata Friedmann. "Jika alat yang sama ketika diterapkan pada atlet muda yang sehat itu salah, akan ada jauh lebih sedikit kenyamanan etis untuk melakukannya. Dan orang tidak akan suka berada di tengah-tengah masyarakat yang secara buta menerima pelemparan [ erythropoietin ( EPO) )] gen menjadi atlet sehingga mereka dapat meningkatkan kinerja daya tahan. " EPO telah menjadi target favorit bagi orang yang tertarik dalam memanipulasi produksi darah pada pasien dengan kanker atau penyakit ginjal kronis. Ini juga telah digunakan dan disalahgunakan oleh pengendara sepeda profesional dan atlet lain yang ingin meningkatkan daya tahan mereka.
Skema lain adalah menyuntikkan otot atlet dengan gen yang menekan myostatin, protein yang menghambat pertumbuhan otot. Dengan itu, kata Sweeney, "Anda pergi dan berjalan sebagai gen doper. Saya tidak tahu apakah ada yang melakukannya, tapi saya pikir jika seseorang dengan pelatihan ilmiah membaca literatur, mereka mungkin bisa mencari cara untuk berhasil pada titik ini, "meskipun pengujian inhibitor myostatin yang disuntikkan langsung ke otot tertentu belum berkembang melampaui hewan.
Inhibitor Myostatin serta gen EPO dan IGF-1 telah menjadi kandidat awal untuk doping berbasis gen, tetapi mereka bukan satu-satunya, kata Friedmann. Gen faktor pertumbuhan endotel vaskular ( VEGF ) memerintahkan tubuh untuk membentuk protein sinyal yang membantu meningkatkan aliran darah dengan menumbuhkan pembuluh darah baru di otot. Protein-protein ini telah digunakan untuk mengobati degenerasi makula dan mengembalikan pasokan oksigen ke jaringan ketika sirkulasi darah tidak memadai. Gen-gen pemikat lainnya adalah gen yang memengaruhi persepsi nyeri, mengatur kadar glukosa, memengaruhi adaptasi otot rangka untuk berolahraga dan membantu pernapasan.
Game di Olimpiade 2012
Manipulasi gen adalah kartu liar besar di Olimpiade tahun ini, kata Roth. "Orang-orang telah memprediksi selama beberapa Olimpiade terakhir bahwa akan ada doping gen di Olimpiade berikutnya, tetapi tidak pernah ada bukti kuat." Terapi gen sering dipelajari dalam konteks medis, dan sering gagal, katanya. "Bahkan jika terapi gen dikenal solid dalam hal mengobati suatu penyakit, ketika Anda melemparkannya ke dalam konteks kinerja atletik, Anda sedang berhadapan dengan hal yang tidak diketahui."
Kehadiran doping gen sulit dideteksi dengan pasti. Sebagian besar tes yang mungkin berhasil membutuhkan sampel jaringan dari atlet yang dicurigai. "Kita berbicara tentang biopsi otot, dan tidak banyak atlet yang bersedia memberikan sampel jaringan ketika mereka bersiap-siap untuk bersaing, " kata Roth. Manipulasi gen tidak mungkin muncul dalam aliran darah, urin, atau air liur, sehingga tes yang relatif tidak mengganggu dari cairan-cairan itu tidak mungkin menentukan banyak hal.
Sebagai tanggapan, WADA telah mengadopsi pendekatan pengujian baru yang disebut Paspor Biologis Athlete (ABP), yang akan digunakan di Olimpiade London. Beberapa otoritas olahraga internasional seperti International Cycling Union juga sudah mulai menggunakannya. Kunci keberhasilan ABP adalah bahwa, alih-alih mencari ad hoc untuk agen spesifik — seperti EPO — program memantau tubuh atlet dari waktu ke waktu untuk perubahan mendadak, seperti lonjakan jumlah sel darah merah.
Cara lain untuk mendeteksi keberadaan doping gen adalah mengenali bagaimana tubuh merespons gen asing — terutama, mekanisme pertahanan yang mungkin digunakan. "Efek obat apa pun atau gen asing akan diperumit oleh suatu organisme yang berusaha mencegah kerusakan akibat manipulasi itu, " kata Friedmann — alih-alih dari perubahan yang dimaksudkan yang disebabkan oleh EPO, misalnya.
Pertandingan Olimpiade memperjelas bahwa semua atlet tidak diciptakan sama, tetapi kerja keras dan pengabdian dapat memberi atlet setidaknya peluang kemenangan di luar bahkan jika pesaing berasal dari ujung gen yang lebih dalam. "Kinerja elit tentu saja merupakan kombinasi dari bakat dan pelatihan berbasis genetika yang mengeksploitasi hadiah-hadiah itu, " kata Roth. "Jika kamu bisa menyamakan semua faktor lingkungan, maka orang dengan sedikit kekuatan fisik atau mental akan memenangkan persaingan. Untungnya faktor - faktor lingkungan itu ikut bermain, yang memberi olahraga ketidakpastian dan keajaiban yang didambakan penonton."
