• LATEST
    • A PHP Error was encountered

      Severity: Notice

      Message: Undefined variable: latest

      Filename: views/_header.php

      Line Number: 48

      A PHP Error was encountered

      Severity: Warning

      Message: Invalid argument supplied for foreach()

      Filename: views/_header.php

      Line Number: 48


Ahli Biologi Sintetik Retas Sensor Bakteri

Ahli biologi sintetik Associate Professor Jeffrey J. Tabor, Sebastian R. Schmidl dan koleganya (2019) asal Department of Bioengineering pada Rice University di Houston, Texas, Amerika Serikat (AS), berhasil meretas sensor-sensor bakteri (bacterial sensing atau bacterial sensors) dengan suatu sistem plug-and-play. Sistem ini dapat mencampur dan mencocokkan (mix-and-match) puluhan ribu input sensor dan output genetik. Penemuan baru ini bakal berdampak luas terhadap diagnosa medis, studi pathogen ganas, pemantauan lingkungan atau bio-sensor baru di bidang medis, industri, dan lingkungan (Science Daily, 20/5/2019).

Selama ini sistem dua-komponen (Two-component systems /TCSs)—mekanisme-mekanisme pokok adaptasi bakteri terhadap lingkungannya--merupakan kelompok terbesar jalur-jalur multi-step signal transduction dan sensor yang sangat berguna bagi biologi sintetik. Namun, sebagian besar TCS sulit dicirikan atau sulit diterapkan dalam berbagai aplikasi. Tantangan utamanya ialah banyak promotor output TCS belum diketahui, tunduk pada cross-regulation, atau diam di dalam sejumlah heterolog (Sebastian R. Schmidl et al (2019).

Dalam proyek riset selama hampir enam tahun itu, ahli biologi sintetik, Jeff Tabor dan rekannya pada Rice University di Amerika Serikat, membuat ribuan percobaan. Targetnya, secara sistematis membangun TCS, sirkuit-sirkuit genetika bakteri guna “menginderai” (sensing) lingkungannya dan memperhatikan atau tunduk kepada sesuatu di dekatnya. Jeff Tabor dan rekannya menyusun-ulang output dari sensor-sensor bakteri yang sudah dikenal dan memindahkan sensor-sensor antara bakteri yang berhubungan jarak-jauh. Hasilnya, tim ahli itu mengidentifikasi fungsi dari satu sensor yang sebelumnya tidak diketahui (Sebastian R. Schmidl et al (2019).

“Based on genomic analyses, we know there are at least 25,000 two-component systems in bacteria. However, for about 99% of them, we have no idea what they sense or what genes they activate in response,” papar Jeffrey J. Tabor, associate professor rekayasa-biologi pada Brown School of Engineering, Rice University, yang memimpin proyek riset ini (Rice University, 20/5/2019).

Hasil riset Sebastian R. Schmidl et al (2019) itu menunjukkan bahwa kedua kelompok terbesar domain pengikat DNA (DNA-binding) regulator respons secara fleksibel dapat dipertukarkan sehingga TCS yang sesuai dapat dikembalikan ke promotor output sintetis. Tim peneliti itu memanfaatkan kekenyalan ini untuk menghilangkan cross-regulation, tidak menghilangkan TCS gram-negatif dalam host gram positif, dan merekayasa sistem dengan aktivasi lebih dari 1.300 kali. Kemudian tim ahli itu menukar domain pengikat DNA untuk menyaring Shewanella oneidensis TCS yang tidak dikarakterisasi dalam Escherichia coli guna menghasilkan suatu sensor pH yang sebelumnya tidak tercirikan.

Penemuan ini dapat mempercepat studi dasar-dasar TCS dan rekayasa satu kelompok besar sensor-sensor yang terkodekan secara genetik dengan beragam aplikasi. Teknologi baru hasil riset ini juga bakal berdampak luas terhadap diagnosa medis, studi pathogen ganas, pemantauan lingkungan atau bio-sensor baru di bidang medis, industri, dan lingkungan.

Pentingnya suatu alat baru yang dapat membuka sistem TCS, diperkuat oleh penemuan tahun 2018 terhadap dua strain bakteri ganas yang resistan terhadap banyak obat. Bakteri ini menggunakan TCS yang tidak diketahui untuk menghindari colistin, antibiotik pilihan terakhir. Dalam hal ini, sensor bakteri telah diasah dan disempurnakan melalui evolusi selama miliaran tahun. Karena itu, kemungkinan penggunaan alat ini dapat melampaui pengobatan (medicine).

“This is nature's greatest treasure trove of biosensors. Based on the exquisite specificity and sensitivity of some of the two-component systems we do understand, it's widely believed bacterial sensors will outperform anything humans can make with today's best technology. Bacteria don't have anything nearly as sophisticated as eyes, ears or a nose, but they travel between very different environments -- like a leaf or an intestine or the soil -- and their survival depends on their ability to sense and adapt to those changes. Two-component systems are how they do that. These are the systems they use to "see" light, "smell" the chemicals around them and "hear" the latest community news, which comes in the form of biochemical tweets broadcast by their neighbors,” papar Associate Professor Jeffrey J. Tabor (Rice University, 20/5/2019).

Bakteri adalah bentuk kehidupan yang paling melimpah, dan sistem dua komponen (TCS) telah muncul di hampir setiap genom bakteri yang telah diurutkan. Sebagian besar spesies memiliki sekitar dua lusin sensor dan beberapa memiliki beberapa ratus sensor. Ada lebih dari setengah lusin kategori TCS; tetapi cara bekerjanya semuanya sama.

TCS memiliki komponen sensor kinase (sensor kinase/SK) yang “mendengar” sinyal dari dunia luar, dan setelah “mendengarnya”, memulai proses fosforilasi. Sensor dan proses itu mengaktifkan komponen kedua, regulator respon (response regulator /RR) yang bekerja pada gen tertentu -- menyalakan atau mematikannya seperti sakelar atau naik atau turun seperti dial. Sedangkan kode genetik komponen mudah dilihat pada pemindaian genomik; misteri ganda itu menyulitkan ahli biologi menentukan apa kerja dan fungsi suatu sistem dua komponen (TCS) (Science Daily, 20/5/2019).

“If you don't know the signal that it senses and you don't know the gene that it acts on, it's really hard. We know either the input or the output of about 1% of two-component systems, and we know both the inputs and outputs for fewer still,” papar Associate Professor Jeffrey J. Tabor (Rice University, 20/5/2019).

Proyek riset itu didanai oleh National Science Foundation, The Office of Naval Research dan The Welch Foundation di Amerika Serikat (AS). Hasil riset itu dirilis oleh jurnal Nature Chemical Biology, 2019 (Sebastian R. Schmidl, Felix Ekness, Katri Sofjan, Kristina N.-M. Daeffler, Kathryn R. Brink, Brian P. Landry, Karl P. Gerhardt, Nikola Dyulgyarov, Ravi U. Sheth, Jeffrey J. Tabor, “Rewiring bacterial two-component systems by modular DNA-binding domain swapping”, Nature Chemical Biology, 2019).

Proyek riset itu melibatkan banyak ahli biologi antara lain Sebastian R. Schmidl, Katri Sofjan Kristina N.-M. Daeffler, Brian P. Landry, Karl P. Gerhardt dan Ravi U. Sheth asal Department of Bioengineering, Rice University, Houston, Texas (Amerika Serikat);  Felix Ekness dan Kathryn R. Brink, keduanya peserta program doktoral pada Systems, Synthetic, and Physical Biology, Rice University, Houston, Texas (Amerika Serikat); Nikola Dyulgyarov asal Department of Chemistry, Rice University, Houston, Texas (Amerika Serikat); dan Associate Professor Jeffrey J. Tabor asal  Department of Bioengineering, Rice University, Houston, Texas (Amerika Serikat) dan Department of Biosciences, Rice University, Houston, Texas (Amerika Serikat).

Biasanya SK adalah protein transmembran, dengan domain penginderaan, semacam antena biokimia, yang menembus melalui membran luar bakteri, yang mirip kantung. Tiap domain sensor dirancang untuk menempel ke molekul sinyal spesifik (ligand). Tiap SK memiliki ligand targetnya sendiri, dan mengikat dengan ligand itulah yang memulai reaksi berantai yang menghidupkan, mematikan, naik atau turun gen. Meskipun tiap TCS dioptimalkan untuk ligand tertentu, cara kerja komponen SK dan RR-nya serupa. Ini adalah dasar pemikiran Jeff tabor, Sebastian Schmidl, dan rekan-rekannya memulai riset dan percobaan sejak 2013. Targetnya, percobaan bertukar domain pengikat DNA (DNA-binding domain), bagian regulator respon yang mengenali DNA dan mengaktifkan jalur gen target.

“If you look at previous structural studies, the DNA-binding domain often looks like cargo that's just hitching a ride from the phosphorylation domain. Because of that, we thought DNA-binding domains might function like interchangeable modules, or Lego blocks,” ungkap Associate Professor Jeffrey J. Tabor (Rice University, 20/5/2019).

Untuk menguji kerangka pemikiran Jeff Tabor tersebut di atas, Sebastian R. Schmidl, yang saat itu tahun 2013 menjadi DFG Postdoctoral Fellow pada tim riset Jeff Tabor, menyusun-ulang komponen dua sensor cahaya yang sebelumnya dikembangkan tim Tabor; yakni satu komponen yang merespons lampu merah dan komponen lainnya merespons hijau. Schmidl mengembalikan input sensor lampu merah ke output sensor lampu hijau pada 39 lokasi berbeda antara domain fosforilasi dan pengikat-DNA (DNA-binding). Untuk melihat apakah satu dari 39 sambungan itu berhasil, Schmidl menstimulasinya dengan lampu merah dan mencari respons lampu hijau.

Uji-coba dari Sebastian R. Schmidl itu bekerja sangat baik sehingga Jeff Tabor dan Schmidl mengulangi tes itu; mula-mula menempel empat domain pengikat-DNA tambahan ke regulator respon yang sama dan kemudian menempelkan lima domain pengikat-DNA ke jalur sensor yang sama. Sebagian besar pertukaran (rewirings) itu bekerja dan menunjukkan pendekatan itu jauh lebih modular daripada pendekatan sebelumnya.

Sejak 2016, Schmidl meninggalkan Rice University dan sekarang menjadi asisten profesor biologi di kampus RELLIS Texas A&M University System di Bryan, Amerika Serikat. Co-lead author Felix Ekness, mahasiswa doktoral program Systems, Synthetic and Physical Biology (SSPB) di Rice University, melanjutkan proyek riset itu, merekayasa lusinan chimera baru dan melakukan ratusan percobaan lagi untuk menunjukkan metode ini dapat digunakan untuk mencampur dan mencocokkan domain pengikat-DNA antara berbagai spesies bakteri dan antara keluarga yang berbeda dari sistem dua komponen (TCS).

Kemudian Kristina Daeffler, mahasiswi post-doctoral dan Kathryn Brink, mahasiswi doktoral pada SSPB, Rice University, mentransplantasi tujuh sistem dua komponen berbeda yang tidak diketahui dari bakteri Shewanella oneidensis ke E. coli. Daeffler dan Brink merekayasa strain E. coli baru untuk tiap sensor yang tidak diketahui, dan menggunakan domain pengikat-DNA untuk menghubungkan semua aktivitasnya dengan ekspresi protein fluoresens hijau.

Daeffler dan Brink peneliti tidak mengetahui input untuk ketujuh; keduanya hanya mengetahui bahwa S. oneidensis ditemukan di sebuah danau di utara New York (Amerika Serikat). Karena itu, mereka memilih 117 bahan kimia berbeda yang mungkin S. oneidensis mendapat manfaat dari penginderaan. Karena tiap bahan kimia harus diuji satu-satu dengan masing-masing mutan dan kelompok kontrol, Brink harus melakukan dan mereplikasi hampir 1.000 percobaan terpisah. Hasilnya, Brink menemukan bahwa salah satu sensor mendeteksi perubahan pH (Science Daily, 20/5/2019).

Pencarian genomik sensor yang baru diidentifikasi itu, menggarisbawahi pentingnya alat penyingkap kunci sistem dua komponen (TCS) yakni Sensor pH muncul dalam beberapa bakteri, termasuk patogen penyebab wabah pes. “This highlights how unlocking the mechanism of two-component systems could help us better understand and hopefully better treat disease as well,” ungkap Associate Professor Jeffrey J. Tabor (Rice University, 20/5/2019).

Oleh: Servas Pandur