Lima tahun lalu, para ilmuwan menciptakan suatu organisme buatan bersel tunggal hanya dengan 473 gen, merupakan sel hidup paling sederhana yang pernah diketahui. Namun, organisme mirip bakteri ini berperilaku aneh saat tumbuh dan membelah, menghasilkan sel dengan bentuk dan ukuran yang sangat berbeda dari biasanya.
Sekarang, para ilmuwan telah mengidentifikasi tujuh gen yang dapat ditambahkan untuk menjinakkan sifat sel-sel yang sulit diatur, sehingga sel tersebut membelah diri dengan rapi menjadi bola-bola yang lebih seragam. Prestasi ini, kolaborasi antara J. Craig Venter Institute, National Institute of Standards and Technology (NIST) dan Massachusetts Institute of Technology Center for Bits and Atoms, dijelaskan dalam jurnal Cell.
Mengidentifikasi gen ini merupakan langkah penting untuk merekayasa sel sintetis yang melakukan hal-hal berguna. Sel-sel seperti itu dapat bertindak sebagai pabrik kecil yang memproduksi obat-obatan, makanan, dan bahan bakar; mendeteksi penyakit dan memproduksi obat untuk mengobati ia akan hidup di dalam tubuh; dan berfungsi sebagai komputer-komputer kecil.
Tetapi untuk merancang dan membangun sel yang melakukan apa yang Anda inginkan, ada baiknya memiliki daftar bagian-bagian penting dan mengetahui bagaimana mereka cocok satu sama lainnya.
“Kami ingin memahami aturan dasar desain dari kehidupan,” kata Elizabeth Strychalski, rekan penulis studi dan pemimpin NIST’s Cellular Engineering Group. “Jika sel ini dapat membantu kita menemukan dan memahami aturan tersebut, maka akan menjadi sesuatu yang menggembirakan.”
Para ilmuwan di JCVI membangun sel pertama dengan genom buatan pada tahun 2010. Mereka tidak membangun sel itu sepenuhnya dari awal. Namun, memulainya dengan sel dari suatu bakteri yang sangat sederhana yang disebut mikoplasma. Mereka menghancurkan DNA di sel-sel itu dan menggantinya dengan DNA yang dirancang di komputer dan disintesis di laboratorium. Ini adalah organisme pertama dalam sejarah kehidupan di Bumi yang memiliki genom yang seluruhnya sintetis. Mereka menyebutnya JCVI-syn1.0.
Sejak itu, para ilmuwan telah bekerja untuk mengupas organisme itu hingga komponen genetik terkecilnya. Sel super sederhana yang mereka buat lima tahun lalu, dijuluki JCVI-syn3.0, mungkin terlalu minimalis. Para peneliti kini telah menambahkan kembali 19 gen pada sel ini, termasuk 7 gen yang dibutuhkan untuk pembelahan sel secara normal, untuk menciptakan varian baru, JCVI-syn3A. Varian ini memiliki kurang dari 500 gen. Sebagai perbandingan, bakteri E. coli yang hidup di usus Anda memiliki sekitar 4.000 gen. Sebuah sel manusia memiliki sekitar 30.000 gen.
Mengidentifikasi 7 gen tambahan tersebut membutuhkan upaya bertahun-tahun yang melelahkan oleh kelompok biologi sintetis JCVI, yang dipimpin oleh rekan penulis John Glass. Penulis pendamping dan ilmuwan JCVI Lijie Sun membangun lusinan galur varian dengan menambahkan dan menghilangkan gen secara sistematis. Dia dan peneliti lainnya kemudian akan mengamati bagaimana perubahan genetik tersebut memengaruhi pertumbuhan dan pembelahan sel.
Peran NIST adalah mengukur perubahan yang dihasilkan di bawah mikroskop. Ini merupakan tantangan karena sel harus hidup untuk dapat diobservasi. Dengan menggunakan sebuah mikroskop yang kuat untuk mengamati sel-sel mati, adalah sesuatu yang relatif mudah. Namun, mencitrakan sel hidup jauh lebih sulit.
Sangat sulit menahan sel-sel ini di bawah mikroskop karena sangat halus dan kecil ukurannya. Seratus gen atau lebih akan muat di dalam satu bakteri E. coli. Sedikit saja kekuatan kecil, dapat menghancurkannya.
Untuk mengatasi masalah ini, Strychalski dan rekan penulis MIT James Pelletier, Andreas Mershin dan Neil Gershenfeld merancang chemostat mikrofluida – semacam akuarium mini – di mana sel-sel dapat tetap hidup di bawah sebuah mikroskop cahaya. Hasilnya adalah video stop-motion yang menunjukkan sel-sel buatan yang tumbuh dan membelah diri.
Video ini menunjukkan sel JCVI-syn3.0 – yang dibuat lima tahun lalu – membelah menjadi berbagai bentuk dan ukuran. Beberapa sel membentuk filamen. Yang lain tampaknya tidak sepenuhnya terpisah dan berbaris seperti manik-manik di tali. Terlepas dari keragamannya, semua sel ini identik secara genetik.
Video ini menunjukkan sel JCVI-Syn3A baru yang membelah menjadi sel dengan bentuk dan ukuran yang lebih seragam.
Video ini dan video lainnya memungkinkan para peneliti untuk mengamati bagaimana manipulasi genetik mereka memengaruhi pertumbuhan dan pembelahan selnya. Jika penghilangan sebuah gen mengganggu proses normal, mereka akan mengembalikannya dan mencoba gen yang lainnya.
“Tujuan kami adalah mengetahui fungsi setiap gen sehingga kami dapat mengembangkan sebuah model lengkap tentang bagaimana suatu sel bekerja,” kata Pelletier.
Tapi tujuan itu belum tercapai. Dari 7 gen yang ditambahkan pada organisme ini untuk pembelahan sel normal, para ilmuwan hanya mengetahui apa yang dilakukan oleh dua gen di antaranya. Sementa peran dan kegunaan lima gen lainnya dalam pembelahan sel, belum diketahui.
“Hidup masih sebuah kotak hitam,” kata Strychalski. Tetapi dengan sel sintetis yang disederhanakan ini, para ilmuwan dapat mengetahui dengan baik apa yang terjadi di dalamnya.