Ilmuwan Ciptakan Proses Replikasi-Diri Buatan: Berpotensi bagi Produksi Material Baru

Para ilmuwan New York University telah mengembangkan struktur buatan yang mampu mereplikasi diri, sebuah proses yang berpotensi menghasilkan jenis bahan baru. Di alam, replikasi-diri terjadi pada semua entitas hidup, tapi replikasi-diri buatan adalah hal yang sulit. Penemuan baru ini menjadi langkah pertama menuju proses umum bagi replikasi-diri dari berbagai macam benih rekayasa yang berubah-ubah. Benih-benih tersebut terbuat dari motif keramik DNA yang berfungsi sebagai huruf-huruf yang diatur untuk membentuk sebuah kata tertentu. Proses replikasi ini mempertahankan urutan huruf dan bentuk benih, dan dengan demikian informasinya diperlukan untuk menghasilkan generasi selanjutnya.
Studi ini, yang dilakukan oleh para peneliti di Departemen Kimia dan Fisika dan Pusat untuk Penelitian Soft Matter NYU, muncul dalam edisi terbaru jurnal Nature.
Proses ini menjanjikan banyak bagi penciptaan material baru. DNA merupakan entitas fungsional kuat yang mampu menyusun diri dan molekul-molekul lain ke dalam struktur yang kompleks. DNA baru-baru ini juga telah digunakan untuk mengatur materi anorganik, seperti partikel logam. Penciptaan kembali jenis perakitan oleh para ilmuwan NYU di laboratorium membawa prospek bagi pengembangan bahan-bahan replikasi-diri yang memiliki berbagai pola dan yang mampu melakukan berbagai fungsi.
Terobosan para peneliti NYU yang telah dicapai ini adalah replikasi dari sebuah sistem yang berisi informasi yang kompleks. Dengan demikian, replikasi dari bahan ini, seperti halnya DNA dalam sel, tidak terbatas pada pola-pola yang berulang.
Untuk menunjukkan proses replikasi-diri, para ilmuwan NYU menciptakan motif keramik DNA buatan – pendek, diatur dalam skala nanometer DNA. Setiap keramik berfungsi sebagai huruf – A atau B – yang mengenali dan mengikat untuk melengkapi huruf A’ atau B’.
Dalam dunia alami, proses replikasi DNA melibatkan pencocokan komplementer di antara basis – adenin (A) berpasangan dengan timin (T) dan guanin (G) berpasangan dengan sitosin (C) – untuk membentuk heliks ganda. Sebaliknya, para peneliti NYU mengembangkan keramik atau motif buatan, yang disebut BTX (molekul-molekul heliks tripel melengkung yang mengandung tiga DNA heliks ganda), dengan masing-masing BTX terdiri dari molekul 10 strain DNA. Tidak seperti DNA, kode BTX tidak terbatas pada empat huruf – pada prinsipnya, dapat berisi banyak huruf dan keramik yang berbeda di mana pasangannya digunakan untuk komplementer empat strain DNA tunggal, atau “berakhir lengket”, pada setiap keramik, untuk membentuk sebuah enam bundel heliks.
Dalam rangka mencapai replikasi-diri dari susunan keramik BTX, sebuah kata benih diperlukan untuk mengkatalisis beberapa generasi susunan-susunan yang identik. Benih BTX terdiri dari urutan tujuh keramik – kata tujuh-huruf. Untuk mewujudkan proses replikasi-diri, benih ditempatkan dalam larutan kimia, di mana hal ini merakit keramik-keramik komplementer untuk membentuk sebuah “susunan BTX putri” – sebuah kata komplementer.
Susunan putri ini lalu dipisahkan dari benih dengan memanaskan solusi hingga ~ 40 oC. Proses ini kemudian diulang. Susunan putri mengikat dengan keramik komplementer untuk membentuk sebuah “susunan cucu”, sehingga mencapai replikasi-diri material dan informasi dalam benih – dengan demikian mereproduksi urutan dalam kata benih yang asli. Secara signifikan, proses ini berbeda dengan proses replikasi yang terjadi dalam sel, karena tidak terdapat komponen biologis, terutama enzim, yang digunakan dalam pelaksanaannya – bahkan DNA-nya adalah sintetis.
“Ini merupakan langkah pertama dalam proses menciptakan bahan buatan yang mereplikasi diri dari komposisi yang berubah-ubah,” kata Paul Chaikin, seorang profesor Departemen Fisika di NYU dan salah satu penulis pendamping dalam studi. “Tantangan berikutnya adalah menciptakan suatu proses di mana terjadinya replikasi-diri tidak hanya untuk beberapa generasi, tetapi cukup lama untuk bisa menunjukkan pertumbuhan eksponensial.”
“Sementara metode replikasi kami ini membutuhkan beberapa bahan kimia dan siklus pengolahan termal, kami telah menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk meniru tidak hanya molekul seperti DNA atau RNA seluler, tetapi juga struktur terpisah yang pada prinsipnya dapat mengasumsikan berbagai bentuk, memiliki banyak fitur fungsional yang berbeda, dan dikaitkan dengan berbagai jenis spesies kimiawi,” tambah Nadrian Seeman, seorang profesor Departemen kimia di NYU dan penulis pendamping dalam studi.
Penelitian ini didukung pendanaan dari W.M. Keck Foundation, Program MRSEC dari National Science Foundation, National Institute of General Medical Sciences, Army Research Office, NASA, serta Office of Naval Research.
Kredit: New York University
Jurnal: Tong Wang, Ruojie Sha, Rémi Dreyfus, Mirjam E. Leunissen, Corinna Maass, David J. Pine, Paul M. Chaikin, Nadrian C. Seeman. Self-replication of information-bearing nanoscale patterns. Nature, 2011