Ilmuwan Membujuk Bakteri Untuk Membuat Protein Eksotis yang Tidak Ditemukan Di Alam

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Alam telah menetapkan resep untuk membuat protein.

Kembar tiga huruf DNA diterjemahkan menjadi 20 molekul yang disebut asam amino. Bahan-bahan penyusun dasar ini kemudian dirangkai dengan berbagai cara menjadi rangkaian protein yang memusingkan yang menyusun semua makhluk hidup. Protein membentuk jaringan tubuh, merevitalisasinya ketika rusak, dan mengarahkan proses rumit yang menjaga fungsi dalam tubuh kita tetap berjalan seperti mesin yang diminyaki dengan baik.

Mempelajari struktur dan aktivitas protein dapat menjelaskan penyakit, mendorong pengembangan obat, dan membantu kita memahami proses biologis yang kompleks, seperti proses yang terjadi di otak atau penuaan. Protein juga menjadi penting dalam konteks non-biologis, seperti misalnya dalam pembuatan biofuel ramah iklim.

Namun dengan hanya 20 bahan penyusun molekul, evolusi pada dasarnya membatasi kemampuan protein. Jadi, bagaimana jika kita bisa memperluas kosakata alam?

Dengan merekayasa asam amino baru yang tidak ditemukan di alam dan menggabungkannya ke dalam sel hidup, protein eksotik dapat berbuat lebih banyak. Misalnya, menambahkan asam amino sintetik ke obat berbasis protein—seperti untuk imunoterapi—dapat sedikit mengubah strukturnya sehingga dapat bertahan lebih lama di dalam tubuh dan lebih efektif. Protein baru juga membuka pintu bagi reaksi kimia baru yang mengunyah plastik atau bahan yang lebih mudah terurai dengan sifat berbeda.

Tapi ada masalah. Asam amino eksotik tidak selalu kompatibel dengan mesin sel.

Sebuah studi baru in Alam, yang dipimpin oleh pakar biologi sintetik Dr. Jason Chin di Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology di Cambridge, Inggris, membawa impian tersebut semakin dekat. Dengan menggunakan layar molekuler yang baru dikembangkan, mereka menemukan dan memasukkan empat asam amino eksotik ke dalam protein di dalam sel bakteri. Bakteri ini merupakan favorit industri untuk menghasilkan insulin dan obat-obatan berbasis protein lainnya. Bakteri ini dengan mudah menerima bahan-bahan eksotik tersebut sebagai miliknya.

Semua komponen baru yang ditambahkan berbeda dari komponen alami sel, artinya penambahan tersebut tidak mengganggu fungsi normal sel.

“Merupakan pencapaian besar untuk memasukkan kategori asam amino baru ini ke dalam protein,” Dr. Chang Liu dari Universitas California, Irvine yang tidak menjadi bagian dari penelitian ini, mengatakan Ilmu.

Kebuntuan Sintetis

Menambahkan asam amino eksotik ke dalam makhluk hidup adalah mimpi buruk.

Bayangkan sel tersebut sebagai sebuah kota, dengan beberapa “distrik” yang menjalankan fungsinya masing-masing. Inti atom, berbentuk seperti lubang buah aprikot, menampung cetak biru genetik kita yang terekam dalam DNA. Di luar nukleus, pabrik pembuat protein yang disebut ribosom beroperasi. Sementara itu, pembawa pesan RNA berdengung di antara keduanya seperti kereta berkecepatan tinggi yang mengangkut informasi genetik untuk dijadikan protein.

Seperti DNA, RNA memiliki empat huruf molekul. Setiap kombinasi tiga huruf membentuk “kata” yang mengkode asam amino. Ribosom membaca setiap kata dan memanggil asam amino terkait ke pabrik menggunakan molekul transfer RNA (tRNA) untuk menangkapnya.

Molekul tRNA dibuat khusus untuk mengambil asam amino tertentu dengan sejenis “lem” protein yang sangat spesifik. Setelah dimasukkan ke dalam ribosom, asam amino diambil dari molekul pembawanya dan dijahit menjadi untaian asam amino yang melengkung menjadi bentuk protein yang rumit.

Jelaslah, evolusi telah membentuk sistem canggih dalam pembuatan protein. Tidak mengherankan, menambahkan komponen sintetis tidaklah mudah.

Kembali pada tahun 1980-an, ilmuwan menemukan cara untuk melampirkan asam amino sintetik ke pembawa di dalam tabung reaksi. Baru-baru ini, mereka melakukannya tergabung asam amino yang tidak alami menjadi protein di dalam sel bakteri dengan membajak pabrik di dalamnya tanpa mempengaruhi fungsi sel normal.

Selain bakteri, Chin dan rekannya sebelumnya tRNA yang diretas dan “lem” yang sesuai—disebut tRNA sintetase—untuk menambahkan protein eksotik ke dalam sel otak tikus.

Memperbaiki mesin pembuat protein sel, tanpa merusaknya, memerlukan keseimbangan yang baik. Sel memerlukan pembawa tRNA yang dimodifikasi untuk mengambil asam amino baru dan menyeretnya ke ribosom. Ribosom kemudian harus mengenali asam amino sintetik sebagai miliknya dan menjahitnya menjadi protein fungsional. Jika salah satu langkah gagal, sistem biologis yang direkayasa akan gagal.

Memperluas Kode Genetik

Studi baru ini berfokus pada langkah pertama—merekayasa pembawa yang lebih baik untuk asam amino eksotik.

Tim pertama-tama memutasi gen untuk protein “lem” dan menghasilkan jutaan versi alternatif yang potensial. Masing-masing varian ini berpotensi mengambil blok bangunan yang eksotis.

Untuk mempersempit bidangnya, mereka beralih ke molekul tRNA, pembawa asam amino. Setiap pembawa tRNA ditandai dengan sedikit kode genetik yang dilekatkan pada protein “lem” yang bermutasi seperti kail. Upaya ini menemukan delapan pasangan yang menjanjikan dari jutaan struktur potensial. Layar lain memusatkan perhatian pada sekelompok protein “perekat” yang dapat menempel pada berbagai jenis bahan penyusun protein buatan—termasuk yang sangat berbeda dari yang alami.

Tim kemudian memasukkan gen yang mengkode protein tersebut ke dalamnya Escherichia coli sel bakteri, favorit untuk menguji resep biologi sintetik.

Secara keseluruhan, delapan protein “lem” berhasil memasukkan asam amino eksotik ke dalam mesin pembuat protein alami bakteri. Banyak bahan penyusun sintetis memiliki struktur tulang punggung aneh yang umumnya tidak kompatibel dengan ribosom alami. Namun dengan bantuan rekayasa tRNA dan protein “lem”, ribosom menggabungkan empat asam amino eksotik menjadi protein baru.

Hasilnya “memperluas cakupan kimia dari kode genetik” untuk membuat jenis bahan baru, jelas tim tersebut dalam makalah mereka.

A Whole New World

Para ilmuwan telah menemukan ratusan asam amino eksotik. Model AI seperti AlphaFold atau RoseTTAFold, dan variasinya, kemungkinan besar akan semakin berkembang. Menemukan pembawa dan “merekatkan” protein yang cocok selalu menjadi hambatan.

Studi baru ini menetapkan metode untuk mempercepat pencarian protein perancang baru dengan sifat yang tidak biasa. Untuk saat ini, metode tersebut hanya dapat menggabungkan empat asam amino sintetik. Namun para ilmuwan sudah membayangkan kegunaannya.

Obat protein yang terbuat dari asam amino eksotik ini memiliki bentuk yang berbeda dari asam amino alami, sehingga melindunginya dari pembusukan di dalam tubuh. Artinya obat ini bertahan lebih lama dan mengurangi kebutuhan akan dosis ganda. Sistem serupa dapat menghasilkan bahan-bahan baru seperti plastik biodegradable yang, mirip dengan protein, juga bergantung pada penjahitan masing-masing komponen menjadi satu.

Untuk saat ini, teknologi ini bergantung pada toleransi ribosom terhadap asam amino eksotik—yang tidak dapat diprediksi. Selanjutnya, tim ingin memodifikasi ribosom itu sendiri agar lebih mampu menoleransi asam amino aneh dan pembawanya. Mereka juga berupaya menciptakan bahan mirip protein yang seluruhnya terbuat dari asam amino sintetik, yang dapat meningkatkan fungsi jaringan hidup.

“Jika Anda dapat mengkodekan kumpulan bahan penyusun yang diperluas dengan cara yang sama seperti yang kita lakukan pada protein, maka kita dapat mengubah sel menjadi pabrik hidup untuk sintesis polimer yang dikodekan untuk segala hal mulai dari obat baru hingga bahan,” tersebut Chin dalam wawancara sebelumnya. “Ini adalah bidang yang sangat menarik.”

Gambar Kredit: Institut Nasional Alergi dan Penyakit Menular, Institut Kesehatan Nasional