Mari Mengenal DNA (Bagian 3)

Catatan: Baca 2 bagian sebelumnya disini: Bagian 1, Bagian 2

Kita sudah mengetahui apa gunanya DNA dan bagaimana cara memisahkan DNA. Sekarang kita sampai pada bagian yang cukup penting, yaitu, membaca DNA.

Pada proses sebelumya telah disebutkan bahwa DNA yang telah diekstraksi berada di dalam kondisi yang kacau. Seperti sebuah buku yang sudah terkoyak-koyak, ilmuwan butuh waktu untuk menyusun lembar demi lembar halamannya kembali. Kondisi ini tentunya sangat rumit karena tidak seperti buku pada umumnya, DNA tidak punya nomor halaman!

Karena situasi yang runyam ini, sebuah pendekatan radikal diambil oleh Ray Wu, seorang ilmuwan Cina-Amerika, pada tahun 1970 [1]. Daripada capek-capek menyusun semuanya, Wu mengusulkan bagaimana jika kita biarkan aparatus sel yang menulis ulang semuanya?

Sebagai latar belakang, pada saat itu, pengetahuan tentang DNA masih sangat minim, tetapi para ilmuwan telah tahu terlebih dahulu bahwa seperti halnya sebuah buku, DNA perlu dicetak ulang ketika sel membelah diri. Ibaratnya membangun sebuah perpustakaan baru, buku-buku di perpustakaan lama perlu terlebih dahulu digandakan dan dipindahkan ke perpustakaan baru. Ilmuwan-ilmuwan ini mengetahui bahwa ada juru tulis bernama DNA polimerase yang bertugas menggandakan DNA di dalam sel [2]. Sebagaimana fungsinya DNA polymerase ini bertugas untuk mengatalisis reaksi polymerase DNA dengan menyambung satu nukleotida dengan nukleotida lain seperti juru tulis yang merangkai kata-kata dengan tinta.

Wu, seperti ilmuwan lainnya juga tahu kalau ternyata juru tulis DNA ini sedikit bebal dan pemalas. Juru tulis DNA ini tidak dapat bekerja kalau tidak ada yang memberitahukan dirinya dari mana ia harus menyalin ulang buku DNA dan jika tinta untuk menulis tidak tersedia. Apa yang ditemukan Wu adalah instruksi untuk menulis ini ternyata diberikan dalam bentuk rangkaian pendek nukleotida atau yang biasa disebut oligonukelotida. Kita dapat membayangkan proses ini seperti sebuah pembatas halaman atau buku yang berisikan sebuah kalimat pendek. Jika kita ibaratkan kalimat di bawah ini adalah sebuah urutan DNA, maka pembatas halaman yang bertuliskan “Ini Ibu” mengharuskan Sang Juru Tulis untuk menyalin ulang artikel ini dari kata ke-dua di bawah dengan menambahkan kata “dan Bapak …” dan seterusnya.

Contoh kalimat DNA:

“Ini Ibu dan Bapak Budi yang ramah.”

Wu merancang sebuah pembatas buku sintetis yang berisikan kalimat-kalimat dengan perbedaan pada huruf akhirnya. Sebagai contoh, ia membuat pembatas halaman berisikan penggalan kalimat:

1. “Ini Ibu d”
2. “Ini Ibu a”
3. “Ini Ibu da”
4. “Ini Ibu at”
5. “Ini Ibu ata”
6. “Ini Ibu dan”
7. “Ini Ibu atau”

Berdasarkan pembatas buku di atas, Wu tahu bahwa hanya pembatas halaman 1,3, dan 6 yang dapat diproses oleh Si Juru Tulis yang bebal karena ia tidak dapat menemukan kecocokan antara pembatas 2, 4, 5, dan 7. Dengan mengamati hasil produk akhir Si Juru Tulis, Ray Wu bisa menduga dengan akurat apa huruf yang tertulis setelah “Ini Ibu”, yaitu kata sambung “dan”.

Nah sekarang bayangkan jika uji coba ini harus dilakukan di dalam laboratorium, berapa kombinasi huruf yang mungkin dilakukan pada huruf akhir pembatas buku itu? Walaupun DNA hanya tersusun atas 4 huruf, bukan 26 seperti alfabet Latin, proses membuat pembatas halaman ini pasti sangat memakan waktu. Dengan menggunakan kerangka ini, pada waktu itu, Ray Wu dapat membaca hanya 8 huruf pertama dari sebuah halaman DNA setelah proses yang sangat panjang.

Belajar dari pengalaman Ray Wu tentang keberadaan pembatas buku, Fredrick Sanger 7 tahun kemudian mengambil aksi lebih ekstrim [3]. Ia mencampur tinta Si Juru Tulis dengan tinta lain yang bisa dideteksi manusia. Sanger mencampurkan sebuah nukleotida yang sudah dilabel dengan senyawa radioaktif atau fluoresens yang tidak bisa berikatan dengan nukleotida lainnya. Setiap kali DNA polimerase menambahkan nukelotida ini, ia tidak akan bisa menambahkan nukelotida lain karena sebuah gugus yang berfungsi sebagai pengait dengan nukelotida lain tidak tersedia di nukleotida buatan Sanger ini. Sinyal radioaktif atau fluoresens ini kemudian dapat dideteksi dengan seperangkat alat penerima gambar. Perbedaannya, karena proses ini sangat acak, informasi yang di dapat oleh Sanger menjadi tidak berurutan, seperti kalimat di bawah.

1. “Ini Ibu dan Bap“
2. “Ini Ibu d“
3. “Ini Ibu dan B“
4. “Ini Ibu dan Ba“
5. “Ini Ibu dan“
6. “Ini Ibu da“

Sanger kemudian menggunakan proses bernama elektroforesis untuk mengurutkan kalimat tersebut berdasarkan jumlah hurufnya sehingga kalimat-kalimat di atas terurut menjadi 2, 6, 5, 3, 4, dan 1. Jika rumit, proses ini dapat dibayangkan seperti ini. Kita dapat membayangkan DNA polimerase menggunakan pulpen untuk menulis. Sanger memasukkan setetes minyak secara acak ke dalam batang pulpen tadi. Setiap kali cairan tinta berganti minyak, Si Juru Tulis yang pemalas akan segera sadar bahwa tidak ada tinta yang muncul di halaman yang ia tulisi dan mengira bahwa tinta telah habis. Ia kemudian akan berpindah ke halaman lain dan mengganti pulpennya kemudian menulis ulang halaman itu kembali dari awal. Karena manusia tidak bisa membaca tinta si Juru Tulis, manusia bisa membaca jejak minyak dengan membakar jejak minyak tadi untuk membentuk huruf yang bisa terbaca. Dengan menggunakan metode ini, Sanger sukses membaca lebih dari 100 huruf DNA sebuah prestasi luar biasa saat itu dan membuatnya dianugerahi hadiah Nobel ke-duanya pada tahun 1980.

Namun, metode Sanger bukanlah tanpa batasan. Walaupun di tahun-tahun selanjutnya, kemajuan di teknik ini membuat pembacaan 1000 basa DNA mungkin dalam satu reaksi, mengingat jumlah ukuran genom manusia yang 3 juta kali lebih besar dari ukuran itu, pembacaan seluruh DNA (genom) manusia menjadi sangat mahal. Sebagai contoh, pemerintah Amerika Serikat (AS) melalui National Institue of Health rela merogoh kocek hamper 30 triliun rupiah demi mendapatkan cetakan perdana buku kehidupan yang proses editorialnya makan waktu 13 tahun dengan reaksi Sanger [4]! Ini mungkin adalah salah satu buku paling mahal dalam sejarah peradaban manusia!

Bagaimana ilmuwan mempercepat proses ini? Ikuti kisah ini di artikel selanjutnya.

Baca artikel terkait lainnyanya disini

• Mari mengenal DNA (bagian satu): Apa itu DNA?
• Mari mengenal DNA (bagian dua): Cara mengekstrak DNA
• Mari mengenal DNA (bagian empat): Teknik modern pengutasan DNA

Referensi

[1] Xue, Yu, Yongbo Wang, and Hui Shen. “Ray Wu, Fifth Business or Father of DNA Sequencing?” Protein & Cell 7.7 (2016): 467-70. Web.

[2] Lehman, I. R. “Discovery of DNA Polymerase: Fig. 1.” Journal of Biological Chemistry 278.37 (2003): 34733-4738. Web.

[3] Sanger, F., S. Nicklen, and A. R. Coulson. “DNA Sequencing with Chain-terminating Inhibitors.” Proceedings of the National Academy of Sciences 74.12 (1977): 5463-467. Web.

[4] www.genome.gov/11006943/human-genome-project-completion-frequently-asked-questions/.