Lumut Sintetis Sebagian Membuka Jalan bagi Tanaman Dengan Genom Perancang

Biologi sintetik sudah menulis ulang kehidupan.

Pada akhir tahun 2023, para ilmuwan mengungkapkan sel-sel ragi dengan separuh cetak biru genetik mereka digantikan oleh DNA buatan. Itu adalah momen “titik balik” dalam sebuah proyek selama 18 tahun untuk merancang versi alternatif dari setiap kromosom ragi. Meskipun memiliki tujuh setengah kromosom sintetis, sel-sel tersebut bereproduksi dan berkembang.

Sebuah studi baru membawa kita menaiki tangga evolusi menuju tanaman perancang.

Untuk sebuah proyek bernama SynMoss, sebuah tim di Tiongkok mendesain ulang bagian dari satu kromosom dalam sejenis lumut. Tanaman sebagian sintetis yang dihasilkan tumbuh normal dan menghasilkan spora, menjadikannya salah satu makhluk hidup pertama dengan banyak sel yang membawa sebagian kromosom buatan.

Perubahan kebiasaan pada kromosom tanaman relatif kecil dibandingkan dengan ragi sintetik. Tapi ini adalah langkah menuju desain ulang genom pada organisme tingkat tinggi.

Dalam sebuah wawancara dengan Ilmu, ahli biologi sintetik Dr. Tom Ellis dari Imperial College London mengatakan ini adalah “seruan untuk menyadarkan orang-orang yang berpikir bahwa genom sintetik hanya untuk mikroba.”

Meningkatkan Kehidupan

Upaya untuk menulis ulang kehidupan bukan hanya untuk memuaskan keingintahuan ilmiah.

Mengotak-atik DNA dapat membantu kita menguraikan sejarah evolusi dan menentukan bagian penting DNA yang menjaga kestabilan kromosom atau menyebabkan penyakit. Eksperimen ini juga dapat membantu kita lebih memahami “materi gelap” DNA. Tersebar di seluruh genom, rangkaian misterius yang tidak mengkode protein telah lama membingungkan para ilmuwan: Apakah mereka berguna atau hanya sisa-sisa evolusi?

Organisme sintetik juga memudahkan rekayasa makhluk hidup. Bakteri dan ragi, misalnya, sudah digunakan untuk menyeduh bir dan menghasilkan obat-obatan yang menyelamatkan jiwa seperti insulin. Dengan menambahkan, mengganti, atau menghapus bagian genom, sel-sel ini dapat diberi kemampuan baru.

Dalam satu penelitian terbaruMisalnya, para peneliti memprogram ulang bakteri untuk mensintesis protein menggunakan bahan penyusun asam amino yang tidak ditemukan di alam. Di lain Dalam penelitiannya, sebuah tim mengubah bakteri menjadi Terminator pengunyah plastik yang mendaur ulang sampah plastik menjadi bahan berguna.

Meskipun mengesankan, bakteri terbuat dari sel-sel yang tidak seperti sel kita—materi genetiknya melayang-layang, sehingga berpotensi lebih mudah untuk diubah.

Grafik Proyek Ragi Sintetis adalah sebuah terobosan. Berbeda dengan bakteri, ragi adalah sel eukariotik. Tumbuhan, hewan, dan manusia semuanya termasuk dalam kategori ini. DNA kita dilindungi di dalam gelembung mirip kacang yang disebut nukleus, sehingga lebih sulit bagi para ahli biologi sintetik untuk melakukan penyesuaian.

Dan dalam kaitannya dengan eukariota, tumbuhan lebih sulit untuk dimanipulasi dibandingkan ragi—organisme bersel tunggal—karena tumbuhan mengandung banyak jenis sel yang mengoordinasikan pertumbuhan dan reproduksi. Perubahan kromosom dapat terjadi secara berbeda tergantung pada bagaimana setiap sel berfungsi dan, pada gilirannya, mempengaruhi kesehatan tanaman.

“Sintesis genom pada organisme multiseluler masih merupakan wilayah yang belum dipetakan,” tulis tim tersebut dalam makalah mereka.

Pelan dan pasti

Daripada membangun genom baru dari awal, tim malah mengutak-atik genom lumut yang sudah ada.

Bulu halus berwarna hijau ini telah dipelajari secara ekstensif di laboratorium. Analisis awal genom lumut menemukan bahwa ia memiliki 35,000 gen potensial—sangat kompleks untuk sebuah tanaman. Ke-26 kromosomnya telah diurutkan secara lengkap.

Oleh karena itu, tanaman ini merupakan “model yang banyak digunakan dalam perkembangan evolusioner dan studi biologi sel,” tulis tim tersebut.

Gen lumut mudah beradaptasi dengan perubahan lingkungan, terutama yang memperbaiki kerusakan DNA akibat sinar matahari. Dibandingkan dengan tanaman lain—seperti selada thale, model lain yang disukai para ahli biologi—lumut memiliki kemampuan bawaan untuk mentolerir perubahan DNA dalam jumlah besar dan beregenerasi lebih cepat. Kedua aspek tersebut “penting” ketika menulis ulang genom, jelas tim tersebut.

Keuntungan lainnya? Lumut dapat tumbuh menjadi tumbuhan utuh dari satu sel. Kemampuan ini merupakan skenario impian bagi para ahli biologi sintetik karena mengubah gen atau kromosom hanya dalam satu sel berpotensi mengubah keseluruhan organisme.

Seperti kromosom kita, kromosom tumbuhan tampak seperti huruf “X” dengan dua lengan bersilang. Untuk penelitian ini, tim memutuskan untuk menulis ulang lengan kromosom terpendek pada tanaman—kromosom 18. Ini masih merupakan proyek besar. Sebelumnya, penggantian terbesar hanya sekitar 5,000 huruf DNA; studi baru diperlukan untuk mengganti lebih dari 68,000 surat.

Mengganti rangkaian DNA alami dengan “fragmen sintetis besar yang didesain ulang menghadirkan tantangan teknis yang berat,” tulis tim tersebut.

Mereka mengambil strategi memecah belah dan menaklukkan. Mereka pertama-tama merancang potongan DNA sintetik berukuran sedang sebelum menggabungkannya menjadi satu “potongan besar” DNA pada lengan kromosom.

Kromosom yang baru dirancang mengalami beberapa perubahan penting. Transposon, atau “gen pelompat” dilucuti. Blok DNA ini bergerak di sekitar genom, dan para ilmuwan masih memperdebatkan apakah blok tersebut penting untuk fungsi biologis normal atau berkontribusi terhadap penyakit. Tim juga menambahkan “tag” DNA pada kromosom untuk menandainya sebagai kromosom sintetis dan membuat perubahan pada cara kromosom mengatur pembuatan protein tertentu.

Secara keseluruhan, perubahan tersebut mengurangi ukuran kromosom hampir 56 persen. Setelah memasukkan kromosom perancang ke dalam sel lumut, tim memupuknya menjadi tanaman dewasa.

Bunga Setengah Sintetis

Bahkan dengan genom yang banyak diedit, lumut sintetis ternyata normal. Tanaman tersebut mudah tumbuh menjadi semak berdaun dengan banyak cabang dan akhirnya menghasilkan spora. Semua struktur reproduksi sama seperti yang ditemukan di alam liar, menunjukkan bahwa tanaman setengah sintetis tersebut memiliki siklus hidup normal dan berpotensi bereproduksi.

Tumbuhan ini juga mempertahankan ketahanannya terhadap lingkungan yang sangat asin—sebuah adaptasi bermanfaat yang juga terlihat pada tumbuhan alami.

Namun lumut sintetis memang memiliki beberapa keunikan epigenetik yang tidak terduga. Epigenetika adalah ilmu tentang bagaimana sel menghidupkan atau mematikan gen. Bagian sintetis dari kromosom memiliki profil epigenetik yang berbeda dibandingkan lumut alami, dengan gen yang lebih teraktivasi dari biasanya. Ini berpotensi berbahaya, menurut tim.

Lumut juga menawarkan wawasan potensial mengenai “materi gelap” DNA, termasuk transposon. Menghapus gen pelompat ini tampaknya tidak membahayakan sebagian tanaman sintetis, dan menunjukkan bahwa gen tersebut mungkin tidak penting bagi kesehatan mereka.

Lebih praktisnya, hasilnya bisa meningkatkan upaya bioteknologi menggunakan lumut untuk menghasilkan berbagai macam protein terapeutik, termasuk yang memerangi penyakit jantung, menyembuhkan luka, atau mengobati stroke. Lumut sudah digunakan untuk mensintesis obat-obatan medis. Genom yang dirancang sebagian dapat mengubah metabolismenya, meningkatkan ketahanannya terhadap infeksi, dan meningkatkan hasil panen.

Langkah selanjutnya adalah mengganti keseluruhan lengan pendek kromosom 18 dengan rangkaian sintetik. Mereka bertujuan untuk menghasilkan seluruh genom lumut sintetis dalam waktu 10 tahun.

Ini adalah tujuan yang ambisius. Dibandingkan dengan genom ragi, yang membutuhkan waktu 18 tahun dan kolaborasi global untuk menulis ulang setengahnya, genom lumut 40 kali lebih besar. Namun dengan semakin efisien dan murahnya teknologi pembacaan dan sintesis DNA, tujuan tersebut masih bisa dicapai.

Teknik serupa juga dapat menginspirasi proyek lain untuk mendesain ulang kromosom pada organisme selain bakteri dan ragi, mulai dari tumbuhan hingga hewan.

Gambar Kredit: Pyrex / Wikimedia Commons

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/