Penelitian Koen Martens berfokus pada pemahaman kecepatan dan efisiensi mekanisme perbaikan DNA dalam tubuh manusia. Pengembangan perangkat lunak TARDIS yang dilakukannya telah secara signifikan meningkatkan kemampuan untuk mempelajari proses-proses ini sebagai respons terhadap kerusakan akibat sinar UV. Kredit: SciTechDaily.com
Peneliti Universitas Bonn merancang metode untuk mempercepat pengamatan proses mikrobiologi dengan throughput tinggi.
Mampu mengamati mikroorganisme dan komponen selulernya adalah kunci untuk memahami proses mendasar yang terjadi di dalam sel—dan dengan demikian berpotensi mengembangkan pengobatan medis baru. Ahli mikrobiologi dan biofisika dari Universitas Bonn dan Universitas Wageningen dan Penelitian kini telah mengembangkan metode yang membuat proses throughput tinggi untuk mengamati molekul lima kali lebih cepat, sehingga memungkinkan untuk memperoleh wawasan tentang fungsi seluler yang sampai sekarang belum diketahui.
Kerusakan dan Perbaikan DNA
Jika kulit kita terlalu lama terkena sinar UV, misalnya sinar matahari, maka dapat menyebabkan mutasi pada diri kita DNA, yang berpotensi menyebabkan kanker. Namun tubuh manusia memiliki mekanisme pertahanan yang dapat digunakan.
“Kerusakan pada DNA kita mengaktifkan molekul yang memperbaikinya dengan cepat, idealnya sebelum sel membelah dan kerusakan menyebar,” jelas Koen Martens dari Institut Mikrobiologi dan Bioteknologi di Universitas Bonn. Namun tidak ada yang tahu pasti seberapa cepat fungsi perbaikan seluler ini bekerja, sesuatu yang kini ingin diketahui Martens.
Tantangan dalam Melacak Perbaikan DNA
Namun hal ini lebih mudah diucapkan daripada dilakukan, karena metode yang digunakan saat ini tidak cukup ampuh untuk melacak setiap molekul secara akurat. “Pelacakan partikel tunggal melibatkan penandaan molekul dengan cahaya neon, menjadikannya semacam bola lampu,” jelas Koen Martens. “Kami kemudian mengambil ratusan foto per detik menggunakan mikroskop resolusi tinggi. 'Bola lampu' kita menerangi molekul dalam kegelapan sel, memungkinkan kita mengamatinya dan melacak pergerakannya dari waktu ke waktu. Hal ini memungkinkan kami mengukur difusinya dan bagaimana ia berinteraksi dengan komponen seluler lainnya.”
Koen Martens dari Institut Mikrobiologi dan Bioteknologi di Universitas Bonn sedang mengerjakan mikroskop fluoresensi resolusi super yang dibuat khusus yang ia gunakan untuk penyelidikannya. Kredit: Volker Lannert/Universitas Bonn
Dengan melihat jarak antar molekul dan jarak tempuh molekul dari satu foto ke foto lainnya, peneliti dapat mengetahui apakah partikel tersebut bergerak bebas di dalam sel atau berinteraksi dengan molekul lain. Mengenai perbaikan DNA, hal ini menunjukkan kapan enzim sedang melakukan pekerjaan perbaikannya—yaitu, ketika enzim berinteraksi dengan DNA—dan ketika enzim sedang “idle”, yaitu berdifusi bebas di dalam sel.
Namun, metode ini memiliki satu kelemahan: “Sulit untuk melacak beberapa molekul secara bersamaan,” jelas Martens. “Saat jalurnya bersilangan atau terlalu berdekatan, Anda akan melihat dua bola lampu menyatu. Maka mustahil untuk mengidentifikasi pergerakan mereka.”
Oleh karena itu, hingga saat ini, ahli mikrobiologi harus mempelajari molekul satu per satu dalam proses yang memakan waktu terlalu lama untuk mengamati molekul perbaikan DNA “sedang bekerja”. Faktanya, pelacakan satu partikel saat ini membutuhkan waktu lebih lama dibandingkan proses perbaikan itu sendiri.
Kemajuan dalam Penelitian Molekuler
Untuk mengatasi masalah tersebut, Koen Martens telah menciptakan perangkat lunak untuk mempercepat proses dengan throughput tinggi. TARDIS (kependekan dari “relative distance temporal analysis”) melakukan analisis menyeluruh terhadap jarak antar lokasi, yaitu posisi molekul di setiap foto, dengan jeda waktu yang semakin lama. Alih-alih berfokus pada titik-titik individual seperti sebelumnya, dia melihat seluruh rangkaian gerakan di dalam sel dan memeriksa semua molekul secara bersamaan. “TARDIS membuat proses pengukuran setidaknya lima kali lebih cepat tanpa kehilangan informasi apa pun,” kata Martens dengan semangat.
Ini berarti dia sekarang dapat mencurahkan perhatiannya pada sisa proyek penelitiannya, menggunakan TARDIS untuk mempelajari proses yang terlibat dalam perbaikan DNA secara lebih rinci. “Saya sangat tertarik untuk menyelidiki seberapa mudah atau sulitnya memperbaiki jenis kerusakan tertentu dan seberapa parah kerusakan DNA akibat radiasi UV atau bahan kimia dalam dosis tertentu.”
Referensi: “Analisis temporal jarak relatif (TARDIS) adalah alternatif yang kuat dan bebas parameter untuk pelacakan partikel tunggal” oleh Koen JA Martens, Bartosz Turkowyd, Johannes Hohlbein dan Ulrike Endesfelder, 15 Januari 2024, Metode Alami.
DOI: 10.1038/s41592-023-02149-7
Wageningen University & Research terlibat dalam penelitian ini bersama dengan Universitas Bonn. Pekerjaan ini didanai oleh Alexander von Humboldt Foundation, Universitas Carnegie Mellon, Program Argelander untuk Peneliti Karir Awal di Universitas Bonn, Beasiswa PhD di VLAG Graduate School of Wageningen University, dan National Science Foundation.
NewsRoom.id
