Manusia telah menggunakan apa yang mereka ketahui tentang dunia biologis untuk membuat barang selama berabad-abad — dari bir hingga antibiotik. Tetapi, bagaimana jika Anda dapat memanipulasi dunia itu pada tingkat genetik yang sangat mendasar untuk membuat sesuatu yang Anda butuhkan? Memprogram sel untuk menghasilkan obat, menghasilkan energi, atau menyerang patogen dalam tubuh tampaknya seperti hal-hal fiksi ilmiah, tetapi itulah yang dijanjikan oleh bidang biologi sintetik.
Konten terkait
- Direkayasa Ragi Bisa Membuka Pasar Painkiller DIY
- Bisakah Panda Poop Menjadi Rahasia untuk Biofuel yang Lebih Efisien?
- Ragi Liar Selatan
- Big Brew-ha-ha: Para Ilmuwan Temukan Ragi Liar Lager
Pada tingkat yang sangat dasar, biologi sintetis seperti membangun struktur yang rumit dari Lego. Sama seperti insinyur Lego harus mencari tahu bagaimana semua blok kecil cocok bersama, para ilmuwan harus mencari tahu elemen genetik mana yang mereka butuhkan dan bagaimana elemen-elemen itu cocok bersama untuk membangun struktur biologis ini, apakah itu gen, jalur yang melibatkan beberapa gen., atau bahkan kromosom penuh — suatu struktur yang berisi ratusan gen.
Selama tujuh tahun terakhir, tim peneliti internasional telah mencari tahu bagaimana membangun kromosom ragi dari bawah ke atas. Sekarang, mereka telah berhasil membangun satu dan mengintegrasikannya ke dalam sel ragi yang hidup. Karya mereka, yang diterbitkan hari ini di Science, menandai kemajuan signifikan dalam bidang biologi sintetik — dan langkah hati-hati menuju kemampuan untuk menciptakan genom perancang untuk tanaman dan hewan.
"Ini adalah kromosom yang paling luas diubah yang pernah dibuat. Tetapi tonggak yang benar-benar diperhitungkan adalah mengintegrasikannya ke dalam sel ragi yang hidup, " Jef Boeke, seorang ahli genetika di Langone Medical Center NYU dan rekan penulis studi mengatakan dalam sebuah pernyataan.
Mengapa ragi Untuk satu hal, manusia memiliki hubungan panjang dengan jamur. Ragi bir ( Saccharomyces cerevisiae ) telah digunakan untuk membuat bir dan membuat roti sejak zaman kuno. Saat ini, bidang bioteknologi industri modern mulai menggunakan ragi untuk membuat vaksin, obat-obatan, dan biofuel. Di laboratorium biologi modern, ragi juga merupakan model organisme karena sel-selnya berfungsi mirip dengan sel manusia. Baik manusia dan ragi adalah eukariota, artinya sel-sel mereka mengandung hub pusat yang disebut nukleus yang menyimpan DNA dalam kromosom yang tertutup rapat. Akibatnya, kita tahu banyak tentang biologi ragi dan genetika.
Ahli genetika Jef Boeke memeriksa sepiring koloni ragi yang mengandung versi sintetis dari kromosom tertentu (Foto: NYU Langone) Untuk organisme tanpa inti sel, biologi sintetis telah menghasilkan seluruh genom. Para ilmuwan telah merekayasa dan mereproduksi virus selama sekitar satu dekade. Pada tahun 2008, para peneliti di J. Craig Venter Institute di Maryland membangun genom bakteri penuh dan terus menghasilkan organisme hidup pertama dengan genom sintetis (bakteri sel tunggal). Tetapi genom mikroba semacam itu hanya mengandung satu kromosom, sedangkan manusia memilikinya 23 pasang dan pembuat bir memiliki 16. Memiliki begitu banyak gen dalam permainan bisa berarti lebih banyak variabilitas, sehingga mengubah satu gen bisa memiliki implikasi yang jauh di seluruh genom.
Salah satu kromosom ragi, misalnya, mengandung gen untuk tipe kawin ragi (semacam jenis kelamin) yang dengan sendirinya mengatur beberapa gen lain di seluruh genom. Itu membuatnya menjadi titik awal yang menarik bagi Boeke dan rekan-rekannya. Di komputer, mereka mendesain seperti apa versi sintetis kromosom ini. Kemudian di Johns Hopkins University di Baltimore, tim Boeke membutuhkan DNA, jadi dia mulai meminta bantuan mahasiswa sarjana melalui kursus "Build-A-Genome" pada tahun 2007. Siswa menjahit nukleotida, senyawa yang membentuk untaian DNA, untuk membuat pendek potongan urutan genetik atau "blok bangunan".
Untuk merekatkan blok bangunan tersebut menjadi "minichunks" yang lebih besar, para peneliti menggunakan perawatan enzim yang berbeda dan bahkan menggunakan mesin perakitan genetik ragi itu sendiri. Akhirnya, mereka mengambil keuntungan dari kecenderungan ragi untuk menggabungkan kembali potongan-potongan DNA ke dalam genomnya sendiri untuk berkumpul, potongan demi potongan. Akhirnya, ragi menggantikan kromosom asli yang dipilih dengan versi sintetis. Boeke menyamakan seluruh proses dengan membangun sebuah buku: Anda mulai dengan membuat kata-kata, lalu paragraf, halaman, bab, dan akhirnya buku itu sendiri.
Begitu mereka membangunnya, Boeke dan rekan-rekannya ingin menguji fungsionalitas kromosom sintetis dalam sel ragi. Para peneliti merancang kromosom untuk memasukkan penanda khusus pada gen yang dianggap tidak penting — penanda itu dirancang sehingga mereka dapat dipicu oleh enzim untuk mengacak, menghapus, atau menggandakan gen.
Tim kemudian memicu penanda secara sistematis untuk membuat lebih dari 50.000 perubahan pada kromosom sintetis pada titik-titik tertentu dalam kode — bisnis berisiko karena perubahan acak dapat dengan mudah membunuh sel ragi. "Ini adalah kromosom yang diedit sangat luas, " kata Boeke. Ketika mereka mengubah atau menghapus gen, beberapa sel tumbuh lebih baik daripada yang lain dalam berbagai kondisi, tetapi semua sel tumbuh.
Lebih lanjut, tidak peduli bagaimana para peneliti mengubah kondisi yang tumbuh, sel-sel dengan kromosom sintetis masih memunculkan koloni ragi. "Terlepas dari semua perubahan ini, kita sebenarnya punya ragi yang terlihat seperti ragi, berbau seperti ragi, dan membuat alkohol seperti ragi, kata Boeke." Kita tidak bisa membedakannya, tapi itu sangat berbeda. "Ini berarti bahwa genom ragi — setidaknya bagian-bagian yang dipicu oleh para peneliti untuk berubah — sangat ulet dan dapat menangani banyak mutasi, sebuah temuan yang cukup mengesankan dari perspektif rekayasa genetika.
Peta kromosom ragi desainer yang dibangun oleh Boeke dan rekan-rekannya. (Gambar: Boeke et al.) “Karya ini melaporkan kromosom eukariotik desainer pertama yang telah disintesis dari awal, yang merupakan langkah penting menuju pembangunan genom desainer eukariotik. Itu membuka pintu untuk menjawab banyak pertanyaan ilmiah dan teknis, ”kata Huimin Zhao, seorang insinyur biomolekul di University of Illinois di Urbana-Champaign.
Sebagai contoh, kromosom sintetis yang dibuat oleh tim Boeke adalah 14 persen lebih kecil dari kromosom normal yang mereka coba gandakan. Jadi, apa genom terkecil yang diperlukan untuk membuat sel ragi yang berfungsi? Berdasarkan metode yang diterapkan di sini, mereka dapat mulai menguji pertanyaan-pertanyaan itu di lab. Dan meskipun jalur penelitian berlimpah, Boeke mengatakan bahwa langkah selanjutnya untuk timnya adalah menggunakan teknik ini untuk mensintesis seluruh genom ragi.
Setelah mensintesis genom, para peneliti dapat, secara teori, menggunakan penanda untuk mengubah gen yang berbeda pada skala yang lebih besar. Ini dapat memungkinkan mereka untuk menyesuaikan sel ragi dengan genom sintetis yang cocok untuk tujuan tertentu.
Sebagai contoh, beberapa perusahaan bioteknologi telah memasukkan gen ke dalam sel ragi yang bereplikasi dengan cepat untuk menghasilkan sejumlah besar versi sintetis dari obat malaria artemisinin, dan merekayasa genom perancang dapat meningkatkan proses pembuatannya. Bagaimana rekayasa genom perancang meningkatkan proses pembuatan? Apa jenis obat baru yang bisa dibuat dengan ragi yang dirancang khusus? Atau pada tingkat yang kurang altruistik, bir jenis baru apa? Apakah Anda ingin mengobati penyakit manusia atau hanya ingin yang dingin di akhir hari, biologi sintetis sekarang selangkah lebih dekat untuk membantu Anda.
