Sel sintetis, yang dirancang untuk meniru beberapa fungsi yang dilakukan sel hidup, menjanjikan penerapan dalam bidang bioteknologi dan kedokteran. Namun, bahkan sel biologis terkecil sekalipun sangatlah kompleks dan pembuatan sel buatan yang hidup menghadapi banyak hambatan. Para peneliti di Laboratorium Schulman di Universitas Johns Hopkins baru-baru ini mencapai kemajuan dalam salah satu tantangan berikut: pertukaran materi dan informasi melintasi batas sel.
Menulis di Kemajuan ilmu pengetahuan, para peneliti – bekerja sama dengan Grup Aksimentiev di Universitas Illinois Urbana-Champaign – mendemonstrasikan pengangkutan molekul kecil tanpa kebocoran melalui saluran nano DNA yang direkayasa melintasi jarak yang belum pernah terjadi sebelumnya. Di masa depan, pekerjaan mereka dapat membantu dalam pembangunan sel buatan, dan juga membantu studi dan manipulasi jaringan hidup.
Sel-sel dalam organisme multiseluler perlu bertukar materi dan berkomunikasi untuk memastikan kelangsungan hidup kolektif mereka. Karena setiap sel dikelilingi oleh membran lipid yang tidak dapat ditembus oleh banyak molekul biologis, evolusi telah menghasilkan mekanisme yang dapat melintasi penghalang ini. Reseptor pemberi sinyal, pengangkut, dan pori-pori menyampaikan informasi dan memungkinkan lewatnya molekul antara sel dan bagian luarnya, sementara kontak sel seperti gap persimpangan secara langsung menghubungkan bagian dalam sel yang berdekatan dan memungkinkan difusi molekul kecil dari sel ke sel.
Untuk meniru proses ini dalam sistem buatan, “para peneliti telah mengembangkan sel-sel sintetis yang diposisikan bersebelahan yang dapat berkomunikasi melalui pori-pori protein pada membrannya” jelas penulis pertama Yi Li, yang ikut memimpin penelitian ini. “Namun, mengembangkan sistem sel sintetis di mana sel dapat berkomunikasi dan bertukar materi dalam jarak yang lebih jauh masih merupakan sebuah tantangan.”
Struktur protein yang memfasilitasi komunikasi sel-ke-sel dalam biologi dibangun “bottom-up” dari asam amino – informasi yang dikodekan dalam urutannya diterjemahkan menjadi sebuah struktur. Makromolekul biologis lainnya, DNA, terutama digunakan untuk penyimpanan informasi dalam sel; namun karena kemudahan sintesisnya dan potensinya untuk membentuk struktur tingkat tinggi, bidang nanoteknologi DNA telah berkembang jauh melampaui pembuktian konsep pertamanya sekitar 30 tahun yang lalu. Para ilmuwan sejak itu telah merakit struktur 2D dan 3D yang lebih canggih dari DNA, termasuk kisi-kisi, tabung, benda geometris, dan bahkan rendering wajah tersenyum secara artistik, dalam upaya yang disebut sebagai origami DNA.
Dalam studi mereka, para peneliti Schulman Lab menggabungkan nanopori DNA origami, yang menjembatani membran vesikel mirip sel dan menciptakan bukaan kecil bagi molekul untuk menyeberang, dengan nanotube DNA yang dirakit sendiri. Dengan mengukur fluks molekul pewarna ke dalam vesikel, mereka menunjukkan bahwa pori nano pendek membuat membran permeabel terhadap pewarna. Mereka juga memvalidasi bahwa kecepatan pengangkutan ini konsisten dengan difusi dan menemukan bahwa tutup DNA yang dirancang khusus dapat menyumbat pori-pori dan menghentikan masuknya pewarna.
Tim kemudian memperluas pekerjaan ini ke nanotube DNA dengan panjang rata-rata 700 nm dan maksimum lebih dari 2 µm. Sekali lagi, percobaan menunjukkan bahwa masuknya pewarna ditingkatkan dengan adanya konstruksi DNA, dan bahwa penutupnya dapat menahan perembesan. Implikasinya, kata Li, adalah “molekul kecil dapat melewati tabung tanpa bocor, dan kami berharap molekul besar, seperti protein, juga dapat diangkut melalui tabung nano ini”.
Anggota Kelompok Aksimentiev melakukan simulasi komputer dinamika Brown pada sistem nanopore-dye. Hal ini menggambarkan bahwa untuk molekul di bawah ukuran ambang batas, kebocoran melalui dinding samping tabung DNA mendominasi aliran masuk, sedangkan untuk molekul yang lebih besar, difusi ujung ke ujung menjadi mekanisme yang lebih disukai.
Li menjelaskan bahwa simulasi semacam itu saling melengkapi dengan eksperimen dalam dua cara. “Mereka dapat digunakan sebagai alat desain untuk membantu peneliti merancang struktur skala nano yang memiliki fungsi tertentu”, katanya, misalnya dengan “mensimulasikan kinetika perakitan mandiri struktur nano DNA kita”, tetapi mereka juga membantu “memvalidasi hasil eksperimen dan menyediakan wawasan tambahan ke dalam proses fisik”.
Desain DNA buatan sendiri
Rebecca Schulman – yang ikut memimpin penelitian ini – menganalogikannya dengan pipa. “Studi ini menunjukkan dengan sangat kuat bahwa membuat nanotube yang tidak bocor menggunakan teknik perakitan mandiri yang mudah ini, yaitu dengan mencampur molekul dalam larutan dan membiarkannya membentuk struktur yang kita inginkan. Dalam kasus kami, kami juga dapat memasang tabung-tabung ini ke titik akhir yang berbeda untuk membentuk sesuatu seperti pipa ledeng.”
Laboratorium memiliki rencana ambisius untuk penerapan nanotube ini. “Perkembangan di masa depan mencakup menghubungkan dua atau lebih sel buatan dengan nanotube DNA kita dan menunjukkan transpor molekul di antara sel-sel tersebut. Kami berpotensi menunjukkan [bahwa] pengangkutan molekul pemberi sinyal dari satu sel dapat mengaktifkan/menonaktifkan ekspresi gen di sel lain,” kata Li. Dunia Fisika. Tim juga berharap untuk “menggunakan nanotube untuk mengontrol pengiriman molekul pemberi sinyal atau terapi ke sel mamalia, baik untuk mempelajari perilaku sinyal sel atau untuk mengembangkan strategi pengiriman obat”.
