Ketika fisikawan Richard Feynman meninggal pada tahun 1988, ia meninggalkan catatan di papan tulisnya yang berbunyi, "Apa yang tidak dapat saya ciptakan, saya tidak mengerti." Feynman mungkin telah merefleksikan sifat pemahaman ilmiah, tetapi sentimen tersebut juga mencerminkan semangat biologi sintetik. Bidang ilmiah itu adalah tentang mendekonstruksi dan memanipulasi proses biologis secara tepat untuk menguji pemahaman kita tentang mereka.
“Semua orang di biologi sintetik menyukai kutipan itu,” kata Patrick Shiho, seorang ahli biologi tumbuhan sintetis di University of California, Berkeley. "Itu adalah prinsip utama."
Pekerjaan baru di tanaman menandai kemajuan penting menuju mewujudkan tujuan biologi sintetik yang paling ambisius. SEBUAH studi yang diterbitkan bulan lalu in Ilmu menciptakan semacam sirkuit genetik di akar tanaman, yang pada dasarnya memprogram bagaimana mereka tumbuh. Peneliti Universitas Stanford, dipimpin oleh Jennifer Brofi, seorang bioengineer, dan José Dinnny, seorang ahli biologi sistem tanaman, mengembangkan perangkat genetik untuk mengontrol apakah sistem akar dari dua spesies tanaman tumbuh lebih lateral atau horizontal dan seberapa banyak akar bercabang. Pekerjaan mereka mengkonfirmasi model genetik pertumbuhan tanaman dan menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa mungkin untuk memprogram pola fungsional aktivitas gen dari waktu ke waktu di jaringan spesifik organisme kompleks.
Toolkit genetik baru ini akan sangat berguna bagi ahli biologi sintetik lainnya dalam eksperimen mereka di masa depan. Namun, hasil eksperimen para peneliti tidak semudah yang diharapkan Brophy dan rekan-rekannya, menunjukkan tantangan dalam menerapkan gerbang logika digital ke sistem kehidupan yang berantakan.
Memperbaiki Pertumbuhan Akar
Meskipun ahli biologi sintetis telah memasukkan sistem kontrol genetik ke dalam bakteri dan sel kompleks berbudaya selama sekitar dua dekade, masalah teknis telah membuat lebih sulit bagi mereka untuk melakukan ini dengan organisme multiseluler kompleks seperti tanaman. Jadi untuk membangun sirkuit biologis mereka, Brophy, Dinneny dan rekan kerja mereka mengumpulkan dan menyempurnakan seperangkat alat molekuler, termasuk potongan virus yang dimodifikasi dan bakteri yang menyebabkan tumor pada tanaman. Ahli biologi sintetik sering membuat teknik dan elemen genetik yang mereka butuhkan sebagai satu-satunya untuk organisme dan eksperimen tertentu, tetapi tim Stanford lebih tertarik untuk merakit perangkat tujuan umum yang dapat disesuaikan untuk organisme yang berbeda sesuai kebutuhan.
Dengan toolkit yang dapat disesuaikan ini, para peneliti menyesuaikan sirkuit genetik dengan organisme spesifik mereka. Dalam hal ini, mereka menggunakan dua model organisme populer — Arabidopsis thaliana, kerabat tanaman sawi, dan Nicotiana benthamiana, sepupu tembakau.
Para peneliti menciptakan elemen promotor sintetis yang, seperti sakelar hidup/mati, akan mengikat berbagai gen target yang terlibat dalam pertumbuhan akar dan mengaktifkannya. Mereka kemudian menghubungkan elemen kontrol ini satu sama lain seperti gerbang logika Boolean dalam rangkaian yang dapat diprogram. Kontrol memungkinkan para peneliti untuk merekrut protein tanaman sendiri untuk mendorong - atau menghambat - pertumbuhan akar.
Mereka membuat tanaman mengekspresikan berbagai variasi akar terprogram, dari jaring laba-laba yang luas dari rambut akar hingga akar tunggang tunggal yang panjang. Tujuan mereka adalah untuk menunjukkan kontrol yang fleksibel, bukan untuk menghasilkan hasil yang diinginkan tertentu. "Ini adalah bukti konsep," kata Olivier Martin, seorang peneliti di Institut Penelitian Nasional Prancis untuk Pertanian, Pangan, dan Lingkungan yang tidak terlibat dalam penelitian baru tersebut.
Kontrol atas pertumbuhan sistem akar bisa menjadi revolusioner untuk pertanian, terutama di daerah yang dilanda kekeringan, di mana kehidupan mungkin menjadi lebih mengerikan dengan perubahan iklim yang sedang berlangsung. Tanaman dapat diprogram untuk menumbuhkan sistem akar yang dangkal agar cepat menyerap hujan lebat tetapi jarang, atau untuk mengirim akarnya lurus ke bawah dan menjaganya tetap rapat untuk menghindari pelanggaran pada ruang tetangga.
Aplikasi tidak terbatas pada pertanian. Tanaman adalah "ahli kimia alam," kata Martin. “Mereka menghasilkan keragaman senyawa yang luar biasa.” Memanfaatkan kemampuan itu melalui biologi sintetis dapat memungkinkan para peneliti untuk menghasilkan obat-obatan baru dalam skala besar.
Melawan Inkonsistensi
Tetapi buah dari biologi tanaman sintetis belum siap untuk dijual di pasar petani atau rak toko obat dulu. Meskipun sebagian besar tanaman dalam eksperimen Stanford berperilaku sesuai dengan pemrograman mereka, ekspresi gen mereka tidak cukup hitam dan putih seperti yang diharapkan para peneliti. “Bahkan menyebutnya Boolean atau digital itu sulit karena status 'mati' tidak sepenuhnya mati, dan status 'aktif' adalah relatif,” kata Brophy.
Pada akar, keadaan “mati” ditandai dengan tudung akar lengkap, lapisan sel di ujung sulur akar yang mencegah pertumbuhan lebih lanjut. Status "Aktif" hanya ditentukan oleh keberadaan root atau rootlet. Tetapi para peneliti mengamati bahwa beberapa akar dalam keadaan "mati" hanya mengembangkan tutup akar parsial - cukup untuk menghentikan pertumbuhan setelah titik tertentu, tetapi tidak cukup untuk mencegahnya sama sekali. Ekspresi menyimpang ini paling sering muncul ketika tim menerapkan gerbang logika yang dikembangkan untuk Nicotiana ke Arabidopsis tanaman; mereka cenderung menghilang setelah toolkit di-tweak untuk Arabidopsis gen.
Meskipun ekspresi parsial semacam ini menambah tantangan yang dihadapi biologi sintetik, Shih mengatakan bahwa itu mungkin memiliki keuntungan juga: Ini dapat membuat tanaman lebih mudah menjadi subjek untuk tes eksperimental daripada hewan karena ekspresi gen parsial pada hewan seringkali kurang jelas (dan lebih fatal) .
Devang Mehta, seorang ahli biologi sistem di University of Alberta di Kanada yang tidak terlibat dalam penelitian ini, menyebut penelitian Brophy dan Dinneny sebagai "langkah maju yang besar" dalam biologi sintetik organisme. Namun, dia mengingatkan bahwa kita tidak boleh meremehkan betapa menantangnya langkah selanjutnya.
"Hal-hal seperti logika Boolean khususnya sangat berguna dalam lingkungan yang terkandung, di mana Anda benar-benar dapat mengontrol variabel lingkungan," kata Mehta. “Ini jauh lebih sulit dilakukan di lingkungan alami.”
Itu karena tanaman dan makhluk hidup lainnya sangat responsif terhadap lingkungan mereka dengan cara yang tidak dilakukan komputer, yang memperumit tantangan memprogram mereka dengan sirkuit genetik yang andal. Brophy membandingkannya dengan kalkulator, di mana 2 ditambah 2 sama dengan 4 setiap waktu. “Akan bermasalah jika 2 ditambah 2 sama dengan 3 saat dingin, dan 5 saat terlalu terang,” katanya. Untuk menerapkan sirkuit gen Boolean pada tanaman seperti jagung atau gandum yang tumbuh di ladang, ahli biologi sintetik harus menemukan cara untuk mengendalikan cuaca atau, lebih realistis, mencegah tanaman merespons panas, dingin, dan hujan dengan kuat.
“Itu adalah batasan penting yang harus ditegaskan di lapangan,” kata Shih. Dia melihat karya Brophy dan Dinneny sebagai peta jalan awal untuk mengatasi tantangan ini. “Sekarang kita bisa melihat [alat] mana yang berfungsi, dan mana yang tidak.”
Catatan editor: Sebagai sarjana Fakultas HHMI-Simons, Dinnny telah menerima dana dari Yayasan Simons, yang juga mendukung Quanta, majalah jurnalisme sains yang independen secara editorial ini.
