Ilmu-Ilmu Biologi

Lebih dari 1 Dekade Penemuan DNA Origami

Publikasi penemuan DNA origami terjadi pada tahun 2006 oleh Paul W.K. Rothemund, seorang peneliti di California Institute of Technology, Amerika Serikat. Paper ilmiah yang dimuat di jurnal ternama Nature ini hanya memiliki seorang penulis yaitu Paul sendiri. Kami ingin mengulas penemuan penting ini karena dengan ditemukannya DNA origami, sebuah bidang baru bernama DNA nanotechnology sangat berkembang pesat saat ini.

Apa itu DNA Origami?

DNA origami adalah suatu metode untuk melipat-melipat, layaknya origami, seuntai DNA (single strand DNA, lihat Gambar 1 bagian bawah) sehingga menghasilkan bentuk tertentu.

DNA ds ss

Gambar 1. Double Strand dan Single Strand DNA

DNA yang digunakan biasanya DNA dari M13mp18 phage yaitu sebuah virus yang dapat menyerang bakteri dan memiliki panjang 7249 nukleotida. Nukleotida adalah molekul yang tersusun dari gugus basa heterosiklik, gula serta satu atau lebih gugus fosfat. Terdapat lima buah nukleotida (tabung berwarna merah, kuning, hijau dan biru pada Gambar 1) yang dinamai sesuai dengan nukleobasa penyusunnya yaitu A (Adenina), T (Timina), C (Sitosina), G (Guanina) dan U (Urasil). A, T, C, G ada dalam DNA dan U biasanya hanya ada dalam RNA menggantikan T. DNA bisa dilipat dan membentuk suatu bentuk yang diinginkan mengikuti sifat pasangan basa Watson-Crick yang secara spesifik hanya bisa berpasangan dengan pasangannya yaitu A hanya dapat berpasangan dengan T dan C hanya berpasangan dengan G. Dengan hal ini maka DNA strand M13mp18 dapat didesain untuk membentuk suatu bentuk tertentu dengan melipat-lipat DNA tersebut dan men-staple pertemuan dari lipatan-lipatan tersebut dengan menggunakan oligunukleotida yaitu DNA yang pendek dengan panjang hanya beberapa nukleotida sebagai staple-nya (jika anda familiar dengan stapler untuk men-staple atau menjepret kertas). Resolusi spasial yang dapat dicapai DNA origami adalah sebesar 6 nanometer (jarak terdekat yang bisa dihasilkan pada struktur DNA origami).

Mendesain Bentuk DNA Origami

Proses desain DNA Origami

Gambar 2. Proses desain DNA origami

Proses mendesain DNA origami dilakukan dalam lima tahap yaitu yang pertama membuat model geometri dari struktur DNA yang mendekati bentuk yang diinginkan seperti pada Gambar 2a (garis berwarna merah) yang menunjukkan sebuah contoh bentuk yang ingin dibuat dengan lebar 33 nanometer dan tinggi 35 nanometer. Selanjutnya bentuk tersebut diisi dari atas ke bawah dengan sejumlah double helix yang terdiri dari dua untai DNA single strand yang membentuk struktur helix (lihat Gambar 1 bagian atas) yang digambarkan sebagai tabung berwarna abu-abu. Selanjutnya tabung-tabung dipotong sepanjang satu-satuan potongan (memiliki ukuran 10.67 basa=3.6 nanometer) agar bisa disusun berpasangan antara tabung-tabung diatas dan dibawahnya. Untuk menghubungkan tabung-tabung diatas dan dibawahnya maka penghubung diletakkan pada beberapa titik (digambarkan dengan x berwarna biru). Penghubung ini menjadi lokasi dimana untai DNA berpindah dari sebuah helix ke helix disebelahnya.

Langkah selanjutnya adalah dengan melipat seuntai DNA (single strand DNA) seperti pada Gambar 2b yang diperlihatkan oleh garis berwarna hitam. Lipatan-lipatan ini akan menjadi satu bagian dari DNA double helix. Dengan melakukan langkah ini, maka penghubung tambahan harus diberikan sehingga lipatan dapat bertahan dan tidak terurai. Penghubung tambahan ini digambarkan dengan tanda x merah. Hal fundamental yang harus diperhatikan adalah penghubung ini hanya bisa diberikan diantara titik singgung  dua double helix (tabung abu-abu) yang bersebelahan sehingga jarak antara penghubung-penghubung (tidak memperdulikan warnanya) yang bersebelahan dalam satu tabung double helix adalah kelipatan ganjil dari setengah satu-satuan potongan. Sebaliknya jarak antara penghubung terdekat antara penghubung di suatu tabung double helix dengan tabung dibawahnya atau diatasnya adalah kelipatan genap dari setengah satu-satuan potongan.

Ketika dua langkah diatas sudah selesai maka hasil dari langkah kedua dijadikan masukan untuk sebuah program komputer dimana program ini akan melakukan langkah ketiga dengan mendesain satu set staple strand (lihat Gambar 2c, staple strand digambarkan dengan lekukan pendek berwarna biru, ungu, merah dan kuning ). Staple strand ini melengkapi basa dari single strand DNA M13mp18 sehingga ikatan berdasarkan pasangan basa Watson-Crick dapat terjadi (A-T dan C-G).

Tegangan antara penghubung-penghubung pada struktur tersebut menjadi sangat rumit akibat beberapa hal seperti bentuk helix yang tidak simetris dan jumlah pasangan basa yang tidak berjumlah bulat per setengah satu-satuan potongan. Untuk meminimalisasi dan menyeimbangkan tegangan ini maka program akan mengkalkulasi kembali jarak antara penghubung-penghubung dan memindahkan posisi penghubung (biasanya dipindah dalam rentang satu pasangan basa) sehingga tegangan dapat menjadi minimal dan struktur yang dihasilkan bisa stabil, lihat Gambar 2d.

Langkah terakhir adalah memperbesar area ikatan antara staple dan M13mph18 sehingga diperoleh energi ikatan yang lebih kuat dengan melakukan penggabungan dari beberapa penghubung yang terlalu pendek sehingga dihasilkan penghubung yang lebih panjang, lihat Gambar 2e.

Eksperimen DNA Origami untuk Membentuk Beberapa Bentuk Unik

Dengan menggunakan metode desain diatas, Paul Rothemund mendesain beberapa bentuk unik untuk membuktikannya secara eksperimen, lihat Gambar 3.

desain

Gambar 3. Desain DNA origami untuk pembuktian melalui eksperimen

Larutan dari single strand DNA M13mp18 dan staple-staple dicampur menjadi satu dengan menggunakan mikropipet dengan perbandingan staple-staple lebih banyak dibanding dengan M13mp18. Hal ini bertujuan untuk menjamin semua M13mp18 dapat dilipat menjadi bentuk yang diinginkan dan mengasumsikan bahwa akan ada beberapa staple yang cacat. Selanjutnya larutan yang telah dicampurkan dipanaskan dalam beberapa tahap dari 95 °C ke 20 °C. Selanjutnya, larutan setelah pemanasan bertahap diamati dengan menggunakan atomic force microscopy. Hasil yang didapatkan diperlihatkan pada Gambar 4. Hasil yang didapat menunjukkan bentuk yang hampir sama dengan desainnya dengan tingkat keberhasilan diatas 90%.

hasil

Gambar 4. Hasil dari eksperimen DNA origami

Penemuan metode ini telah merevolusi bidang DNA nanotechnology. Berbagai macam DNA nanodevices seperti DNA nanoarm yang dapat melakukan gerakan seperti lengan dalam skala nanometer, DNA nanoclamp yang dapat memberikan gaya dalam ukuran pikonewton yang berguna untuk mempelajari efek gaya pada molekul biologi. Selain itu, DNA origami sudah sangat berperan dalam mengantarkan molekul obat ke suatu daerah spesifik karena DNA origami dapat menghasilkan bentuk seperti sangkar nano dengan pintu sangkar yang dapat dibuka ketika ia bertemu suatu zat spesifik yang dihasilkan oleh suatu penyakit. Masih banyak lagi aplikasi-aplikasi dari DNA origami dan kami akan membahasnya di pos-pos selanjutnya.

Sumber: P.W.K. Rothemund,  Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns, Nature (2006).

 

2 replies »

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout /  Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout /  Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout /  Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout /  Ubah )

Connecting to %s