Bagi ahli biologi di mana saja, 25 April adalah keberuntungan. Ini adalah Hari DNA dan memperingati tanggal pada tahun 1953 ketika para ilmuwan Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson dan Maurice Wilkins menerbitkan makalah ilmiah mani yang menggambarkan struktur heliks molekul DNA. Pada tahun 2003, 25 April digunakan untuk mengumumkan penyelesaian Proyek Genom Manusia. Sekarang perayaan tahunan pada hari ini merayakan molekul kehidupan dengan penemuan-penemuan baru. Apa waktu yang lebih baik untuk memberikan gambaran baru tentang DNA.
Saya adalah DNA DAVE (atau setidaknya plat nomor saya sejak 1984), dan salah satu hal yang disukai lab saya adalah “melihat” DNA. Kami mengambil gambar DNA sehingga kami dapat langsung mengukur hal-hal yang sulit dikuantifikasi menggunakan metode tidak langsung yang biasanya melibatkan pengurutan empat unit kimia DNA, yang disebut basa.
Gambar pertama yang mengungkapkan DNA diambil menggunakan difraksi sinar-X. (Raymond Gosling / King's College London) Sebagai contoh, saya ingin tahu di mana pada setiap kromosom proses replikasi DNA dimulai. Duplikasi DNA bebas kesalahan sangat penting untuk menghasilkan sel yang sehat. Ketika proses ini tidak lengkap atau terganggu, hasilnya dapat menyebabkan kanker dan penyakit lainnya.
Dalam gambar kami, tangga heliks ganda yang familier tidak terlihat karena perspektif ini diperbesar - seperti melihat peta negara versus kota. Juga masing-masing molekul ini setara dengan 50.000 putaran tangga heliks - bagian substansial dari kromosom manusia.
Membuat Peta DNA
Gambar ini, diambil dengan alat yang disebut Bionano Genomics Saphyr imager, menampilkan molekul DNA individu - berwarna biru, hijau dan merah. Untaian DNA ini telah disejajarkan dengan memasangnya melalui tabung sempit - yang disebut nanochannels - yang hanya cocok untuk satu bagian DNA. Saat DNA terpeleset ke dalam tabung, untaian meluruskan.
Seluruh molekul DNA berwarna biru dan tanda centang hijau adalah landmark - atau urutan DNA spesifik yang terjadi rata-rata setiap 4.500 pasangan basa. Pola landmark memberikan sidik jari unik yang memberi tahu kita di mana kita berada sepanjang kromosom. Blip fluoresen merah menandai lokasi di mana DNA mulai bereplikasi. Situs-situs ini disebut "asal-usul replikasi" dan merupakan tempat DNA pertama kali terurai sehingga proses duplikasi dapat dimulai.
Para peneliti di Bionano Genomics di San Diego mengembangkan teknologi nanochannel ini untuk memetakan wilayah kromosom yang tidak dapat dipetakan, karena urutan genetik yang rumit yang membuatnya sulit untuk menentukan urutan empat pangkalan. Perangkat ini memecahkan masalah dengan "melihat" pengaturan urutan pada satu molekul pada suatu waktu dan mampu membaca 30 miliar pasangan basa dalam satu jam - setara dengan 10 gen manusia.
Tim saya dan Nick Rhind di University of Massachusetts mengakui bahwa teknologi nanochannel ini memungkinkan kami melakukan percobaan yang belum pernah dilakukan sebelumnya: memetakan semua lokasi di mana replikasi DNA dimulai secara bersamaan pada jutaan serat DNA tunggal.
Sebelum sel dapat membelah menjadi dua sel independen, DNA harus membuat salinannya sendiri sehingga masing-masing menerima satu set kromosom lengkap. Untuk memahami bagaimana materi genetik diduplikasi, penting untuk mengetahui di mana sepanjang kromosom proses dimulai. Itu telah menjadi tantangan terbesar untuk mempelajari bagaimana replikasi kromosom kita sendiri terjadi dan akibatnya apa yang salah dalam banyak penyakit, seperti kanker, di mana replikasi berjalan serba salah.
Replikasi DNA dan Kanker
Setiap kali sel membagi heliks ganda DNA harus menduplikasi dirinya untuk memberikan salinan instruksi genetik untuk kedua sel. (Soleil Nordic / Shutterstock.com) Asal-usul replikasi telah sulit dipahami karena mereka terjadi di banyak situs pada molekul yang berbeda sehingga kita perlu melihat molekul DNA tunggal untuk mendeteksi mereka. Meskipun para ilmuwan telah dapat melihat molekul DNA tunggal sejak awal 1960-an, kami tidak dapat mengatakan dari mana kromosom berasal dari molekul mana sehingga kami tidak dapat memetakan apa pun.
Kyle Klein, Ph.D. mahasiswa di lab saya, memberi label sel induk manusia dengan molekul fluoresen merah yang menandai lokasi tempat replikasi DNA berlangsung, yang dipetakan dengan perangkat Bionano. Gambar-gambar ini kemudian ditumpangkan ke peta DNA biru dan hijau dari molekul DNA yang sama.
Kami berharap metode ini mengubah pemahaman kami tentang bagaimana kromosom manusia bereplikasi. Selain itu, karena sebagian besar obat kemoterapi untuk pengobatan kanker dan sebagian besar karsinogen - atau bahan kimia penyebab kanker - di lingkungan kita bekerja dengan menyerang DNA ketika bereplikasi, kami berharap metode ini memberikan tes cepat dan komprehensif untuk bagaimana bahan kimia ini mengganggu replikasi DNA. Kami juga berharap ini mengungkapkan bagaimana kita dapat mengurangi konsekuensi negatif ini, dan bagaimana kita dapat mengembangkan perawatan kemoterapi yang lebih baik dan kurang toksik.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
David M. Gilbert, Profesor Biologi Molekuler, Universitas Negeri Florida
