Netsains.Com – Selain hidup di era “omik”, kita sadar hidup di era TIK (teknologi informasi dan komunikasi) yang membuat dunia semakin tanpa batas. Pada era ini dikenal istilah “bukan yang besar mengalahkan yang kecil, tapi yang cepat mengalahkan yang lambat”.

Lihatlah contoh Microsoft di Amerika yang bisa menandingi IBM. Atau Actelion Pharmaceuticals di Swiss bisa bertahan di tengah himpitan raksasa farmasi di negara kecil itu seperti Novartis dan Roche.

Semuanya karena bertahan karena kreativitas dalam inovasi-inovasi barunya. Berbicara tentang pembacaan sekuen genomB), teknik pembacaan sekuen yang dikembangkan Walter Gilbert ternyata kurang cocok untuk otomatisasi. Sehingga hampir semua alat yang digunakan di dunia berdasar teknik yang dikembangkan oleh pesaingnya yaitu Frederick Sanger. Sanger di-deoxy chain termination adalah metode yang mengandalkan satu enzim saja yaitu DNA polimerase dan selebihnya adalah senyawa-senyawa kimia yang dimodifikasi.

Apakah seorang biochemist bisa memecahkan monopoli ini? Saat ini muncul satu teknik pembacaan sekuen DNA yang baru, diberi nama sequencing by synthesis atau pyrosequencing. Teknik ini berkebalikan dengan teknik Sanger, membutuhkan banyak sekali enzim yang dirangkai dalam satu sistem buatan sehingga dapat membaca sekuen DNA. Sintesis DNA oleh enzim DNA polimerase menghasilkan juga pirofosfat (PPi). PPi ini kemudian dikatalisis oleh enzim ATP sulfurylase menjadi ATP. ATP menjadi penggerak enzim luciferaseC) untuk mengkatalis luciferin menjadi cahaya. Berdasar jenis dNTP yang direaksikan dan cahaya yang dideteksi oleh kamera CCD, dapat ditentukan basa pada urutan tertentu.

Inovasi ini menghilangkan ketergantungan pada penggunakan turunan dNTP berfluoresensi yang berharga mahal, juga detektor laser yang dapat digantikan dengan kamera CCD yang sekarang lazim dipakai pada handphone berharga kurang dari 1 juta Rp. Tentu dibutuhkan kreativitas yang tinggi untuk merangkai berbagai enzim yang di alam punya fungsi dan asal sangat berbeda tersebut. satu contoh kreativitas lain yang berhubungan dengan luciferaseC) adalah pemanfaatannya untuk alat pengukur gula darah. Molecular biologist umumnya lebih memilih green fluorescent protein (GFP) sebagai marker karena dapat berpendar tanpa tambahan apa pun.

Tapi seorang biochemist tahu berpendarnya luciferase sangat terang sehingga bisa dilihat kasat mata tanpa mikroskop seperti melihat kunang-kunang di sawah pada tengah malam. Alat pengukur gula darah yang umum dipakai saat ini berbasis elektroda dimana glukosa direaksikan dengan enzim glukosa oksidase atau glukosa dehidrogenase akan menghasilkan elektron yang dengan mudah diukur oleh elektroda. Tapi mungkin tidak banyak yang tahu bahwa dalam sistem itu dibutuhkan senyawa kimia ferisian yang bertugas membawa elektron dari badan enzim ke elektroda.

Penambahan ferisian pada sistem dalam jumlah banyak untuk memastikan terjadinya aliran electron. Ferisian termasuk senyawa-senyawa kimia satu turunan dengan pestisida. Sehingga pastinya beracun. Kreativitas seorang biochemist kemudian dituntut untuk mengembangkan satu sistem pengukuran gula darah yang lebih ramah lingkungan tapi tak kurang selektifnya dibanding dengan metode elektroda.

Pemahaman seorang biochemist dari struktur enzim luciferase menerangkan bahwa untuk menjadi aktif maka 2 domain protein itu harus berdekatan dalam satu fenomena yang disebut induced-fit. Menggandengkan domain satu dengan protein pengikat glukosa (glucose binding protein/GBP) akan menghasilkan satu sistem sensor yang mengeluarkan cahaya setara dengan konsentrasi glukosa dalam sistem. Walaupun hasilnya belum sempurna menjadi satu alat pengukur gula darah yang sesungguhnya, tapi proof of concept dari ide ini telah berhasil
direalisasikan10.

Kembali ke pada lac repressorD) yang disebutkan di awal makalah ini, ternyata biochemist dari pengamatan struktur protein ini mengetahui pula bahwa protein ini bekerja dengan model induced-fit. Maka dari itu, dengan cara pikir yang sama dengan sistem luciferas-GBP tadi, GBP telah dirangkai sedemikian rupa dengan lac repressor sehingga menjadi internal sensor glukosa. Ketika kadar glukosa meningkat, GBP berikatan dengan glukosa sehingga melepas lac repressor. Akibatnya gen yang dihambat tadi menjadi aktif. Gen itu bisa dirancang menjadi gen penyandi insulin misalanya sehingga sistem ini bisa menjadi pancreas buatan11.

Arah penelitian biokimia ke depan kalau ditelaah dari topik-topik yang trendy tentu akan menjadi sangat luas. Tapi kalau dilihat dari ciri-cirinya bisa diringkas menjadi dua hal saja yaitu:

  • Era omik

Era omik: menuntut seorang peneliti dan mahasiswa biokimia memahami segala teknik-teknik yang berhubungan dengannya. Paling tidak keluwesan dalam
menggunakan tool-tool komputasi mulai dari analisis gen sampai analisis protein harus sudah menjadi keahlian dasar. Pemahaman-pemahaman perlu diperluas tidak hanya pada satu obyek biokimia seperti enzim, vitamin, lipid, dsb, tapi bagaimana rangkaian satu dengan lainnya saling berperan dalam satu sistem kehidupan. Penelitian “seorang diri” sulit menghasilkan impact berarti kecuali menggandeng peneliti dengan keahlian lain karena diperlukan kecepatan selain keluasan / kedalaman garapan.

  • Kreativitas

Di saat dunia pendidikan Indonesia dituntut untuk menghasilkan para wirausahawan muda, tidak sekedar lulusan yang mencari pekerjaan, dan para pengajarnya dituntut untuk menghasilkan publikasi riset internasional, maka keunggulan komparatif Indonesia dengan kekayaan biodiversitas yang seakan tidak habis diteliti, harus diimbangi dengan kreativitas berpikir yang multidimensi. Dalam hal ini perlu dibuka peluang dialog dan diskusi multi disiplin dari berbagai bidang ilmu tidak hanya biokimia saja. Seorang biochemist yang senang melihat cahaya kunang-kunang akan bisa menghasilkan satu teknik pembacaan sekuen DNA atau pengukuran kadar gula bila bertemu dengan molecular biologist atau engineer.

Netsains.Com – Walter Gilbert mungkin lebih dikenal sebagai molecular biologist karena berhasil menemukan teknik pembacaan sekuen DNA yang menghantarkannya meraih Hadiah Nobel Kima 1980 bersama Frederick Sanger. Tapi sebenarnya Gilbert adalah seorang biochemist yang memulai karir gemilangnya dengan menjadi yang pertama di dunia mengisolasi dan mengkarakterisasi protein lac repressorD).

Sebelumnya Jacques Monod dan Francois Jacob, keduanya molecular biologist hanya bisa memprediksi keberadaan protein itu. Tapi dengan serangkaian eksperimen dengan teknik-teknik biokimia yang cemerlang, Gilbert bisa meyakinkan bahwa lac repressor betul-betul mengikat DNA dan menyebabkan ekspresi gen di bawahnya (downstream) berhenti, kemudian melepaskannya dari DNA dengan menambahkan IPTG, dan menempelkannya ke DNA lagi dengan menghilangkan IPTG. Dengan demikian, biochemist telah berjasa membuktikan teori Monod dan Jacob mengenai kontrol ekspresi genA) yang begitu sederhana tapi meyakinkan sehingga menghantarkan keduanya meraih Hadiah Nobel Kedokteran 1965.

Era Omik

Berbicara mengenai kontrol ekspresi genA), perkembangan ilmu saat ini menunjukkan bahwa kenyataan sesungguhnya dalam sel jauh lebih rumit dari yang diduga. Kontrol negatif pada lac operon dan kontrol positif pada trp operon yang digunakan pada setiap buku teks biologi molekuler hanyalah sebagian kecil dari bentuk-bentuk kontrol ekspresi gen lain yang dilakukan oleh molekul-molekul tak terduga sebelumnya yaitu RNA.

RNA tidak sekedar molekul pertengahan (intermediate) dalam alur informasi dogma sentral, tapi juga punya peran aktif dalam alur informasi itu sendiri. Peran RNA dalam ekspresi gen dalam buku teks setingkat mahasiswa Master mungkin terbatas pada RNA attenuator pada trp operon yang berubah struktur sekundernya sehingga membuat ribosom tidak bisa mentranslasikan keseluruhan mRNA bila triptofan sudah mencukupi5. Contoh satu lagi yang lebih generik adalah satu sekuen pada mRNA yang berfungsi sebagai terminator dengan cara berikatan bersama protein rho (ρ) sehingga melepas ribosom dari mRNA.

Andrew Fire dan Craig Mello adalah yang pertama membuktikan microRNA (miRNA) dapat mengontrol ekspresi gen6. Sekuen DNA yang tidak mengkode protein sehingga disebut junk DNA oleh Sydney Brenner (peraih Hadiah Nobel Kedokteran 2002)7 ternyata ditranskripsikan oleh sel menjadi miRNA atau potongan-potongan pendek RNA yang tidak mengkode protein seperti mRNA itu. Di sitosol, miRNA dapat menempel pada mRNA sehingga membuatnya gagal ditranslasikan oleh ribosom. Dengan kata lain, miRNA mengkontrol ekspresi gen.

Fire dan Mello tidak berhenti pada kenyataan ini tapi kemudian mencoba merekayasa miRNA menjadi yang disebut small interference RNA (siRNA) yaitu dengan cara memasukkan miRNA ke dalam sel untuk mengkontrol ekpresi gen tertentu. Hal inilah yang mengantarkan keduanya meraih Hadiah Nobel Kedokteran 2006.

Maka pembacaan sekuen genomB) menjadi lebih bermakna karena wajah genetik (genetic make up) kita ternyata tidak hanya pada 10 % genom yang mengkode protein atau yang disebut gen itu saja, tapi juga junk DNA yang mengkode miRNA, termasuk yang sudah diketahui sebelumnya seperti centromere dan telomere. Hal ini hanya menegaskan bahwa kita saat ini hidup di era genomik dan omik-omik lainnya seperti transkiptomik, RNAomik, proteomik, metabolomik, dsb. Ini adalah era yang betul-betul berbeda dengan tahun 1970-an ketika biologi molekul merajai dunia ilmu pengetahuan. Perbedaannya setara dengan ungkapan “hari gini oper gigi” yang disampaikan para pecinta skuter matik terhadap pengendara motor bebek yang masih menggunakan persneling.

Jangan dianggap remeh ungkapan itu, karena inilah yang membuat Yamaha bisa menggeser Honda di pasar motor Indonesia setelah puluhan tahun merajainya. Persis sama kondisinya, jangan anggap remeh dengan teknologi omik yang berpadu erat dengan teknologi informasi dan komunikasi, karena siapa pun bisa mengakses data genom dari sekuen DNA, data transkriptom dari DNA microarray dsb dengan gratis lewat internet. Tanpa banyak modal, cukup dengan keahlian pemograman dan kelihaian memadukan tool-tool komputasi yang ada, penemuan besar bisa dilakukan. Lihatlah misalnya sebuah paper yang berusaha mengidentifikasi hanya 1% saja dari genom berpotensi menjadi miRNA yang dipublikasikan di jurnal Nature tahun 2007. Paper berjudul, “Identification and analysis of functional elements of 1% of the human genome by the ENCODE pilot project” itu ditulis oleh 80 lembaga riset di dunia dan lebih dari 100 nama ilmuwan.

https://static.onesourcetalent.com/blog/images/twillight-poster.jpg

Vampir kini kembali ngetrend akibat film Twilight. Tahukah anda bahwa suatu penyakit genetik yang disebut porphyria boleh jadi merupakan pemicu munculnya mitos vampir? Porphyria adalah suatu kelainan berupa gangguan pada jalur pembentukan heme, suatu komponen dari hemoglobin yang berperan mengangkut oksigen dalam darah.

Anemia

Kebanyakan individu ini mengidap anemia karena mengalami gangguan sintesis heme (komponen pembentuk hemoglobin). Penyakit ini disebabkan oleh adanya ketidaksempurnaan dalam jalur pembentukan enzim dari glisin menjadi porfirin, menyebabkan over produksi porfirin yang dapat terkumpul di kulit, cairan tubuh, atau feses. Bentuk yang paling umum dari penyakit tersebut adalah acute intermittent porphyria. Kebanyakan individu yang terserang biasanya heterozigot dan biasanya tidak menimbulkan gejala spesifik karena satu single copy dari gen normal mampu menyediakan mekanisme biosintesis yang cukup untuk produksi enzim secara normal.

Istilah porphyria ini diambil dari bahasa Yunani, porphura yang berarti pigmen ungu, disebut demikian karena warna ungu yang muncul pada cairan tubuh pasien ketika terserang. Selain dapat diturunkan secara genetik, penyakit ini bisa dipicu oleh faktor lain seperti penggunaan obat-obatan tertentu, alkohol, kontrasepsi hormon, dan sebagainya. Pada kondisi lingkungan tertentu dan asupan nutrisi tertentu dapat terbentuk δ-aminolevulinate dan porphobilinogen yang menyebabkan gangguan abdominal akut dan disfungsi saraf.

Salah satu bentuk kelainan porphyria adalah dapat membuat kulit menjadi sensitif terhadap sinar matahari, membuatnya rapuh dan mudah rusak. Karakteristik ini dimanfaatkan dalam penelitian pengobatan kanker dimana suatu obat yang diturunkan dari porphyrin disisipkan ke sel kanker, kemudian dipaparkan ke sinar, sehingga membuat melanoma kanker terbakar habis. Bentuk porphyria lain yang jarang terjadi, akan menghasilkan akumulasi uroporphyrinogen I, suatu isomer dari prekursor protoporphyrin. Zat ini menyebabkan urine berwarna merah, membuat gigi sangat mengkilat jika terkena sinar ultraviolet, dan membuat kulit abnormal jika terkena sinar matahari.

Vampir dan Porphyria

Boleh jadi kondisi genetik seperti inilah yang mengawali adanya mitos tentang vampir. Seseorang yang terkena penyakit ini, membutuhkan banyak darah karena dia mengidap anemia dan dia menghisap darah orang lain di malam hari karena pada siang hari kulitnya mungkin bisa melepuh apabila terkena sinar matahari.

Pada Januari 1964, makalah yang membahas porphyria dan etiologi manusia serigala diterbitkan di Proceedings of the Royal Society of Medicine. Lebih lanjut, pada tahun 1985, David Dolphin memublikasikan makalahnya yang berjudul “Porphyria, Vampires and Werewolves : The Aetiology of European Metamorphosis Legends”, yang kemudian menuai beragam kontroversi.

Antara lain karena meski penderita porphyria mendapat terapi injeksi heme, bagaimanapun darah yang diminum (seperti yang dilakukan oleh vampir) akan masuk ke sistem pencernaan dan diuraikan. Polemik lain berkembang yakni pada aspek-aspek seperti sensitifitas terhadap cahaya, dan alergi bawang putih yang ditengarai merupakan bagian-bagian yang ditambahkan oleh industri film pada legenda vampir itu sendiri.

Hidup di tengah-tengah masyarakat yang tak lepas dari pasar-pasar (sangat) tradisional, membuat kita pasti familiar dengan kertas fotokopi sebagai bungkus jajanan, Terutama mahasiswa, kertas fotokopi merupakan bekal sehari-hari yang selalu ada di tas sekolah. Kertas fotokopi yang bagi penjual cabe digunakan sebagai pembungkus cabe, sebagai kantong tempe goreng dan tahu isi bagi tukang gorengan, atau sebagai bahan kuliah bagi mahasiswa, namun di tangan professor Standford University, kertas itu mampu mengasilkan listrik!

kertas fotokopi dengan lapisan nanotubes
kertas fotokopi dengan lapisan nanotubes

Profesor Yi Cui dari Stanford University membuat kertas baterai itu dari kertas fotokopi biasa kemudian dicetak dengan tinta yang terbuat dari carbon nanotubes dan silver nanowires, suatu perangkat nanomaterial. Setelah dilumuri dengan “tinta ajaib” itu, kertas di-oven agar kering dan nanotubes melekat dengan kuat pada struktur selulosa kertas fotokopi. Maka kertas fotokopi tersebut berubah menjadi lapisan konduktiv yang mampu menyimpan energy kinerja tinggi untuk komponen baterai dan superkapasitor yang tahan lama. Kertas superkapasitor itu mampu menjalani 40.000 kali proses isi ulang (charge), lebih tahan lama dibandingkan dengan baterai litium.

Baterai kertas ini mampu menyimpan hingga 7.5 watt-jam/kilogram , jumlah ini lebih kecil dibandingkan jumlah yang biasa disimpan baterai biasa yaitu sekitar 30 watt-jam/kilogram, namun harga nanotubes mulia turun, dan harga kertas fotokopi sangat murah, baterai kertas ini sangat potensial dikembangkan menjadi sumber energy yang sangat murah.

Ternyata semakin lama, inovasi muncul dari ide-ide yang sederhana, kertas yang selama ini kita anggap tak terlalu berharga, dapat berubah menjadi sumber energi yang penting. Bahkan, karena tipis dan fleksibel, baterai kertas ini dapat dibentuk menjadi apa saja, dan efisien di-instal dalam alat apa saja.

Bayangan saya, mungkin baterai kertas ini dapat dijadikan sebagai sampul buku, yang dikaitkan dengan lampu kecil sederhana di tepian sampul buku tersebut, sehingga, ketika listrik mati, para siswa masih bisa belajar dalam kegelapan. Atau pada kasus bencana banjir, dan aliran listrik dipadamkan, anak-anak sekolah masih bisa terus belajar dan membaca menggunakan lampu dan baterai kertasnya.

Tak hanya itu, mungkin baterai kertas ini juga bisa diaplikasikan ke dalam korden rumah atau tenda kemping yang dibuat sedemikian rupa hingga bisa menyala ketika gelap, sehingga dapat digunakan dengan nyaman ketika listrik mati atau tenda bisa digunakan praktis tanpa lampu untuk berkemah.

Referensi :

“A Battery Made With Paper” By Robert F. Service, ScienceNOW Daily News.