Cetak biru genetik manusia tampaknya sederhana. Gen kita terikat erat ke dalam 46 struktur berbentuk X yang disebut kromosom. Dibuat melalui evolusi, mereka membawa DNA dan bereplikasi ketika sel membelah, memastikan stabilitas genom kita dari generasi ke generasi.

Pada tahun 1997, sebuah penelitian menghancurkan pedoman evolusi. Untuk pertama kalinya, sebuah tim menciptakan kromosom manusia buatan menggunakan rekayasa genetika. Ketika dimasukkan ke dalam sel manusia dalam cawan petri, kromosom buatan berperilaku seperti kromosom alami. Ini direplikasi saat sel membelah, menghasilkan sel manusia dengan 47 kromosom.

Yakinlah, tujuannya bukan untuk mengembangkan spesies kita secara artifisial. Sebaliknya, kromosom buatan dapat digunakan untuk membawa sejumlah besar materi genetik manusia atau alat pengeditan gen ke dalam sel. Dibandingkan dengan sistem pengiriman saat ini—pembawa virus atau nanopartikel—kromosom buatan dapat menggabungkan lebih banyak DNA sintetik.

Secara teori, mereka dapat dirancang untuk menyalurkan gen terapeutik ke orang-orang dengan kelainan genetik atau menambahkan gen pelindung terhadap kanker.

Namun meskipun telah dilakukan penelitian selama lebih dari dua dekade, teknologi ini belum memasuki pasar umum. Salah satu tantangannya adalah segmen DNA pendek yang bertautan untuk membentuk kromosom saling menempel ketika berada di dalam sel, sehingga sulit untuk memprediksi bagaimana gen akan berperilaku.

Bulan ini, sebuah studi baru dari University of Pennsylvania mengubah resep berusia 25 tahun dan membangun generasi baru kromosom buatan. Dibandingkan dengan pendahulunya, kromosom baru lebih mudah untuk direkayasa dan menggunakan segmen DNA yang lebih panjang sehingga tidak menggumpal saat berada di dalam sel. Mereka juga merupakan pembawa yang besar, yang secara teori dapat memindahkan materi genetik kira-kira seukuran kromosom ragi terbesar ke dalam sel manusia.

“Pada dasarnya, kami melakukan perombakan total terhadap pendekatan lama terhadap desain dan pengiriman HAC [kromosom buatan manusia],” penulis studi Dr. Ben Black tersebut dalam siaran pers.

“Pekerjaan ini kemungkinan akan menghidupkan kembali upaya untuk merekayasa kromosom buatan pada hewan dan tumbuhan,” menulis R. Kelly Dawe dari Universitas Georgia, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Bentuk Anda

Sejak tahun 1997, genom buatan telah menjadi bioteknologi yang mapan. Mereka telah digunakan untuk menulis ulang DNA pada bakteri, ragi, dan tumbuhan, menghasilkan sel yang dapat mensintesis obat-obatan yang menyelamatkan jiwa atau makan plastik. Mereka juga dapat membantu para ilmuwan lebih memahami fungsi rangkaian DNA misterius yang tersebar di seluruh genom kita.

Teknologi ini juga menghasilkan organisme sintetik pertama. Pada akhir tahun 2023, para ilmuwan mengungkapkan sel-sel ragi dengan separuh gen mereka digantikan oleh DNA buatan—tim tersebut berharap pada akhirnya dapat menyesuaikan setiap kromosom. Awal tahun ini, studi lain mengerjakan ulang bagian-bagian kromosom tumbuhan, yang selanjutnya mendorong batas-batas organisme sintetik.

Dan dengan mengutak-atik struktur kromosom—misalnya, memotong bagian yang dianggap tidak berguna—kita dapat lebih memahami bagaimana kromosom berfungsi secara normal, yang berpotensi mengarah pada pengobatan penyakit.

Tujuan pembuatan kromosom buatan manusia bukanlah untuk merekayasa sel manusia sintetik. Sebaliknya, penelitian ini dimaksudkan untuk memajukan terapi gen. Metode saat ini untuk membawa gen terapeutik atau alat pengeditan gen ke dalam sel bergantung pada virus atau nanopartikel. Namun kapal pengangkut ini memiliki kapasitas kargo yang terbatas.

Jika kendaraan pengiriman saat ini seperti perahu layar, maka kromosom manusia buatan seperti kapal kargo, dengan kapasitas untuk membawa gen yang jauh lebih besar dan lebih luas.

Masalah? Mereka sulit untuk dibangun. Berbeda dengan kromosom bakteri atau ragi, yang bentuknya melingkar, kromosom kita seperti huruf “X”. Di tengah masing-masing terdapat pusat protein yang disebut sentromer yang memungkinkan kromosom untuk memisahkan dan bereplikasi ketika sel membelah.

Di satu sisi, sentromer itu seperti sebuah tombol yang menjaga agar potongan-potongan kain yang berjumbai—lengan kromosom—tetap utuh. Upaya sebelumnya untuk membangun kromosom buatan manusia berfokus pada struktur ini, mengekstraksi huruf DNA yang dapat mengekspresikan protein di dalam sel manusia untuk mengikat kromosom. Namun, rangkaian DNA ini dengan cepat menempel seperti pita dua sisi, berakhir dengan bola yang menyulitkan sel untuk mengakses gen tambahan.

Salah satu alasannya mungkin karena urutan DNA sintetik terlalu pendek, sehingga komponen mini-kromosom tidak dapat diandalkan. Studi baru ini menguji gagasan tersebut dengan merekayasa perakitan kromosom manusia yang jauh lebih besar dibandingkan sebelumnya.

Delapan Adalah Angka Keberuntungan

Daripada kromosom berbentuk X, tim merancang kromosom buatan manusia sebagai lingkaran, yang kompatibel dengan replikasi dalam ragi. Lingkaran itu berisi 760,000 pasangan huruf DNA—kira-kira 1/200 ukuran keseluruhan kromosom manusia.

Di dalam lingkaran tersebut terdapat instruksi genetik untuk membuat sentromer yang lebih kuat—sebuah “tombol” yang menjaga struktur kromosom tetap utuh dan dapat membuatnya bereplikasi. Setelah diekspresikan di dalam sel ragi, tombol tersebut merekrut mesin molekuler ragi untuk membangun kromosom buatan manusia yang sehat.

Dalam bentuk lingkaran awalnya pada sel ragi, kromosom manusia sintetik kemudian dapat langsung dimasukkan ke dalam sel manusia melalui proses yang disebut fusi sel. Para ilmuwan menghilangkan “pembungkus” di sekitar sel ragi dengan perawatan kimia, sehingga komponen sel—termasuk kromosom buatan—bergabung langsung ke dalam sel manusia di dalam cawan petri.

Seperti makhluk luar angkasa yang baik hati, kromosom sintetik yang ditambahkan dengan senang hati berintegrasi ke dalam sel inang manusia. Alih-alih menggumpal menjadi puing-puing berbahaya, lingkaran-lingkaran itu malah berlipat ganda menjadi bentuk angka delapan, dengan sentromer yang menyatukan lingkaran-lingkaran itu. Kromosom buatan dengan senang hati hidup berdampingan dengan kromosom asli berbentuk X, tanpa mengubah fungsi normalnya.

Untuk terapi gen, gen tambahan apa pun harus tetap berada di dalam tubuh bahkan saat sel membelah. Manfaat ini sangat penting terutama bagi sel yang membelah dengan cepat seperti kanker, yang dapat beradaptasi dengan cepat terhadap terapi. Jika kromosom sintetik mengandung gen penekan kanker, hal ini dapat mengendalikan kanker dan penyakit lainnya dari generasi ke generasi.

Kromosom manusia buatan lulus ujian. Mereka merekrut protein dari sel inang manusia untuk membantu mereka menyebar saat sel membelah, sehingga melestarikan gen buatan dari generasi ke generasi.

Sebuah Kebangkitan

Banyak yang telah berubah sejak kromosom buatan manusia pertama kali ditemukan.

Alat pengeditan gen, seperti CRISPR, telah mempermudah penulisan ulang cetak biru genetik kita. Mekanisme pengiriman yang menargetkan organ atau jaringan tertentu sedang meningkat. Namun kromosom sintetik mungkin kembali mendapat sorotan.

Berbeda dengan pembawa virus, yang merupakan alat pengantar yang paling sering digunakan untuk terapi gen atau editor gen, kromosom buatan tidak dapat masuk ke dalam genom kita dan mengganggu ekspresi gen normal sehingga berpotensi jauh lebih aman.

Namun teknologi ini memiliki kelemahan. Kromosom yang direkayasa masih sering hilang saat sel membelah. Gen sintetik yang ditempatkan di dekat sentromer—”tombol” kromosom—juga dapat mengganggu kemampuan kromosom buatan untuk bereplikasi dan memisahkan diri ketika sel membelah.

Namun bagi Dawe, penelitian ini memiliki implikasi yang lebih besar dibandingkan sel manusia saja. Prinsip-prinsip rekayasa ulang sentromer yang ditunjukkan dalam penelitian ini dapat digunakan untuk ragi dan berpotensi “dapat diterapkan di seluruh kingdom” organisme hidup.

Metode ini dapat membantu para ilmuwan memodelkan penyakit manusia dengan lebih baik atau memproduksi obat dan vaksin. Secara lebih luas, “Ada kemungkinan untuk memasukkan kromosom buatan sebagai bagian dari perluasan perangkat untuk mengatasi tantangan global yang berkaitan dengan layanan kesehatan, peternakan, dan produksi pangan dan serat,” tulisnya.

Gambar Kredit: Warren Umoh / Unsplash

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/