Struktur heliks ganda DNA yang ikonik, yang melingkar rapi di sekelilingnya, memberikan kesan sederhana tentang kode genetik kita. Kenyataannya, DNA sangatlah dinamis, terus-menerus terpuntir, tertekuk, dan mengalami perbaikan yang diatur oleh protein yang sangat kecil. Menangkap pergerakan ini, yang terjadi pada skala yang lebih kecil dari sepersejuta meter (tingkat angstrom), telah lama menjadi tantangan besar dalam biologi molekuler.
Kini, para peneliti di Universitas Illinois Urbana-Champaign telah mengambil langkah maju yang besar, mengembangkan dua teknik inovatif yang memungkinkan mereka mengamati dan bahkan memandu pergerakan DNA dengan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya. Kemajuan ini membuka kemungkinan baru untuk memahami fungsi DNA, mulai dari perannya dalam penyakit seperti kanker hingga pengembangan terapi obat baru.
Kamera Skala Nano: Memvisualisasikan Gerakan dengan Kejernihan Atom
Terobosan pertama berkisar pada “kamera DNA” yang dibangun di atas satu lapisan graphene, bahan yang tebalnya hanya satu atom. Metode ini, yang disebut GETvNA (amplifikasi medan dekat transien berkemampuan graphene), pada awalnya dikembangkan oleh para peneliti di Lab Tinnefeld di Universitas Ludwig Maximilian di Munich. Hal ini memanfaatkan fakta bahwa molekul DNA berdiri tegak di permukaan graphene, menyerupai bendera kecil yang melambai tertiup angin skala nano.
Orientasi vertikal ini memungkinkan deteksi perubahan struktural halus pada DNA saat bergerak. Tim Aksimentiev membangun landasan ini, menggunakan pemodelan komputasi tingkat lanjut untuk menyelidiki detail tingkat atom tentang cara kerja GETvNA.
Sistem ini memberikan resolusi kurang dari satu angstrom dan menangkap peristiwa secara real-time—penting untuk mengamati proses seperti perbaikan kerusakan DNA atau pergerakan protein sepanjang proses tersebut. Tingkat presisi ini melampaui kemampuan mikroskop tradisional, sehingga memungkinkan untuk menguraikan koreografi molekul dalam sel hidup.
Melampaui Pengamatan: Memandu Pergerakan DNA
Namun melihat saja tidak selalu cukup. Bagaimana jika para peneliti juga dapat mengontrol pergerakan DNA? Kemampuan ini membuka pintu untuk menyortir dan memanipulasi untaian individu, bahkan membangun “mesin molekuler” yang belum sempurna. Tim Aksimentiev menemukan bahwa heksagonal boron nitrida (hBN), bahan 2D lainnya, dapat digunakan untuk memandu DNA untai tunggal di sepanjang jalur tertentu.
Jalur ini dibentuk oleh “tangga” yang terbentuk secara alami di permukaan hBN—cacat langkah kecil yang menciptakan saluran berskala nano untuk biomolekul. Tim menemukan bahwa meskipun awalnya diperkirakan pergerakannya jauh lebih cepat, kenyataannya molekul DNA melambat secara signifikan ketika menghadapi cacat ini. Penemuan mengejutkan ini, yang dijelaskan melalui analisis komputasi yang rumit, mengungkap bagaimana ketidaksempurnaan atom pada permukaan hBN bertindak sebagai jebakan sementara, memungkinkan para peneliti mengontrol pergerakan DNA dengan tepat.
Dampak dan Arah Masa Depan: Era Baru Presisi Molekuler
Gabungan terobosan-terobosan ini mempunyai dampak signifikan pada berbagai bidang:
- Penelitian Biomedis: Kemampuan untuk melacak molekul DNA individu yang berinteraksi dengan protein secara real-time dapat merevolusi pemahaman kita tentang penyakit seperti kanker, yang interaksinya sering kali terganggu. Hal ini juga menyediakan platform yang belum pernah ada sebelumnya untuk menguji dan mengembangkan obat baru yang menargetkan peristiwa molekuler spesifik ini.
- Biosensing: Mengontrol pergerakan DNA secara tepat membuka jalan bagi biosensor yang sangat sensitif yang mampu mendeteksi biomolekul dalam jumlah kecil, dengan penerapan mulai dari diagnostik medis hingga pemantauan lingkungan.
Aksesibilitas GETvNA—yang hanya memerlukan mikroskop fluoresensi standar—sangat inovatif. Hal ini mendemokratisasi akses terhadap tingkat detail molekuler, sehingga memungkinkan para peneliti di seluruh dunia untuk melakukan studi resolusi tinggi tanpa memerlukan peralatan khusus yang mahal.
Aksimentiev dan timnya terus mengeksplorasi detail rumit pergerakan DNA pada permukaan 2D. Pekerjaan mereka di masa depan berfokus pada pemahaman bagaimana DNA berperilaku dalam rentang waktu yang lebih lama—milidetik hingga detik—menggunakan model komputasi canggih untuk menjembatani kesenjangan antara simulasi atom dan observasi di dunia nyata.
Inovasi-inovasi ini memberikan contoh bagaimana penelitian mendasar, ditambah dengan alat komputasi yang canggih, dapat membuka jendela baru menuju kompleksitas kehidupan pada tingkat paling dasar. Kemampuan untuk tidak hanya melihat tetapi juga memandu pergerakan DNA membuka jalan bagi penemuan-penemuan inovatif dalam bidang kedokteran, ilmu material, dan pemahaman kita tentang esensi kehidupan itu sendiri.
