Sirkuit Genetik Sintetis Dapat Membantu Tanaman Beradaptasi Terhadap Perubahan Iklim

Produksi pangan global semakin terancam oleh dampak perubahan iklim. Karena banjir, kekeringan, dan gelombang panas ekstrem semakin umum terjadi, tanaman perlu beradaptasi lebih cepat dari sebelumnya agar tetap hidup dan produktif.

Foto: afp/ JAM STA ROSA

Untuk “memaksa” tanaman beradaptasi secara cepat para peneliti di Universitas Stanford menggunakan gen sintetis, untuk memodifikasi struktur akar tanaman. Hasil penelitian mereka dapat membuat tanaman lebih efisien dalam mengumpulkan nutrisi dan air, serta lebih tangguh terhadap tekanan yang meningkat akibat perubahan iklim.

Peneliti di Universitas Stanford tengah berupaya menemukan cara untuk memanipulasi proses biologis pada tanaman guna membantu mereka tumbuh lebih efisien dan efektif dalam berbagai kondisi. Jennifer Brophy, asisten profesor bioteknologi, dan rekan-rekannya telah merancang serangkaian sirkuit genetik sintetis yang memungkinkan mereka mengendalikan keputusan yang dibuat oleh berbagai jenis sel tanaman.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan baru-baru ini di Science, mereka menggunakan alat-alat ini untuk menumbuhkan tanaman dengan struktur akar yang dimodifikasi. Pekerjaan mereka merupakan langkah pertama dalam merancang tanaman yang lebih mampu mengumpulkan air dan nutrisi dari tanah serta menyediakan kerangka kerja untuk merancang, menguji, dan meningkatkan sirkuit genetik sintetis untuk aplikasi lain pada tanaman.

“Sirkuit genetik sintetis kami akan memungkinkan kami membangun sistem akar yang sangat spesifik atau struktur daun yang sangat spesifik untuk melihat apa yang optimal untuk kondisi lingkungan yang menantang yang kami tahu akan datang,” kata Brophy. “Kami membuat rekayasa tanaman jauh lebih tepat,” tambahnya dikutip dari laman Stanford Report.

Kode pemrograman untuk tanaman

Varietas tanaman yang dimodifikasi secara genetik saat ini menggunakan sistem yang relatif sederhana dan tidak tepat yang menyebabkan semua selnya mengekspresikan gen yang diperlukan untuk, misalnya, melawan herbisida atau hama. Untuk mencapai kontrol skala halus atas perilaku tanaman, Brophy dan rekan-rekannya membangun DNA sintetis yang pada dasarnya bekerja seperti kode komputer dengan gerbang logika yang memandu proses pengambilan keputusan.

Dalam kasus ini, mereka menggunakan gerbang logika tersebut untuk menentukan jenis sel mana yang mengekspresikan gen tertentu, yang memungkinkan mereka untuk menyesuaikan jumlah cabang dalam sistem akar tanpa mengubah bagian tanaman lainnya. Kedalaman dan bentuk sistem akar tanaman memengaruhi seberapa efisiennya tanaman dalam menarik berbagai sumber daya dari dalam tanah.

Misalnya, sistem akar yang dangkal dengan banyak cabang lebih baik dalam menyerap fosfor, yang tetap berada di dekat permukaan. Sementara itu sistem akar yang lebih dalam yang bercabang di bagian bawah lebih baik dalam mengumpulkan air dan nitrogen.

Foto: Stanford University/Jennifer AN Brophy

Dengan menggunakan sirkuit genetik sintetis ini, para peneliti dapat menanam dan menguji berbagai desain akar untuk menciptakan tanaman yang paling efisien dalam berbagai situasi. Atau, di masa mendatang, mereka dapat memberi tanaman kemampuan untuk mengoptimalkan diri mereka sendiri.

“Kita memiliki varietas tanaman modern yang telah kehilangan kemampuannya untuk merespons keberadaan nutrisi tanah,” kata José Dinneny, seorang profesor madya biologi di Sekolah Humaniora dan Sains dan salah satu penulis utama makalah tersebut.

“Jenis gerbang logika yang sama yang mengendalikan percabangan akar dapat digunakan untuk, misalnya, menciptakan sirkuit yang memperhitungkan konsentrasi nitrogen dan fosfor dalam tanah, lalu menghasilkan keluaran yang optimal untuk kondisi tersebut,” paparnya.

Dari organisme model hingga tanaman modern Brophy merancang lebih dari 1.000 sirkuit potensial untuk dapat memanipulasi ekspresi gen pada tanaman. Ia mengujinya pada daun tanaman tembakau, untuk melihat apakah ia dapat membuat sel daun menghasilkan protein yang bersinar dalam gelap yang ditemukan pada ubur-ubur.

Ia menemukan 188 desain yang berhasil, yang diunggah oleh para peneliti ke basis data DNA sintetis agar dapat digunakan oleh ilmuwan lain dalam pekerjaan mereka. Setelah mereka memiliki desain yang berfungsi, para peneliti menggunakan salah satu sirkuit untuk membuat gerbang logika yang akan mengubah ekspresi gen perkembangan tertentu dalam jenis sel akar Arabidopsis thaliana yang didefinisikan secara tepat, tanaman gulma kecil yang sering digunakan sebagai organisme model.

Foto: Stanford University/Jennifer AN Brophy

Dengan mengubah tingkat ekspresi satu gen tersebut, mereka dapat mengubah kepadatan cabang dalam sistem akar. Sekarang setelah mereka menunjukkan bahwa mereka dapat mengubah struktur pertumbuhan organisme model, para peneliti bermaksud untuk menerapkan alat yang sama ini pada tanaman komersial.

Mereka tengah menyelidiki kemungkinan penggunaan sirkuit genetika mereka untuk memanipulasi struktur akar pada sorgum, tanaman yang dapat dimurnikan menjadi biofuel, untuk membantunya menyerap air dan melakukan fotosintesis dengan lebih efisien.

“Perubahan iklim mengubah kondisi pertanian tempat kita menanam tanaman yang kita andalkan untuk makanan, bahan bakar, serat, dan bahan baku obat-obatan,” kata Brophy.

“Jika kita tidak dapat memproduksi tanaman tersebut dalam skala besar, kita akan menghadapi banyak masalah. Pekerjaan ini bertujuan untuk membantu memastikan bahwa kita akan memiliki varietas tanaman yang dapat kita tanam, bahkan jika kondisi lingkungan tempat kita menanamnya menjadi kurang menguntungkan,” lanjut dia. hay