Menyelidiki Asal Usul Sklerosis Multipel

Para ilmuwan Max Planck Institute of Neurobiology bersama dengan sebuah tim riset internasional lainnya telah menemukan titik terang yang dapat menjelaskan penyebab kemunculan dan perkembangan sklerosis multipel (MS) di dalam tubuh. Dari penelitian terbaru mereka, dilaporkan adanya peranan sel B dalam perkembangan spontan penyakit tersebut. Selain itu, sel-sel T yang agresif dalam sklerosis ternyata diaktivasi oleh beberapa macam protein. Untuk lebih memahami fenomena ini, mereka melakukan simulasi terhadap hewan percobaan yang memiliki pola infeksi MS serupa dengan manusia.

MS telah lama dikenal sebagai suatu masalah besar bagi dokter dan pasien. Penyakit inflamasi sistem saraf pusat ini sangat umum terjadi di wilayah Amerika bagian utara, dan biasanya menyerang individu-individu usia muda. Beberapa pasien dapat mengalami cacat yang permanen akibat MS. Oleh karena itu, penelitian mengenai MS telah dilakukan secara konsisten selama bertahun-tahun, tetapi selama ini belum ada yang berhasil mengungkap mekanisme perkembangannya.

Sebenarnya ada banyak bukti yang mendukung teori bahwa MS distimulasi oleh reaksi autoimun, atau bekerjanya sistem imunitas menjadi senjata makan tuan bagi tubuh manusia itu sendiri, khususnya pada bagian otak. Pengobatan dan terapi yang tersedia bagi pasien dapat menekan efek negatif dari sel-sel imun, serta memperlambat pekembangan penyakit tersebut. Meskipun demikan, survei membuktikan bahwa semakin efektif pengobatan yang digunakan, maka efek sampingnya pun akan semakin besar. Hal inilah yang mendesak para peneliti biomedis untuk mengembangkan obat baru yang dapat membedakan sel-sel imun target dengan sel imun lainnya yang tidak terlibat. Proses tersebut membutuhkan pemahaman yang lebih dalam mengenai MS itu sendiri.

Setelah dijalani, ternyata riset MS tidak semudah teorinya. Masalah ini terletak pada pusat infeksi penyakit ini yang berada di sel-sel otak yang sangat sensitif sehingga hampir mustahil untuk diobservasi tanpa membahayakan keselamatan pasien. Oleh karenanya, studi MS sangat tergantung pada permodelan menggunakan hewan laboratorium, seperti yang dilakukan oleh tim Max Planck dkk. Tikus-tikus biakan mereka menunjukkan pola perkembangan MS yang identik dengan manusia. Permodelan terbaru ini juga menampilkan perkembangan penyakit yang spontan dengan adanya injeksi berisi jaringan otak. Sampai tahap ini, mereka menemukan bahwa dibutuhkan sel imun yang lebih banyak dari dugaan semula untuk menimbulkan reaksi spontan tersebut.

Sejauh peranan sel T dan sel B dalam perkembangan MS, hasil studi sebelumnya gagal untuk menjelaskan peranan dari sel B.. Permodelan MS pada tikus mengungkapkan bahwa sel T akan lebih aktif dalam mengatasi infeksi, sementara sel B sifatnya hanya sebagai subordinat. Selanjutnya, sel T akan menyerang jaringan otak, namun hal ini saja belum cukup untuk menimbulkan penyakit. Tikus-tikus tersebut tetap sehat bahkan setelah sel-sel B mereka diambil. Eksperimen ini menunjukkan adanya suatu interaksi antara sel B dangan sel T yang menyebabkan berkembangnya MS di dalam tubuh.

Fakta mengejutkan lainnya adalah ketidaklaziman dalam pola serangan sel-sel T. Biasanya, sel-sel T yang autoreaktif akan mengenali dan menyerang protein MOG yang terdapat pada permukaan sel-sel otak. Ternyata tikus-tikus yang tidak memiliki MOG pun dapat diserang oleh sel T. Dalam hal ini, tim ilmuwan tersebut menyimpulkan bahwa sel-sel T yang mengenali protein MOG juga dapat bereaksi dengan protein lain di dalam otak.

Kemungkinan fakta inilah yang menyebabkan tingginya tingkat keagresifan sel-sel T pada pasien MS. Langkah selanjutnya yang saat ini sedang dilaksanakan adalah mengidentifikasi sel-sel T yang ’spesial’ tersebut di dalam tubuh. Mereka berharap hasilnya kelak dapat menjadi basis dari pengembangan obat MS yang lebih efektif dan aman.

Selengkapnya...

Kemajuan Neuroscience Membuka Kemungkinan Edit Memori

Neuroscience, sebuah cabang biokimia yang mulai naik daun, kini menjadi magnet bagi miliaran dana riset tiap tahunnya. National Institutes of Health tahun lalu menghabiskan $5,2 miliar, atau mendekati 20% dari total dana yang mereka miliki untuk membiayai proyek-proyek yang terkait dengan studi otak dan memori.

Jadi apa sebenarnya inti dari neuroscience? Tidak lain adalah untuk mencari tahu bagaimana sebenarnya sekelompok jaringan atau molekul dapat menyimpan sesuatu yang ‘abstrak’, seperti ingatan, kenangan masa lalu, hal-hal yang disukai dan dibenci oleh seseorang, serta emosi. Ide mengenai ingatan yang membekas di otak telah diungkapkan dalam Plato’s Theaetetus (dialog-dialog Plato mengenai asal usul ilmu pengetahuan) dengan analogi ingatan bagai stempel lilin. Pada tahun 1904, akademisi Jerman, Richard Semon, mengistilahkan substansi penyimpan memori sebagai ‘engram’.

Pada dasarnya, engram adalah sel-sel otak yang diaktivasi oleh suatu pengalaman, sama seperti sel-sel T dalam sistem imunitas spesifik. Dengan pengalaman tersebut, sel-sel otak yang telah teraktivasi akan segera bersikap waspada akan pengalaman serupa. Sel-sel ini juga berkoordinasi dengan sekelompok sel-sel lainnya sehingga pengalaman tersebut dapat terekam dengan detil, mulai dari rasa, suara, visualisasi, serta aroma. Ingatan yang tersimpan dalam otak akan lebih efektif dan kuat melalui kerja sama yang solid antara sel-sel tersebut.

Pada tahun 1999, dalam jurnal Nature Neuroscience, Dr. Jeff W. Lichtman dan Joshua R. Sanes dari Harvard mencatat sebanyak 117 molekul yang berperan dalam pembentukan hubungan antarsel untuk menyimpan ingatan. Proses penyimpanan tersebut dinamakan potensiasi jangka panjang. Namun, kedua peneliti menyimpulkan bahwa tidak ada satupun dari seluruh molekul ini yang berperan dalam pembentukan ingatan itu sendiri.

Setelah membaca laporan tersebut, Dr. Sacktor dari Brooklyn mencoba untuk fokus pada suatu molekul yang dinamakan PKMzeta. Ia dan rekan-rekannya menemukan bahwa molekul ini hadir dan diaktivasi di dalam sel tepat pada saat sel tersebut dihubungi oleh neuron. Bahkan, PKMzeta akan membentuk suatu kumpulan yang permanen di dalam sel, seperti sentriol.

Temuan ini dibawa oleh Dr. Sacktor pada rekannya, Dr. Fenton, seorang peneliti ingatan spasial pada tikus dan mencit. Dr. Fenton mencoba sebuah obat bernama ZIP yang dapat menghalangi kerja PKMzeta. Setelah serangkaian eksperimen yang diwarnai trial and error, serta dengan bantuan dari konsorsium peneliti memori, muncullah sebuah titik terang. Yadin Dudai dan timnya dari Weizmann Institute of Science di Israel menemukan bahwa satu dosis ZIP mampu membuat tikus eksperimen lupa akan rasa tidak enak pada makanan yang mereka cicipi tiga bulan sebelumnya. Sejauh ini, riset mereka baru diujicobakan pada hewan. Meski demikian, mereka yakin bahwa hasil yang sama dapat dicapai juga pada manusia.

Meski mendapat sambutan yang sangat hangat dari ahli neuroscience, hasil penelitian ini memicu perdebatan bioetika. Pepatah yang berbunyi: “Pengalaman adalah guru terbaik” menjadi argumentasi dari proses edit ingatan. Hal ini ditekankan pada orang-orang yang memiliki catatan kejahatan. Jika ingatan mereka mengenai kejahatan mereka dihapus, apa gunanya diterapkan sistem hukum? Tetapi sama dengan ilmu biokimia lainnya, pro dan kontra tersebut justru menjadi publikasi tersendiri bagi neuroscience. Para ilmuwan berharap dapat ditemukan jalan tengah dari masalah ini karena dibalik segala isu etika, neuroscience juga berpotensi untuk menyelamatkan begitu banyak nyawa.

Selengkapnya...

Kekurangan Gizi di Otak secara perlahan akan memicu Alzheimer

Kekurangan gizi pada otak dalam jangka panjang adalah satu dari faktor biokimia yang menyebabkan beberapa bentuk Alzhemier, demikia menurut kajian baru yang bertujuan untuk memecahkankan misteri dari asal-usul penyakit tersebut.

Penyakit tersebut akan dimulai pada umur 60, dan resiko meningkat dengan umur. Robert Vassar dari Universitas Northwestern, pengarang utama kajian, menemukan bahwa ketika otak tidak memiliki cukup glukosa, yang bisa terjadi ketika penyakit kardiovaskular membatasi aliran darah dari arteri ke otak. Ini adalah proses yang akan menstimulasi produksi agregat protein yang berpotensi menjadi penyebab Alzheimer.

Setelah bekerja dengan otak manusia dan tikus, Vassar menemukan bahwa protein utama di otak terganggu ketika pasokan energi ke otak berkurang. Protein tersebut, yang disebut sebagai eIF2alpha, meningkatkan produksi enzim, yang pada akhirnya meproduksi agregat protein. ‘Penemuan ini signifikan, sebab ia menganjurkan bahwa meningkatkan aliran darah ke otak dapat menjadi pendekatan terapetik efektif untuk mencegah dan merawat Alzheimer’, Demikian kata Vassar.

Cara terbaik untuk meningkatkan aliran darah ke otak, dan mengurangi resiko untuk terkena alzheimer adalah mengurangi asupan kolestrol, mengatur tekanan darah tinggi, dan olah raga, terutama pada usia paruh baya. ‘Jika dimulai dari sejak awal, maka penyakit ini dapat dihindari.’ kata Vassar. Untuk orang yang sudah mendapatkan gejala, vasodilator (pelebaran pembuluh darah), dapat meningkatkan asupan oksigen dan glukosa ke otak, demikian tambahan dari dia. Kajian ini sudah dipublikasi pada jurnal Neuron.

Kontrol apa yang dimakan

Ketika berbicara pencegahan Alzheimer, memakan permen bukanlah solusi untuk meningkatkan aliran glukosa darah ke otak, demikian kata Vassar. Berkurangnya aliran darah ke otak terjadi dengan berjalannya proses penuaan, dan secara perlahan menyebabkan otak kekurangan glukosa. Ini adalah fenomena penuaan secara umum, kata Vassar. Juga, penurunan aliran darah diasosiasikan dengan atherosclerosis, atau pengerasan arteri, dan hipertensi, juga tekanan darah tinggi.

‘Kita harus meningkatkan kesehatan kardiovaskular, bukan mengasup gula berlebihan’, kata Vassar. ‘Apa yang didapat dari kajian epidemiologi adalah olah raga saat paruh baya adalah salah satu strategi pencegahan terbaik terhadap penyakit Alzheimer, maka orang harus tetap aktif secara fisik, dan mereka harus menjaga diet dan mengurangi asupan kolestrol, sebab kolestrol berkontribusi pada artherosclerosis’. Menurut Vassar, adalah mungkin mendesain obat untuk memblok protein elF2alfa yang memulai formasi agregat protein, yang dinamakan plak amiloid.

Penemuan awal

Sepuluh tahun yang lalu, Vassar menemukan enzim, BACE1, yang bertanggung jawab untuk membuat agregat protein lengket yang terbentuk diluar neuron, dan mengganggu kemampuan mereka untuk mengirim pesan. Namun penyebab tingginya tingkat protein pada orang dengan penyakit tersebut sama sekali tidak diketahui. Kajian Vassar yang terbaru juga menunjukkan bahwa kekurangan energi di otak dapat memacu proses pembentukan plak di Alzheimer. Vassar berkata bahwa kerjaan dia menunjukkan bahwa penyakit Alzheimer dapat diakibatkan dari beberapa tipe kekurangan energi yang terjadi pada stroke. Sel otak bereaksi dengan meningkatkan BACE1, yang dapat menjadi respon protektif jangka pendek, namun merusak di jangka panjang.

“Stroke adalah penahan yang mencegah aliran darah dan memproduksi kematian sel pada saat yang akut dan dramatis”, kata Vassar. “Apa yang kita bicarakan disini adalah proses lamban yang terjadi bertahun-tahun, dimana orang memiliki kecenderungan rendah terhadap penyakit kardiovaskular atau artherosclerosisi. Ia sangat tidak terasa, namun memiliki efek jangka panjang, sebab ia memproduksi reduksi kronis pada aliran darah.’ Vassar juga menekankan, bahwa jika orang sudah mencapai umur tertentu, sebagian akan mendapatkan peningkatan level enzim yang menyebabkan plak tersebut.

Selengkapnya...

Dentigerumycin: Senyawa Antibiotik mediator dari Simbiosis antara Semut, Bakteri dan Parasit Fungi

Mendengar kata simbiosis, pasti kita akan mengingat materi pelajaran Biologi pada saat SMP dulu. Secara umum simbiosis didefinisikan sebagai interaksi antara dua spesies/organisme berbeda, dan dapat dikategorikan menjadi tiga bagian, yaitu mutualisme (interaksi saling menguntungkan), komensalisme (interaksi satu organisme diuntungkan dan yang lainnya tidak terpengaruhi), dan parasitisme (interaksi yang saling merugikan). Dalam tulisan ini akan dibahas mengenai hubungan saling menguntungkan atau mutualisme sebagai bentuk pertahanan terhadap parasit.

Mutualisme atau hubungan saling menguntungkan antara dua spesies adalah fenomena yang paling menarik jika ditinjau secara kimia organik. Salah satu fenomena yang telah diamati adalah hubungan antara koloni semut Apterostigma dentigerum yang dikoleksi dari Gamboa, Panama dan bakteri Pseudonocardia sp. Semut yang dikoleksi di Panama ini, menghasilkan senyawa antibiotik depsipeptida, dentigerumycin sebagai bentuk pertahanan terhadap fungi parasit (Escovopsis sp.) yang juga menempel pada tubuhnya.

Pada permukaan tubuh semut A. dentigerum diperoleh bakteri Pseudonocardia sp. dan fungi parasit Escovopsis sp. Penumbuhan (cultivation) Pseudonocardia sp pada medium bakteri yang sesuai menghasilkan bahan ekstrak penghasil senyawa antibiotik sebagai komponen utama. Dengan metode kromatografi, dentigerumycin diperoleh sebagai bubuk putih, senyawa optis aktif [α]D24 -15°.

Dentigerumycin, dinamai setelah nama koloni semut A. dentigerum mempunyai rumus molekul C40H67N9O13 terdiri dari enam asam amino dan satu polyketide substruktur. Sebagaimana terlihat pada struktur kimia dentigerumycin, keenam asam amino itu adalah dua asam piperazat (Pip-1 dan 2), asam g-hidroksipiperazat, b-hidroksileusin, N-hidroksialanin, dan alanin. Penentuan struktur kimia dentigerumycin berdasarkan gabungan spektrum NMR, masa, infra merah, Circular Dichroism (CD) dan transformasi reaksi kimia seperti Mosher Analyis termodifikasi, hidrolisis peptida dengan Marfey reagen. Struktur dentigerumycin mengandung rantai samping polyketide dan asam amino yang unik dan jarang ditemukan pada natural product seperti asam piperazat, asam γ-hidroksipiperazat, β-hidroksileusin, dan N-hidroksialanin.

Bioaktivitasnya dikonfirmasi dengan menggunakan fungi parasit Escovopsis sp. yang menunjukkan daya hambat yang cukup signifikan dengan nilai Minimum Inhibitory Concentration (MIC) 2.8 μM. Dentigerumycin juga menghambat fungi patogen Candida albican resistan terhadap amphotechrin dengan nilai MIC 1.1 μM.

Sebagai penutup, senyawa antibiotik dentigerumycin ditentukan strukturnya sebagai depsipeptide dengan menggunakan gabungan spektroskopi dan transformasi kimia terbukti sebagai komponen utama dari bakteri Pseudonocardia sp yang berfungsi menghambat pertumbuhan fungi parasit Escovopsis sp yang juga hidup pada permukaan tubuh koloni semut A. dentigerum.

Tulisan disadur dari artikel: Oh, D.-C; Poulsen, M.; Currie, C. R.; Clardy, J. Nat. Chem. Biol, 2009, 5, 391-393.

Selengkapnya...

Cara Baru Atasi Obesitas dan Diabetes

Akhir-akhir ini, para peneliti telah menemukan cara untuk mengatasi obesitas dan diabetes, dua penyakit yang disebabkan karena terlalu banyak mengkonsumsi makanan yang manis- manis atau yang mengandung glukosa. Dengan menggunakan lemak coklat yang berasal dari kulit untuk pembakaran kalori, maka setidaknya dapat mengurangi kalori yang berlebihan di dalam tubuh penderita obesitas.

Seperti yang dipublikasikan pada Nature Report tanggal 29 Juli, para peneliti tersebut mempublikasikan bahwa satu cara untuk mengatasi obesitas dan ketidakteraturan metabolisme seperti diabetes dengan cara membakar sekumpulan dari kalori pembakaran sel-sel lemak coklat.

Francesco Celi, seorang Endokrinologist di Institut Nasional Diabetes dan Digestive serta sakit ginjal di Bethesda, Maryland., mengatakan, “Jaringan lemak coklat datang di garis terdepan untuk mengatasi masalah obesitas karena dapat melakukan pembakaran kalori”

Dia juga menuturkan, penelitian mungkin saja mengungkap kemungkinan pengaktifan lemak coklat, namun tubuh juga bisa saja mencari cara untuk mengkompensasikan agar makan lebih banyak.

Seperti yang diketahui selama ini, lemak coklat digunakan untuk menghangatkan bayi saat baru lahir pada suhu dingin. Dengan temuan ini membuat peneliti berpikir bahwa untuk melawan kegemukan adalah dengan cara meningkatkan jumlah dan aktivitas dari penyimpanan lemak bewarna coklat dalam badan dewasa.

Awal penelitian dilakukan terhadap myoblast tikus. Myoblast merupakan sel-sel sebelum otot. Peneliti mengetahui bahwa satu protein bernama PRDM16 penting untuk memproduksi sel-sel lemak coklat. Peneliti mencangkok sebagian dari sel-sel hidup tikus. kemudian sel-sel lemak coklat membentuk gumpalan yang berbeda di lokasi injeksi, dekat hati/jantung tikus-tikus. Myoblasts ini membagi seperti biasanya. Tetapi ketika peneliti meningkatkan sejumlah protein keduanya, sel-sel dibagi untuk menciptakan pembakaran energi fungsional sel-sel lemak, selain dari pada menggandakan diri mereka.

“Menggunakan lemak coklat untuk membantu mengobati obesitas telah dibicarakan selama lebih dari 30-40 tahun. Tapi, biasanya orang akan menyerang. Banyak yang mengatakan lemak itu tidak dimiliki orang dewasa, yang lain menyebutkan lemak tersebut tidak memiliki hubungan dengan obesitas dan berat badan. Penelitian terakhir membuktikan, setiap manusia dewasa memiliki lemak coklat yang fungsional dalam tubuh,” jelasnya.

Jadi, dengan pembuktian dari peneliti yang menyatakan bahwa obesitas dan diabetes dapat diatasi dengan menggunakan lemak coklat. Maka, tidak salahnya bagi Anda yang mempunyai penyakit obesitas ataupun diabetes dapat menggunakan cara yang telah dibuktikan oleh para peneliti tersebut.

Selengkapnya...

Jam Biologis Menentukan Waktu Paling Efektif Untuk Kemoterapi

Selama bertahun-tahun telah dipercaya bahwa waktu pemberian kemoterapi adalah salah satu faktor penting bagi efektifitas pengobatan kanker. Namun, kurangnya bukti-bukti solid untuk mendukung pernyataan tersebut membuat pakar kesehatan cenderung mengabaikan parameter waktu ketika memberikan obat pada pasien.

Sebuah studi di University of Carolina, USA, mengusulkan teori bahwa kemoterapi akan bekerja secara efektif pada saat enzim tertentu sedang dalam konsentrasi rendah. Enzim tersebut bekerja untuk membalikkan efek dari obat-obatan kemoterapi. Teori tersebut telah mereka buktikan dengan serangkaian eksperimen menggunakan mencit sebagai hewan eksperimen.

Sistem enzim yang dimaksud dinamakan nucleotide excision repair atau perbaikan nukleotida akibat kerusakan yang disebabkan radiasi ultraviolet dan kemoterapi. Manfaat lain dari pemahaman terhadap sistem tersebut dapat membantu dokter untuk menentukan kapan seseorang harus mendapat sinar matahari yang minumum demi menghindari kanker kulit.

Ketua tim peneliti universitas ini, Aziz Sancar, M.D., PhD, menyatakan bahwa penentuan waktu kemoterapi sangat krusial bagi penyembuhan kanker, dan timnya memiliki data-data molekular untuk mendukung hal tersebut. Pemberian obat harus dilakukan ketika proses reparasi DNA sel-sel kanker berada pada level yang rendah sehingga hasil terapinya akan lebih efisien, dan efek samping pengobatan dapat diminimalisir.

Pemicu dari siklus reparasi DNA sel kanker adalah jam biologis yang mengatur masing-masing organisme dalam rentang waktu per24 jam. Setiap sel dalam tubuh memiliki jam internal tersendiri, dan keseluruhan jadwal tersebut dikendalikan oleh pusat kontrol yang paling besar, yaitu rangkaian neuron dalam otak.

Sancar menyelidiki hubungan fungsional antara ritme harian tubuh terhadap jadwal perbaikan DNA. Dalam proses ini, bagian DNA yang rusak dipotong dan digantikan dengan potongan yang sesuai. Beliau beserta tim memulai penyelidikan mereka dengan menganalisis perbaikan kerusakan sel-sel serebrum (otak besar) pada tikus. Ternyata waktu reparasi minumum terjadi pada pagi hari, dan maksimum terjadi pada malam hari. Setelah itu, mereka mengamati tiap-tiap komponen yang menyusun sistem reparasi tersebut, dan menemukan suatu enzim, bernama XPA, yang levelnya sebanding dengan osilasi jam harian tubuh. Hal ini membuktikan bahwa reparasi DNA berkaitan dengan jam biologis tubuh, serta prosesnya diinisiasi dengan adanya kenaikan level enzim tertentu pada waktu tertentu.

Sancar melanjutkan studinya pada studi sel-sel testis tikus. Dasar dari pengamatan tersebut adalah sisplatin, yaitu agen kemoterapeutik yang digunakan untuk mengobati kanker testis, dan cara kerjanya adalah merusak DNA. Obat ini dianggap manjur oleh banyak orang, salah satunya Lance Armstrong, meskipun 1 dari 10 orang tidak berhasil disembuhkan olehnya, serta efisiensinya lebih rendah untuk kanker usus, ovarium, dan paru-paru. Beliau masih mengujicobakan obat tersebut pada jam-jam di mana reparasi DNA hampir tidak aktif.

Selain itu, beliau juga meneliti waktu-waktu yang paling baik untuk mendapat sinar matahari, tanpa beresiko terkena kanker kulit karena enzim XPA juga memperbaiki mutasi DNA akibat radiasi ultraviolet. Hasil penemuannya menunjukkan, jika kulit tikus memiliki jam biologis yang serupa dengan manusia, maka waktu paling aman untuk berjalan-jalan di bawah sinar matahari adalah pukul 6 hingga 10 dan 14 hingga 18.

Selengkapnya...

Ikatan Baru Ditemukan pada Semua Makhluk Hidup

Setelah 25 tahun penelitian, kimiawan di Amerika Serikat telah mengidentifikasi suatu ikatan kimia unik yang menyatukan molekul-molekul dimer kolagen tipe IV. Ikatan tersebut adalah ikatan sulfilimin (N=S), ikatan yang belum pernah ditemukan dalam molekul-molekul biologis sebelumnya, namun sebenarnya ikatan inilah yang menyebabkanya kuatnya jejaring kolagen ini pada semua jenis hewan mulai dari sponge laut sampai manusia dan bisa menjadi kunci dalam pengobatan penyakit autoimun sindrom Goodpasture.

Billy Hudson, dari Vanderbit University di Tennessee, telah mencurahkan waktunya selama bertahun-tahun untuk meneliti kolagen IV, yang merupakan komponen utama membran dasar dimana jaringan tersusun. Berbagai pemeriksaan kristalografi sinar-X dan spektrometri massa telah menemukan petunjuk tentang sifat-sifat yang mungkin dari ikatan antara kedua molekul ini, tetapi sifat pastinya belum pernah diketahui sampai sekarang. “Kami tahu bahwa ada ikatan kovalen,” kata Hudson, “tetapi kami tidak ada gambaran tentang jenis ikatannya.” Ada lebih dari 28 tipe kolagen berbeda, dan tipe IV terdiri dari dua bagian, masing-masing tersusun atas tiga subunit protein dengan gugus “ekor” kolagen triple-heliks dan gugus “kepala” protein non-kolagen. Kedua bagian kepala saling terkunci satu sama lain (diikat oleh ikatan sulfilimin) dan ekor kolagen terjalin dengan untai-untai di sekitarnya membentuk sebuah jaringan struktural dimana jaringan-jaringan bisa melekat.

Ikatan sulfilimin terbentuk antara gugus sulfida dari sebuah residu metionin pada salah satu gugus kepala ini dan gugus amin dari sebuah residu hidroksilin termodifikasi. Salah satu bukti kunci yang menunjukkan adanya ikatan sulfilimin, kata Hudson, adalah fakta bahwa dimer memiliki massa yang persis sama dengan dua unit lebih kecil dari kedua protein komponen – yang berarti bahwa atom-atom hidrogen dari gugus amina hidroksilin sudah tidak ada. Kami menggunakan beberapa spektrometri massa resolusi tertinggi yang ada, yang bisa mendeteksi selisih 0,001 unit massa [pada sebuah protein dengan massa 5000], dan selisihnya tepat dua,” tambahnya.

Tim peneliti ini menggabungkan data spektroskopi massa ini dengan spektroskopi NMR, yang bisa memberikan lebih banyak informasi tentang lingkungan kimiawi di sekitar masing-masing atom. Yang lebih penting, sinyal 13C-NMR untuk gugus metil pada metionin yang relevan berada pada bagian yang sangat berbeda dari normal, dan lebih menandakan adanya inti karbon setelah sulfilimin dalam molekul-molekul sintetik. “Ikatan sulfilimin juga bisa direduksi [dengan menggunakan tiol] menjadi sulfida dan amina semula,” kata Hudson, “dan jika kita mereduksi ikatan ini kita akan dapat merecovery metionin dan hidroksilisin,” yang menunjukkan bahwa ikatan kolagen berperilaku secara kimiawi seperti sulfilimin.

Kedua bagian “kepala” dari dimer kolagen IV dihubungkan oleh sebuah ikatan sulfilimin (N=S) antara sebuah gugus metionin (Met) dan gugus hidroksilisin (Hyl)

“Ikatan-silang kovalen memang telah lama diketahui ada untuk molekul-molekul kolagen,” kata Manuel Than dari Fritz Lipmann Institute di Jena, Jerman, “tetapi jenis dan sifat kimia ikatan ini telah lama membingungkan para kimiawan.” Than terlibat dalam penelitian dengan sebuah kelompok dari Max Planck Institute for Biochemistry di Martinsried, Jerman, yang meneliti struktur sinar-x dari kolagen IV pada tahun 2002 dan 2005, dan menjelaskan bahwa kristalografi menunjukkan beberapa kepadatan elektron antara residu-residu metionin dan lysin, tetapi analisis sinar-x tidak bisa menyelidiki sifat kimia yang pasti dari ikatan tersebut.

“[Ikatan sulfilimin] bukan merupakan karakteristik standar yang diketahui untuk protein, tetapi kepadatan elektron yang kami temukan dalam analisis sangat cocok dengan ikatan ini,” tambah Than. Hudson yakin bahwa ikatan sulfilimin terbentuk antara kedua bagian dimer oleh sebuah enzim, dan sehingga penemuan enzim tersebut bisa memberikan pengetahuan tentang pengobatan penyakit kanker tertentu dan penyakit utoimun sindrom Goodpasture, dimana antibodi-antibodi menargetkan molekul-molekul kolagen IV. Antibodi Goodpasture tidak terikat ke dimer kolagen IV, hanya monomer-monomer yang terdisosiasi, sehingga Hudson berpendapat bahwa penyakit sindrom Goodpasture ini bisa disebabkan oleh inhibisi enzim yang membentuk ikatan sulfilimin tersebut.

Dia juga menduga bahwa ikatan sulfilimin bisa ditemukan pada biomolekul-biomolekul yang lain: “ketika anda menemukan sebuah ikatan baru yang ternyata terdapat pada semua jaringan hewan, maka sudah pasti alam membentuk ikatan ini dengan peranan yang sangat penting pada makhluk hidup”.

Selengkapnya...

Gen Penyebab Fibrosis Pulmonaris Idiopatik

Fibrosis Pulmonaris Idiopatik (IPF) telah menjadi objek penelitian genetik selama bertahun-tahun. Sejauh ini telah ditemukan tiga gen yang diduga punya hubungan kuat dengan pembentukan penyakit IPF. Gen ketiga, atau yang paling terakhir ditemukan, diidentifikasi oleh tim peneliti dari UT Southwest Medical Center. Mutasi gen tersebut dapat melindungi paru-paru dari patogen, di sisi lain juga menjadi penyebab penyakit patu-paru letal turunan yang biasanya menyerang orang dewasa dan lanjut usia. Bahkan, beberapa peneliti mensinyalir adanya keterkaitan antara gen ini dengan kanker paru-paru.

Di Amerika Serikat sendiri, tercatat sebanyak 40.000 pasien yang meninggal tiap tahunnya dari total 200.000 pasien IPF, menurut catatan Pulmonary Fibrosis Foundation. Pada umumnya, pasien IPF berusia 50 tahun ke atas, dan gejalanya adalah timbul luka-luka serius pada organ respirasi mereka. Kematian biasanya terjadi 3 tahun setelah diagnosa.

Dr. Christine Garcia, asisten profesor bagian pengobatan internal di UT Southwestern mengatakan,”Kami tidak punya obat untuk menyembuhkan penyakit ini. Jika pasien lebih muda dari 65 tahun, transplantasi dapat menjadi pilihan. Sayangnya, sebagian besar pasien IPF lebih tua dari itu.” Tujuan utama dari penelitian mereka adalah mengembangkan suatu pengobatan yang dapat menekan perkembangan penyakit tersebut.

Pada tahun 2007, Garcia dan tim risetnya mengamati garis genetik dua keluarga besar dengan sejarah IPF untuk menentukan gen penyebab penyakit bawaan tersebut. Dalam studi ini mereka menemukan mutasi pada gen tertentu yang dinamakan TERT dan TERC; keduanya berperan dalam produksi enzim telomerase yang memperpanjang struktur DNA di ujung-ujung kromosom (telomer). Dalam sel normal, telomer memendek tiap kali sel membelah. Setelah mencapai panjang tertentu, sel akan berhenti membelah. Pada kasus sel kanker, telomer tidak pernah memendek sehingga sel-sel tersebut akan terus membelah. Mutasi pada salah satu dari gen tersebut dapat ditemukan pada hampir 15% kasus IPF turunan. Sebanyak 40% di antaranya memiliki telomer yang pendek akibat disfungsi telomerase.

Pertanyaan selanjutnya: Apa penyebab IPF pada anggota keluarga dengan telomerase yang normal? Untuk menjawab problem tersebut, Dr. Garcia meneliti keluarga yang tidak mengalami mutasi TERC atau TERT. Mereka menggunakan pendekatan keterkaitan genomik untuk melacak daerah DNA yang sama pada semua anggota keluarga penderita IPF. Hasil observasi menunjukkan adanya mutasi pada gen bernama SFTPA2. Protein yang dikode oleh gen tersebut merupakan protein surfaktan A2; terdapat di cairan paru-paru dan berfungsi untuk melindungi organ dari patogen.

Banyak anggota keluarga yang mengalami mutasi tersebut tidak hanya menderita IPF, tapi juga kanker paru-paru, khususnya adenokarsinoma dengan gejala sel karsinoma bronkiolalveolar. Hasil studi sebelumnya telah banyak membuktikan adanya keterkaitan antara IPF dengan perkembangan sel kanker pada paru-paru. Dr. Garcia menduga sel SFTPA2 inilah penyebabnya. Observasi pada keluarga lain yang memiliki jenis mutasi berbeda pada SFTPA 2 juga menderita IPF dan kanker paru-paru.

Untuk lebih memahami cara kerja dari hasil mutasi gen-gen tersebut, Dr. Garcia sedang melakukan studi molekuler untuk mencari penyebab mengapa mereka menyebabkan penyakit paru-paru. Beliau juga bekerja dengan hewan percobaan untuk mencari tahu efek SFTPA2 terhadap sel-sel pulmonalis yang berbeda.

Selengkapnya...

Fenomena Evolusi Klasik dalam Tabung Reaksi

Sekelompok peneliti dari The Scripps Research Institute telah merancang permodelan mikroskopik yang menyerupai Kepulauan Galapagos. Tabung-tabung reaksi mereka menampung ekosistem buatan di mana molekul-molekul berevolusi menjadi berbagai macam relung; mirip dengan burung-burung Finch yang diceritakan Charles Darwin 150 tahun silam dalam bukunya yang terkenal, The Origin of Species.

Ekosistem mikroskopik tersebut mengalami beragam fenomena evolusi, di antaranya teori survival of the fittest yang menunjukkan bahwa dalam memperebutkan sumber daya alam yang terbatas, hanya individu paling kuatlah yang akan bertahan. Di sisi lain, jika terdapat berbagai sumber daya alam, individu-individu tersebut akan berdiferensiasi dan terspesialisasi menjadi relung-relung dengan ciri khas ekosistem yang berbeda.

Eksperimen yang dipimpin oleh Sarah Voytek, Ph.D. ini bertujuan untuk memberikan pemahaman yang lebih baik terhadap teori evolusi Darwin. Beliau menggunakan molekul untuk mendapatkan hasil yang lebih cepat dibandingkan dengan menggunakan hewan. Perubahan struktur molekul dan evolusi yang terjadi di dalam masing-masing ekosistem buatan dapat dilihat hasilnya hanya dalam hitungan hari.

Dalam perjalanannya menaiki HMS Beagle, Darwin mengumpulkan dan mempelajari berbagai spesies burung Finch dari beberapa pulau di Kepulauan Galapagos. Burung-burung tersebut memiliki bentuk paruh yang beraneka rupa; sebagian tebal dan kuat, sedangkan yang lain tipis dan lembut. Darwin menemukan bahwa perbedaan itu ternyata dipicu oleh adaptasi mereka terhadap berbagai bentuk biji-bijian yang mereka konsumsi sehari-hari. Semakin besar biji yang harus mereka pecah, semakin besar dan kuat pula bentuk paruhnya. Darwin menduga burung-burung tersebut berasal dari nenek moyang yang sama, namun seiring dengan berjalannya waktu, mereka terpisah menjadi spesies-spesies yang berbeda. Hal inilah yang melandasi teori klasiknya berjudul Niche Partitioning atau pembagian relung, yaitu dua spesies yang hidup dengan sumber daya alam yang sama akan berdiferensiasi menjadi dua spesies berbeda sehingga mereka dapat menggunakan sumber daya yang berbeda pula.

Selama beberapa tahun, Gerald Joyce, M.D., Ph.D. selaku pembimbing riset Voytek, telah bereksperimen dengan sejenis molekul RNA enzimatik yang dapat berevolusi secara kontinu di dalam tabung reaksi. Basis dari evolusi ini adalah kemungkinan terjadinya mutasi setiap kali molekul tersebut bereplikasi. Bahkan, kemungkinannya terhitung minimal satu kali per siklus replikasi sehingga karakteristik populasinya semakin lama akan semakin beragam.

Dua tahun silam, Voytek berhasil menemukan molekul RNA enzimatik lainnya dengan kemampuan evolusi yang sama. Dengan demikian, ia dapat menggabungkan RNA temuan Joyce dengan RNA temuannya sendiri untuk berkompetisi dalam ajang evolusi selayaknya dua spesies di Kepulauan Galapagos. Limit yang diberikan untuk memicu peristiwa tersebut adalah sumber ‘makanan’ berupa molekul esensial yang dibutuhkan masing-masing RNA untuk bereplikasi. RNA yang berhasil melekat dengan molekul tersebut akan bereplikasi, dan dalam siklus tersebut mereka akan bermutasi menjadi strain-strain RNA dengan sifat-sifat yang lebih kuat.

Dalam riset mereka, Voytek dan Joyce melakukan dua set eksperimen. Pertama, mereka mengadu kedua molekul RNA untuk memperebutkan satu sumber makanan. Hasilnya, hanya salah satu molekul RNA yang bisa bertahan hidup sementara yang lainnya perlahan ‘punah’. Percobaan kedua menempatkan kedua molekul RNA dalam lingkungan berisi 5 macam sumber makanan yang asing bagi mereka. Pada awalnya, tiap RNA mampu menguraikan kelimanya, namun belum secara sempurna. Setelah ratusan generasi selanjutnya, masing-masing RNA berubah menjadi dua jenis molekul independen dengan kebutuhan makanan yang berbeda satu sama lain. Mereka hanya menggunakan sumber makanan pilihan mereka, dan menghindari sama sekali sumber makanan lainnya.

Dalam proses kedua tersebut, masing-masing molekul mengalami diferensiasi yang khas. Satu molekul RNA mengurai makanan seratus kali lebih cepat, sementara molekul RNA lainnya menghasilkan replika tiga kali lebih banyak. Keseluruhan hasil eksperimen tersebut merupakan contoh nyata teori evolusi klasik dalam mempertahkan hidup.

Selengkapnya...

Enzim “hidroksietilfosfonat dioksigenase” (HEPD) Mengkatalis Reaksi Kimia Yang “Fantastik”

Mikroba tanah yang menggunakan senyawa kimia untuk melawan kompetitornya menggunakan suatu metabolisme reaksi kimia yang tidak biasa dalam memproduksi senyawa kimia tersebut, para peneliti melaporkan bahwa mikroba tanah tersebut menggunakan enzim yang mengkatalis reaksi yang tidak pernah bisa dilakukan oleh enzim yang selama ini kita kenal yaitu memutus ikatan C-C yang tidak teraktifasi hanya dalam satu lagkah saja.

Para peneliti dari University of Illinois adalah yang pertama kali melaporkan keberadaan enzim ini pada Journal Nature Chemical Biology pada tahun 2007. “Tim kami telah menemukan reaksi kimia yang fantastis ini yaitu pemutusan ikatan C-C tanpa memerlukan hal lain kecuali oksigen”, kata van der Donk, pemimpin peneliti bersama mikrobilogis William Metcalf.

Enzim tersebut diberi nama “hidroksietilfosfonat dioksigenase” (HEPD). Penelitian ini amat penting mengingat HEPD mengkatalis jalur reaksi kimia yang menghasilkan fosfinotrisin (PT), yaitu senyawa yang dihasilkan oleh bakteri yang berguna untuk herbisida pertanian. Senyawa ini sangat efektif ketika digunakan pada tanaman transgenic yang memiliki gene yang tahan terhadap PT. Gen pembawa sifat tahan terhadap PT ini dapat berasal dari bakteri peghasil PT. Dengan menggunakan PT maka bakteri mampu melawan kompetitornya tanpa membunuh dirinya sendiri. Dengan cara yang sama maka tanaman transgenic yang mengandung gen tahan terhadap PT ini akan mampu bertahan dengan adanya herbisida berbasis PT sehingga hanya tanaman liar yang akan dibasmi sedangkan tanamannya tidak terpengaruh.

Penemuan ini merupakan bagin dari proyek University of Illinois yang berkelanjutan dalam mengeksplorasi molekul yang mengandung ikatan karbon-fosfor ( C-P ) yang dihasilkan secara natural. Meskipun senyawaan ini masih sedikit bisa dimengerti, namum penggunaan fosfonat (senyawa dengan ikatan C-P) dan fosfinat (senyawa dengan ikatan C-P-C digunakan secara luas dalam bidang agrikultur dan medis. Dalam bidang agrikultur senyawa ini dipakai dalam herbisida glifosfat sedangkan dalam bidang medis dipakai untuk pengobatan osteoporesis, obat antimalaria fosmidisin dan antibiotic seperti fosfomisin, dehidrofos, dan plumbemisin.

Baik fosfonat dan fosfinat yang diproduksi secara natural maupun sintesis, struktur kedua senyawaan ini adalah mirip dengan senyawa yang banyak dipakai sebagai substrat oleh enzim-enzim yang ada di alam, sehingga hal ini dapat terikat oleh enzim dan menghambat proses metabolisme selanjutnya bakteri atupun organisme lain. Oleh sebab inilah mengapa fosfonat dan fosfinat merupakan kandidat yang baik untuk pengembangan antibiotic baru selain penicillin.

“Dengan mempelajari bagaimana bakteri dapat memproduksi kedua senyawaan tersebut maka para ilmuwan nantinya kemungkinan dapat memprediksi bagaimana bakteri dapat bertahan terhadap obat-obatan baru yang baru dikembangkan”, kata van der Donk. “Dengan cara megetahui bagaimana suatu senyawa dibuat maka akan memberikan kita pemikiran secara analog bagaimana pembuatnya juga tahan terhadap senyawa yang telah disintesis”, tambahnya lagi.

Para tim peneliti berharap bahwa penemuan ini akan mendorong pengembangan sintesis fosfonat dan fosfinat menjadi jauh lebih murah dan penggunaan katalis untuk mensintesis seyawaan tersebut hanya dalam satu tahap. “Setiap kali kita menemukan sesuatu yang baru di alam akan menjadi inspirasi pada kita agar kita mampu menduplikasi proses tersebut untuk penggunaan kesejahteraan manusia”, kata van der Donk.

Selengkapnya...