Para peneliti telah mengembangkan teknik baru untuk melindungi sirkuit gen sintetik yang rumit dari gangguan yang disebabkan oleh pertumbuhan sel, sebuah tantangan umum dalam rekayasa genetika. Pendekatan ini memanfaatkan proses alami yang disebut pemisahan fase cair-cair untuk menciptakan kompartemen pelindung kecil di dalam sel, menjaga modifikasi rekayasa, dan memastikan fungsi program genetik sintetik yang konsisten.
Masalah: Pengenceran dan Kegagalan Sirkuit
Ketika para insinyur genetika merancang dan merakit sirkuit gen sintetik untuk memprogram sel dengan fungsi baru, masalah kritis muncul ketika sel tumbuh dan membelah. Molekul pemberi sinyal utama—komponen penting dari sirkuit ini—dapat menjadi encer, menyebabkan ketidakstabilan dan pada akhirnya menyebabkan program sintetik gagal. Pengenceran ini mencegah sirkuit mempertahankan perilaku terprogramnya.
Solusi yang Terinspirasi oleh Alam
Xiaojun Tian, seorang profesor di Fakultas Teknik Sistem Biologi dan Kesehatan Arizona State University, dan timnya telah menemukan solusi yang meniru strategi organisasi yang dimiliki alam. Dengan merekayasa sel untuk membentuk kompartemen kecil seperti tetesan, yang dikenal sebagai kondensat transkripsional, di sekitar gen-gen utama, mereka secara efektif melindungi gen-gen ini dari efek-efek mengganggu pertumbuhan sel.
Cara Kerja Pemisahan Fase Cair-Cair
Sel secara alami menggunakan pemisahan fase cair-cair untuk mengatur lingkungan internalnya, menciptakan kompartemen untuk reaksi biokimia penting tanpa memerlukan membran. Tim menyadari potensi memanfaatkan proses ini untuk melindungi sirkuit gen sintetis. Tetesan mikroskopis ini bertindak sebagai “zona aman”, mencegah molekul-molekul penting tersapu seiring pertumbuhan sel.
“Saat kita mencoba memprogram sel untuk melakukan tugas-tugas yang berguna, seperti diagnostik atau produksi terapeutik, program genetik sering kali gagal karena pertumbuhan sel melemahkan molekul kunci yang diperlukan agar sel tetap berjalan,” jelas Tian. “Kami mengatasi tantangan ini dengan memanfaatkan strategi pemisahan fase sel untuk melindungi sistem rekayasa.”
Pergeseran Pendekatan Biologi Sintetis
Secara tradisional, biologi sintetik berfokus pada manipulasi rangkaian DNA atau putaran umpan balik regulasi untuk mempertahankan fungsionalitas sistem yang direkayasa. Tim Tian telah memperkenalkan prinsip desain berbasis fisik yang berbeda yang bekerja dengan organisasi molekul yang ada di dalam sel.
“Kami menemukan bahwa dengan membentuk tetesan kecil yang disebut kondensat transkripsional di sekitar gen, kita dapat melindungi program genetika dan menjaganya tetap stabil bahkan ketika sel tumbuh,” tambah Wenwei Zheng, seorang profesor kimia. “Ini adalah solusi fisik sederhana yang mencegah pengenceran dan menjaga sirkuit tetap berjalan dengan andal.”
Bukti Visual: Aksi Tetesan
Gambar mikroskopis dari penelitian ini menunjukkan kelompok kondensat transkripsional yang terang dan bersinar di dalam sel, memberikan konfirmasi visual bahwa tetesan ini dapat terbentuk tepat di tempat yang diperlukan untuk menstabilkan aktivitas gen.
Keahlian Kolaboratif Mendorong Inovasi
Terobosan ini merupakan hasil upaya interdisipliner, yang memanfaatkan keahlian biologi sintetik, pemodelan, dan rekayasa metabolisme. Proyek ini didukung oleh David Nielsen, seorang profesor teknik kimia, yang menekankan penerapan praktis dari temuan ini: “Sangat menarik untuk melihat bagaimana tetesan ini dapat digunakan untuk meningkatkan hasil bioproduksi.”
Penerapan dan Potensi Masa Depan
Para peneliti melihat potensi besar dari teknik ini. Kelompok Tian sedang mengerjakan rekayasa berbagai jenis kondensat untuk mengendalikan gen tertentu, menciptakan apa yang mereka gambarkan sebagai “sel pintar” yang dapat beradaptasi dan berfungsi dalam jangka panjang.
“Para peneliti di bidang biologi sintetik yang berjuang dengan sirkuit yang tidak stabil akan melihat ini sebagai cara baru untuk membuat sistem mereka lebih andal,” kata Zheng. “Insinyur bioproses yang menginginkan hasil yang konsisten juga dapat menggunakannya. Bagi ahli biofisika seperti saya, sangat menarik melihat prinsip-prinsip fisik seperti pemisahan fase diubah menjadi alat rekayasa praktis.”
Karya ini mencerminkan perubahan signifikan dalam biologi sintetik. Dengan memanfaatkan prinsip pengorganisasian sel secara alami, para peneliti dapat menciptakan sistem yang kuat dan stabil, membuka jalan baru bagi pabrik sel yang stabil dan aplikasi medis di masa depan. Langkah selanjutnya adalah mendemonstrasikan penerapan teknik ini pada penerapan yang lebih beragam untuk menilai ketahanan dan skalabilitas, meskipun potensi penerapan yang lebih luas dianggap tinggi.
