Ilmuwan Berupaya Perlambat Penuaan dengan Merekayasa Umur dalam Sel

Para peneliti telah mengembangkan jam biosintetik yang menjaga agar sel tidak mencapai tingkat kerusakan normal yang berkaitan dengan penuaan. Mereka melakukan hal itu dengan merekayasa osilator gen demi memperlambat degenerasi sel dan mencetak rekor perpanjangan hidup.

Umur manusia terkait dengan penuaan sel-sel kita masing-masing. Tiga tahun lalu sekelompok peneliti University of California San Diego menguraikan mekanisme penting di balik proses penuaan. Setelah mengidentifikasi dua arah berbeda yang diikuti sel selama penuaan, para peneliti secara genetik memanipulasi proses ini untuk memperpanjang umur sel.

Seperti yang dijelaskan pada jurnal Science edisi 28 April 2023 lalu, mereka saat ini telah berhasil memperluas penelitian ini menggunakan biologi sintetik untuk merekayasa solusi yang mencegah sel mencapai tingkat kerusakan normal yang terkait dengan penuaan.

Sel-sel, termasuk ragi, tumbuhan, hewan dan manusia, semuanya mengandung sirkuit pengatur gen yang bertanggung jawab atas banyak fungsi fisiologis, termasuk penuaan.

"Sirkuit gen ini dapat beroperasi seperti sirkuit listrik rumah kita yang mengontrol perangkat seperti peralatan dan mobil," kata Profesor Nan Hao dari Departemen Biologi Molekuler School of Biological Sciences, penulis senior studi dan wakil direktur Institut Biologi Sintetis di UC San Diego.

Kelompok ilmuwan UC San Diego ini menemukan bahwa di bawah kendali sirkuit pengatur gen sentral, sel tidak selalu menua dengan cara yang sama. Bayangkan sebuah mobil yang menua karena mesinnya rusak atau transmisinya aus, tetapi tidak keduanya sekaligus.

Tim ilmuwan UC San Diego membayangkan sebuah proses penuaan cerdas yang memperpanjang umur panjang sel dengan siklus kerusakan dari satu mekanisme penuaan ke mekanisme penuaan lainnya.

Dalam penelitian terbaru, para peneliti secara genetik mengubah sirkuit yang mengontrol penuaan sel. Dari peran normalnya yang berfungsi seperti sakelar toggle, mereka merekayasa putaran umpan balik negatif untuk menghentikan proses penuaan.

Sirkuit yang disambungkan ulang beroperasi sebagai perangkat mirip jam, yang disebut osilator gen, yang mendorong sel untuk beralih secara berkala di antara dua kondisi "penuaan" yang merugikan, menghindari komitmen yang berkepanjangan pada keduanya, dan dengan demikian memperlambat degenerasi sel.

Kemajuan ini menghasilkan umur seluler yang diperpanjang secara dramatis, menetapkan rekor baru untuk perpanjangan hidup melalui intervensi genetik dan kimia.

Seperti yang sering dilakukan oleh insinyur kelistrikan, para peneliti dalam penelitian ini pertama kali menggunakan simulasi komputer tentang cara kerja sirkuit penuaan inti. Ini membantu mereka merancang dan menguji ide sebelum membangun atau memodifikasi sirkuit di dalam sel.

Pendekatan ini memiliki keunggulan dalam menghemat waktu dan sumber daya untuk mengidentifikasi strategi umur panjang yang efektif, dibandingkan dengan strategi genetik yang lebih tradisional.

"Ini adalah pertama kalinya prinsip-prinsip biologi sintetik dan teknik yang dipandu secara komputasi digunakan untuk mendesain ulang sirkuit gen secara rasional dan memprogram ulang proses penuaan untuk secara efektif meningkatkan umur panjang," kata Hao.

Proses Biologis Kompleks

Beberapa tahun lalu, tim peneliti multidisiplin UC San Diego mulai mempelajari mekanisme dibalik penuaan sel, sebuah proses biologis kompleks yang mendasari umur panjang manusia dan banyak penyakit.

Mereka menemukan bahwa sel mengikuti serangkaian perubahan molekuler sepanjang umurnya sampai akhirnya merosot dan mati. Tetapi mereka memperhatikan bahwa sel-sel dari bahan genetik yang sama dan dalam lingkungan yang sama dapat berjalan di sepanjang rute penuaan yang berbeda.

Sekitar setengah dari sel tempat informasi genetik disimpan menua melalui penurunan stabilitas DNA secara bertahap. Setengah lainnya di sepanjang jalur yang terkait dengan penurunan mitokondria, unit produksi energi sel.

Pencapaian biologi sintetik baru memiliki potensi untuk mengkonfigurasi ulang pendekatan ilmiah terhadap penundaan usia. Berbeda dari berbagai upaya kimia dan genetik untuk memaksa sel ke keadaan "muda" buatan, penelitian baru ini memberikan bukti bahwa memperlambat detak jam penuaan dimungkinkan dengan secara aktif mencegah sel melakukan jalur penurunan dan kematian yang telah ditentukan sebelumnya, dan osilator gen seperti jam bisa menjadi sistem universal untuk mencapainya.

"Hasil kami menetapkan hubungan antara arsitektur jaringan gen dan umur panjang seluler yang dapat mengarah pada sirkuit gen yang dirancang secara rasional yang memperlambat penuaan," catat para peneliti dalam penelitian mereka.

Selama penelitian mereka, tim mempelajari sel ragi Saccharomyces cerevisiae sebagai model penuaan sel manusia. Mereka mengembangkan dan menggunakan mikrofluida dan mikroskop selang waktu untuk melacak proses penuaan sepanjang umur sel.

Dalam studi saat ini, sel-sel ragi yang secara sintetik diubah dan menua di bawah arahan perangkat osilator sintetik menghasilkan peningkatan umur 82 persen dibandingkan dengan sel kontrol yang menua dalam keadaan normal.

"Hasilnya mengungkapkan perpanjangan umur yang paling menonjol pada ragi yang telah kami amati dengan gangguan genetik," catat mereka.

"Sel-sel osilator kami hidup lebih lama daripada strain mana pun yang berumur panjang yang sebelumnya diidentifikasi oleh layar genetik yang tidak bias," kata Hao. "Penelitian kami merupakan contoh pembuktian konsep, menunjukkan keberhasilan penerapan biologi sintetik untuk memprogram ulang proses penuaan sel, dan dapat meletakkan dasar untuk merancang sirkuit gen sintetik untuk secara efektif mempromosikan umur panjang pada organisme yang lebih kompleks," papar para penulis.

Tim saat ini memperluas penelitian mereka ke berbagai jenis sel manusia yang menua, termasuk sel punca dan neuron. ils/I-1