Para peneliti dari Laboratorium Penelitian Medis Inggris Laboratorium Biologi Molekuler telah berhasil menciptakan bakteri E. coli dengan DNA yang sepenuhnya buatan manusia, menandai tonggak sejarah dalam bidang biologi sintetis yang sedang berkembang dan membuka jalan bagi inovasi masa depan yang dibangun di atas apa yang disebut bakteri "perancang" .
Menurut sebuah studi baru yang diterbitkan dalam jurnal Nature, genom sintetis sejauh ini adalah yang terbesar dari jenisnya. Produk dari kampanye penelitian dua tahun, DNA yang dirancang ulang terdiri dari empat juta segmen — empat kali lebih banyak dari pemegang rekor sebelumnya. Mungkin yang paling mengesankan, bakteri tersebut hanya mengandung 61 kodon, berbeda dengan 64 yang ditemukan di hampir semua makhluk hidup. Meskipun terdapat perbedaan ini, bakteri sintetis tampak berfungsi seperti E. coli normal . Perbedaan utama, seperti yang dilaporkan Carl Zimmer dari The New York Times, adalah tingkat pertumbuhan yang lebih lambat dan panjang.
"Tidak sepenuhnya jelas apakah mungkin membuat genom sebesar ini dan apakah mungkin mengubahnya begitu banyak, " kata rekan penulis studi Jason Chin, ahli biologi di University of Cambridge, kepada Ian Sample dari Guardian .
Tetapi ketika Tom Ellis, direktur Pusat Biologi Sintetis di Imperial College London dan seorang pengkaji penelitian, menjelaskan kepada Ryan Mandelbaum dari Gizmodo, upaya tim akhirnya memuncak dalam "tour de force" untuk lapangan: "Mereka mensintesis, dibuat, dan menunjukkan bahwa genom sintetis 4 juta basis-pasangan dapat bekerja, ”kata Ellis. "Ini lebih dari yang pernah dilakukan siapa pun sebelumnya."
Untuk “mengkode ulang” suatu genom, para ilmuwan harus memanipulasi 64 kodon, atau kombinasi tiga huruf dari molekul DNA A, T, C dan G — kependekan dari adenine, thymine, cytosine, dan guanine — yang memberi kekuatan pada semua organisme hidup. Karena masing-masing dari tiga posisi dalam kodon dapat menampung salah satu dari empat molekul, ada 64 kemungkinan kombinasi total (4 x 4 x 4). Kombinasi-kombinasi ini, pada gilirannya, berhubungan dengan asam amino spesifik, atau senyawa organik yang membangun protein yang diperlukan untuk kehidupan. TCA, misalnya, cocok dengan serin asam amino, sedangkan AAG menentukan lisin. TAA bertindak sebagai semacam tanda berhenti, menandakan organisme untuk berhenti menambahkan asam amino ke protein yang sedang berkembang, Sharon Begley dari STAT menjelaskan.
Ada tangkapan lain untuk proses yang sudah rumit ini: Karena hanya ada 20 asam amino yang terkait dengan kode genetik, banyak kodon dapat berhubungan dengan satu asam. Serine, misalnya, terkait dengan tidak hanya TCA, tetapi AGT, AGC, TCT, TCC, dan TCG. Seperti yang ditulis oleh John Timmer Ars Technica, ketidakcocokan dalam jumlah kodon versus asam amino membuat 43 kodon sebagian besar tidak ada. Meskipun sel menggunakan set tambahan ini sebagai kode berhenti, alat pengaturan dan jalur yang lebih efisien menuju pengkodean protein tertentu, faktanya tetap bahwa banyak yang berlebihan.
Menentukan betapa mubazirnya kodon-kodon tambahan ini membutuhkan percobaan dan kesalahan yang ekstensif. Chin mengatakan kepada Begley, "Ada banyak cara yang memungkinkan Anda dapat mengkode ulang genom, tetapi banyak dari mereka bermasalah: Selnya mati."
Untuk membuat genom sintetik yang sukses, Chin dan rekan-rekannya mengganti setiap instance dari serine codon TCG dan TCA dengan AGC dan AGT, masing-masing. Tim juga mengganti setiap kodon TAG, menandakan pemberhentian, dengan TAA. Pada akhirnya, The New York Times 'Zimmer mencatat, DNA yang direkode ulang menggunakan empat kodon serin daripada empat dan dua kodon stop daripada tiga. Untungnya, para ilmuwan tidak harus menyelesaikan pekerjaan ini dengan tangan. Sebaliknya, mereka membuat penggantian 18.214 dengan memperlakukan kode E. coli seperti file teks besar dan melakukan fungsi pencarian-dan-ganti.
Mentransfer DNA sintetis ini ke dalam bakteri terbukti menjadi tugas yang lebih sulit. Mengingat panjang dan kompleksitas genom, tim tidak dapat memasukkannya ke dalam sel dalam satu upaya; sebaliknya, para ilmuwan mendekati pekerjaan itu secara bertahap, dengan susah payah memecah genom menjadi potongan-potongan dan mentransplantasinya menjadi bakteri hidup sedikit demi sedikit.
Keberhasilan para peneliti berlipat ganda, kata Chin dalam sebuah wawancara dengan Antonio Regalado dari MIT Technology Review . Genom yang didesain ulang tidak hanya merupakan "pencapaian teknis, " tetapi juga "memberi tahu Anda sesuatu yang mendasar tentang biologi dan seberapa lunak kode genetik itu."
Menurut Sampel Guardian, penelitian ini dapat membantu para ilmuwan membuat bakteri tahan virus yang diperlengkapi untuk digunakan dalam industri biofarmasi; E. coli sudah digunakan untuk membuat insulin dan senyawa medis yang mengobati kanker, multiple sclerosis, serangan jantung dan penyakit mata, tetapi berkat kerentanan DNA non-sintetis terhadap virus tertentu, produksi dapat dengan mudah terhenti.
Implikasi kunci lain dari penelitian ini adalah asam amino. Seperti ditulis Roland Pease dari BBC News, penggunaan genom E. coli dari 61 dari 64 kodon yang memungkinkan meninggalkan tiga terbuka untuk pemrograman ulang, membuka pintu untuk "blok bangunan yang tidak wajar" yang mampu melakukan fungsi yang sebelumnya tidak mungkin.
Berbicara dengan Zimmer, Finn Stirling, seorang ahli biologi sintetis di Harvard Medical School yang tidak terlibat dalam penelitian baru, menyimpulkan, "Secara teori, Anda dapat mengkode ulang apa pun."
