Penelitian Memberikan Cahaya Baru pada Struktur 3D DNA
CMN 101 – Tim yang dipimpin oleh para ilmuwan di Baylor College of Medicine (BCM) di Houston, Texas, mencitrakan berbagai bentuk DNA termasuk angka 8 menggunakan teknik mutakhir yang disebut cryo-tomography elektron, dan kemudian memeriksanya menggunakan simulasi superkomputer.
“Ketika Watson dan Crick menggambarkan heliks ganda DNA, mereka melihat bagian kecil dari genom nyata, hanya sekitar satu putaran heliks ganda,” kata Dr Sarah Harris dari University of Leeds, Inggris, rekan penulis di sebuah studi yang muncul di jurnal Nature Communications Monday.
“Ini adalah sekitar 12 pasangan basa DNA, yang merupakan blok bangunan DNA yang membentuk anak tangga heliks.” “Studi kami melihat DNA pada skala yang agak lebih besar beberapa ratus pasangan basa dan bahkan peningkatan ukuran yang relatif sederhana ini mengungkapkan kekayaan baru dalam perilaku molekul DNA,” tambahnya.
Dr Harris dan rekan-rekannya memeriksa lingkaran mini DNA kecil, yang sekarang dikenal sebagai ‘Vektor Mini’, yang hanya berisi 336 pasangan basa. “Penelitian sebelumnya dilakukan pada fragmen pendek DNA linier, tetapi DNA manusia terus bergerak di sekitar tubuh Anda dan itu menggulung dan menggulung,” kata rekan penulis utama Prof. Lynn Zechiedrich, dari BCM.
“Anda tidak dapat menggulung DNA linier dan mempelajarinya, jadi kami harus membuat lingkaran sehingga ujungnya akan menjebak berbagai tingkat belitan.” Setiap sel dalam tubuh manusia menyimpan sekitar satu meter DNA sekitar 10 juta kali lebih lama dari lingkaran kecil yang dibuat para ilmuwan.
Mereka melilitkan atau melepaskan satu putaran pada satu waktu heliks ganda DNA yang terdiri dari lingkaran mereka dan bertanya bagaimana gulungan itu mengubah seperti apa lingkaran itu, menggunakan mikroskop yang sangat kuat.
Para ilmuwan merancang tes untuk memastikan bahwa lingkaran DNA kecil yang mereka buat di laboratorium aktif secara biologis. Mereka menggunakan topoisomerase II alfa manusia yang dimurnikan, enzim esensial yang memanipulasi DNA dan target penting obat antikanker. Enzim ini menghilangkan tegangan belitan dari semua lingkaran mini superkoil, bahkan yang paling melingkar, yang merupakan pekerjaan normalnya dalam tubuh manusia.
Hasil ini berarti bahwa lingkaran tersebut harus terlihat dan bertindak seperti DNA yang lebih panjang yang ditemui topoisomerase dalam sel manusia. “Enzim ini tidak melakukan apa pun pada DNA linier karena tidak tergulung,” kata rekan penulis studi Dr Daniel Catanese, Jr., juga dari BCM.
Para ilmuwan menggunakan cryo-tomography elektron untuk menyediakan struktur 3D pertama dari molekul DNA individu. Mereka melihat bahwa lilitan itu menyebabkan banyak bentuk yang berbeda.
“Beberapa lingkaran memiliki tikungan tajam, beberapa berbentuk angka-8, dan yang lainnya terlihat seperti raket atau jarum jahit,” kata penulis utama Dr Rossitza Irobalieva, juga dari BCM. “Beberapa tampak seperti batang karena sangat melingkar.”
Gambar statis kemudian dibandingkan dan dicocokkan dengan bentuk yang dihasilkan dalam simulasi superkomputer. Gambar simulasi ini memberikan tampilan DNA dengan resolusi lebih tinggi dan menunjukkan bagaimana gerakan dinamisnya membuat bentuknya terus berubah untuk membentuk segudang struktur. Krio-tomografi elektron dari lingkaran DNA kecil juga mengungkapkan temuan mengejutkan lainnya.
Gambar statis kemudian dibandingkan dan dicocokkan dengan bentuk yang dihasilkan dalam simulasi superkomputer. Gambar simulasi ini memberikan tampilan DNA dengan resolusi lebih tinggi dan menunjukkan bagaimana gerakan dinamisnya membuat bentuknya terus berubah untuk membentuk segudang struktur.
Krio-tomografi elektron dari lingkaran DNA kecil juga mengungkapkan temuan mengejutkan lainnya. Pasangan basa dalam DNA seperti alfabet genetik, di mana huruf di satu sisi heliks ganda DNA hanya berpasangan dengan huruf tertentu di sisi lain.
Sementara tim berharap untuk melihat pembukaan pasangan basa yaitu, pemisahan huruf berpasangan dalam alfabet genetik ketika DNA di bawah luka, mereka terkejut melihat pembukaan untuk DNA over-luka ini. Ini karena over-winding seharusnya membuat heliks ganda DNA lebih kuat.
“Gangguan pasangan basa ini dapat menyebabkan engsel fleksibel, memungkinkan DNA menekuk tajam, mungkin membantu menjelaskan bagaimana satu meter DNA dapat dijejalkan ke dalam satu sel manusia,” kata para ilmuwan.
“Langkah selanjutnya adalah mulai menambahkan komponen lain dari sel atau obat antikanker untuk melihat bagaimana bentuk DNA berubah,” kata rekan penulis Dr Jonathan Fogg, dari BMC. “Kami yakin bahwa superkomputer akan memainkan peran yang semakin penting dalam desain obat. Kami mencoba membuat teka-teki dengan jutaan keping, dan mereka semua terus berubah bentuk,” tutup Dr Harris.
Pasangan basa dalam DNA seperti alfabet genetik, di mana huruf di satu sisi heliks ganda DNA hanya berpasangan dengan huruf tertentu di sisi lain. Sementara tim berharap untuk melihat pembukaan pasangan basa yaitu, pemisahan huruf berpasangan dalam alfabet genetik ketika DNA di bawah luka, mereka terkejut melihat pembukaan untuk DNA over-luka ini. Ini karena over-winding seharusnya membuat heliks ganda DNA lebih kuat.
“Gangguan pasangan basa ini dapat menyebabkan engsel fleksibel, memungkinkan DNA menekuk tajam, mungkin membantu menjelaskan bagaimana satu meter DNA dapat dijejalkan ke dalam satu sel manusia,” kata para ilmuwan.
“Langkah selanjutnya adalah mulai menambahkan komponen lain dari sel atau obat antikanker untuk melihat bagaimana bentuk DNA berubah,” kata rekan penulis Dr Jonathan Fogg, dari BMC. “Kami yakin bahwa superkomputer akan memainkan peran yang semakin penting dalam desain obat. Kami mencoba membuat teka-teki dengan jutaan keping, dan mereka semua terus berubah bentuk,” tutup Dr Harris. (red)
