Dengan mata ingin tahu, moncong berbulu, dan bulu yang rimbun, tikus—dijuluki Xiao Zhu, atau Bambu Kecil—dengan gesit bertengger di batang bambu, berpose cantik untuk kamera. Tapi tikus ini tidak ada di alam.
Dibuat di laboratorium di Beijing, Xiao Zhu mendorong batas dari apa yang mungkin untuk rekayasa genetika dan biologi sintetik. Alih-alih menyimpan 20 pasang kromosom seperti biasanya, tikus dan kohort saudaranya hanya memiliki 19 pasang. Dua potongan kromosom yang berbeda secara artifisial digabungkan bersama dalam eksperimen berani yang menanyakan: alih-alih mengubah huruf DNA individu atau beberapa gen, dapatkah kita menyelaraskan kembali buku pedoman genom yang ada, mengacak blok besar materi genetik di sekitar pada waktu yang sama?
Ini adalah ide bulan purnama. Jika genom adalah sebuah buku, pengeditan gen seperti pengeditan salinan—mengubah kesalahan ketik di sana-sini, atau memperbaiki beberapa kesalahan tata bahasa dengan penyesuaian yang ditempatkan dengan hati-hati.
Rekayasa tingkat kromosom adalah binatang yang sama sekali berbeda: ini seperti mengatur ulang beberapa paragraf atau menggeser bagian lengkap dari sebuah artikel dan secara bersamaan berharap perubahan menambah kemampuan yang dapat diteruskan ke generasi berikutnya.
Memprogram ulang kehidupan tidak mudah. Susunan DNA Xiao Zhu dibangun dari huruf genetik yang telah dioptimalkan oleh ribuan tahun tekanan evolusi. Tidak mengherankan bahwa mengutak-atik buku genom yang sudah mapan sering kali menghasilkan kehidupan yang tidak layak. Sejauh ini, hanya ragi yang selamat dari rejiggering kromosom mereka.
Grafik baru studi, diterbitkan dalam Ilmu, memungkinkan teknologi untuk tikus. Tim secara artifisial menyatukan potongan-potongan dari kromosom tikus. Satu pasangan yang menyatu yang terbuat dari kromosom empat dan lima mampu mendukung embrio yang berkembang menjadi tikus yang sehat — jika agak aneh —. Hebatnya, bahkan dengan pergeseran tektonik ke genetika normal mereka, tikus-tikus itu dapat bereproduksi dan mewariskan keunikan genetik rekayasa mereka kepada keturunan generasi kedua.
“Untuk pertama kalinya di dunia, kami telah mencapai penataan ulang kromosom lengkap pada mamalia, membuat terobosan baru dalam biologi sintetik,” tersebut penulis studi Dr. Wei Li di Chinese Academy of Sciences.
Di satu sisi, teknik ini meniru evolusi dengan kecepatan luar biasa. Berdasarkan data yang ada tentang tingkat mutasi, jenis pertukaran genetik yang diperkenalkan di sini umumnya akan memakan waktu jutaan tahun untuk dicapai secara alami.
Studinya tidak sempurna. Beberapa gen pada tikus yang direkayasa secara abnormal disetel ke bawah, menyerupai pola yang biasanya terlihat pada skizofrenia dan autisme. Dan meskipun tikus tumbuh hingga dewasa dan dapat membiakkan anak anjing yang sehat, tingkat kelahirannya jauh lebih rendah daripada rekan-rekan mereka yang tidak direkayasa.
Meski begitu, penelitian ini bersifat tour de force, tersebut ahli biologi evolusi Dr. Harmit Malik di Fred Hutchinson Cancer Center di Seattle, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Kami sekarang memiliki "perangkat yang indah" ini untuk menjawab pertanyaan luar biasa mengenai perubahan genomik dalam skala yang lebih besar, yang berpotensi menjelaskan penyakit kromosom.
Tunggu, Apa Itu Kromosom Lagi?
Pekerjaan ini memanfaatkan buku pedoman genetik lama evolusi untuk membangun spesies baru.
Mari kita kembali. Gen kita dikodekan dalam rantai heliks ganda DNA, yang menyerupai pita yang mengapung di dalam sel. Ini tidak hemat ruang. Solusi alami adalah membungkus setiap rantai di sekitar gulungan protein, seperti irisan prosciutto yang diputar di atas tongkat mozzarella. Liku-liku tambahan mengemas struktur-struktur ini menjadi kepingan-kepingan kecil—manik-manik gambar pada seutas tali—yang kemudian membungkus menjadi kromosom. Di bawah mikroskop, mereka sebagian besar terlihat seperti huruf X.
Setiap spesies membawa sejumlah kromosom. Sel manusia—kecuali sperma dan sel telur—semuanya memiliki 46 kromosom individu yang tersusun dalam 23 pasang, yang diwarisi dari masing-masing orang tua. Tikus lab, sebaliknya, hanya memiliki 20 pasang. Set lengkap kromosom disebut kariotipe, berasal dari kata Yunani "kernel" atau "benih."
Mencampur dan mencocokkan kromosom telah lama menjadi bagian dari evolusi. Menurut perkiraan saat ini, hewan pengerat umumnya mengakumulasikan sekitar 3.5 penataan ulang kromosom setiap juta tahun; beberapa segmen dihapus, yang lain diduplikasi atau diacak. Untuk primata, tingkat perubahannya sekitar setengahnya. Pergeseran di sekitar potongan kromosom mungkin tampak drastis untuk hewan apa pun, tetapi jika memungkinkan, perubahan membuka jalan bagi spesies yang sama sekali berbeda berevolusi. Kromosom dua kita, misalnya, menyatu dari dua kromosom yang terpisah, namun perubahan itu tidak ada pada gorila, sepupu dekat evolusioner kita.
Studi baru bertujuan untuk melakukan yang lebih baik daripada evolusi: menggunakan rekayasa genetika, pertanyaannya, dapatkah kita menyingkat jutaan tahun evolusi menjadi hanya beberapa bulan? Ini bukan hanya untuk keingintahuan ilmiah: penyakit kromosom mendasari beberapa teka-teki medis terberat kita, seperti leukemia masa kanak-kanak. Para ilmuwan sebelumnya telah memicu penataan ulang kromosom menggunakan radiasi, tetapi hasilnya tidak mudah dikontrol, sehingga tidak mungkin bagi hewan untuk melahirkan keturunan baru. Di sini, ahli biologi sintetik mengambil pendekatan yang lebih terarah.
Langkah pertama adalah mencari tahu mengapa kromosom resisten terhadap perubahan besar dalam organisasinya. Ternyata, cegukan besar untuk menukar — atau menggabungkan — potongan kromosom adalah kekhasan biologis yang disebut pencetakan.
Kami menerima kromosom dari kedua orang tua, dengan setiap set berisi gen yang sama. Namun, hanya satu set yang diaktifkan. Bagaimana proses pencetakan bekerja tetap misterius, tetapi kita tahu bahwa itu membatasi kemampuan sel-sel embrionik untuk berkembang menjadi beberapa jenis sel dewasa dan membatasi potensi mereka untuk rekayasa genetika.
Kembali di 2018, tim yang sama menemukan bahwa menghapus tiga gen dapat menggantikan program biokimia pencetakan dalam sel induk. Di sini, mereka menggunakan sel induk yang “tidak terkunci” ini untuk secara genetik menambal dua pasangan kromosom.
Mereka pertama-tama mengarahkan pandangan mereka pada kromosom satu dan dua, dua terbesar dalam genom tikus. Menggunakan CRISPR, tim memotong kromosom, memungkinkan mereka untuk menukar potongan genetik dan membentuk kembali menjadi konstruksi genetik yang stabil. Sel-sel yang menyimpan perubahan kromosom kemudian disuntikkan ke dalam oosit—sel telur. Embrio yang dihasilkan ditransplantasikan ke tikus betina pengganti untuk lebih matang.
Pertukaran itu mematikan. Kromosom buatan, dengan kromosom dua diikuti oleh kromosom satu, atau 2+1, membunuh janin yang sedang berkembang hanya 12 hari setelah pembuahan. Dua kromosom yang sama menyatu dalam arah yang berlawanan, 1+2, lebih beruntung, menghasilkan anak-anak anjing hidup dengan hanya 19 pasang kromosom. Bayi tikus berukuran besar secara tidak normal, dan dalam beberapa tes tampak lebih cemas daripada teman sebayanya yang normal.
Eksperimen fusi kromosom kedua bernasib lebih baik. Kromosom 4 dan 5 berukuran jauh lebih kecil, dan embrio yang dihasilkan—dijuluki 4+5—berkembang menjadi anak tikus yang sehat. Meskipun juga tidak memiliki pasangan kromosom, mereka tampak sangat normal: mereka tidak cemas, memiliki berat badan rata-rata, dan ketika dewasa, melahirkan anak anjing yang juga tidak memiliki sepasang kromosom.
Dengan kata lain, tim merekayasa kariotipe baru pada spesies mamalia yang dapat diturunkan dari generasi ke generasi.
Dunia Biologi Sintetis yang Baru?
Bagi Malik, ini semua tentang skala. Dengan mengatasi masalah pencetakan, "dunia adalah tiram mereka sejauh rekayasa genetika," dia tersebut untuk Scientist.
Tujuan tim berikutnya adalah menggunakan teknologi untuk memecahkan penyakit kromosom yang sulit daripada merancang spesies mutan. Evolusi buatan hampir tidak ada. Tetapi penelitian ini menunjukkan kemampuan beradaptasi yang mengejutkan dari genom mamalia.
“Salah satu tujuan dalam biologi sintetik adalah untuk menghasilkan kehidupan multiseluler yang kompleks dengan rangkaian DNA yang dirancang,” tulis para penulis. “Mampu memanipulasi DNA dalam skala besar, termasuk pada tingkat kromosom, merupakan langkah penting menuju tujuan ini.”
Kredit Gambar: Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok
