“Film Molekuler” Pertama di Dunia: Saksikan DNA Menjadi Cetak Biru Kehidupan dalam Waktu Nyata
Dengan menggunakan pendekatan inovatif, para ilmuwan EMBL mengungkap interaksi utama antara mesin molekuler, yang berpotensi membuka jalan baru untuk pengembangan obat.
Memilih film untuk menonton film malam selalu merupakan perjuangan. Sekarang bayangkan jika Anda dapat memilih salah satu yang memberikan gambaran tentang beberapa proses biologis paling mendasar yang membuat kita tetap hidup. Untuk pertama kalinya, para peneliti menangkap film molekuler real-time untuk menunjukkan bagaimana dua proses seluler penting – transkripsi dan translasi – berinteraksi satu sama lain pada bakteri.
Pada semua organisme hidup,[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>DNA contains the code that defines cellular structures and functions. An enzyme called RNA polymerase deciphers this code and converts it into RNA, a molecule that closely resembles DNA. This transfer of life’s code from DNA to RNA is called transcription. Next, a molecular machine called ‘ribosome’ uses the message encoded in RNA to build proteins – the molecules performing most of the essential functions of our cells. This process is called translation.
Video ini merangkum bagaimana kami saat ini memahami bagaimana transkripsi dan terjemahan digabungkan secara fisik dan fungsional satu sama lain. Dengan menggunakan mikroskop fluoresensi molekul tunggal multi-warna, kami secara bersamaan melacak pemanjangan transkripsi dan translasi serta hubungan antara RNA polimerase dan ribosom. Kita melihat bagaimana ribosom tunggal melambat saat bertabrakan dengan RNA polimerase dan mengaktifkan RNA polimerase melalui penggandengan fisik jarak jauh. Kredit: EMBL
“Dalam sel bakteri, transkripsi dan translasi terjadi di kompartemen seluler yang sama,” jelas Olivier Duss, Pemimpin Kelompok di EMBL Heidelberg dan penulis senior studi baru ini. “Dalam sel manusia, transkripsi terlokalisasi pada nukleus – kompartemen tempat DNA disimpan, dipisahkan dari sel lainnya oleh membran. RNA yang ditranskripsi kemudian diangkut ke luar nukleus untuk diterjemahkan menjadi protein, yang secara eksklusif terjadi di sitoplasma – kompartemen seluler yang mengelilingi nukleus. Sel bakteri jauh lebih sederhana dalam struktur selulernya, dan tidak memiliki inti, sehingga memungkinkan transkripsi dan translasi terjadi tidak hanya di tempat yang sama tetapi juga pada waktu yang sama.”
Para ilmuwan sebelumnya telah mengkarakterisasi transkripsi dan translasi sebagai proses tunggal, namun bagaimana keduanya berinteraksi masih belum dipahami dengan baik. Hal ini sebagian karena penelitian tersebut mengandalkan teknik seperti mikroskop krio-elektron, yang memerlukan sampel beku, sehingga hanya memberikan gambaran singkat dari prosesnya.
Alat Canggih untuk Menangkap Interaksi Molekuler
Masalah ini menarik minat Duss Group, yang menggunakan teknologi molekul tunggal, biologi struktural, dan biokimia untuk memahami bagaimana mesin molekuler besar yang terlibat dalam fungsi seluler penting bekerja sama satu sama lain.
Untuk menyelidiki bagaimana penerjemahan dan transkripsi bekerja sama, tim peneliti, yang dipimpin oleh ilmuwan peneliti Nusrat Qureshi, secara artifisial menciptakan kembali lingkungan seluler yang diperlukan agar proses ini berlangsung. Hal ini memungkinkan mereka untuk melacak secara dekat dinamika interaksi ribosom dan RNA polimerase, satu pasang pada satu waktu, menggunakan teknik yang disebut mikroskop fluoresensi multi-warna molekul tunggal.
Sederhananya, teknik ini bekerja dengan menandai RNA polimerase dan ribosom dengan bahan kimia kecil yang bertindak sebagai sensor jarak. Ketika kedua molekul berinteraksi, mereka memancarkan sinyal yang dapat ditangkap oleh mikroskop fluoresen. Ketika mereka berhenti berinteraksi, sinyalnya menghilang.
Dengan menggunakan ini, para ilmuwan menangkap beberapa menit interaksi dinamis antara RNA polimerase dan ribosom. Untuk pertama kalinya, mereka dapat melihat melalui mikroskop dan sekaligus menyaksikan proses transkripsi dan terjemahan.
“Saya sangat gembira bahwa kami akhirnya dapat menyaksikan keseluruhan prosesnya,” kata Duss. “Kami dapat menerapkan gambaran ini, dan hal ini memungkinkan kami lebih memahami bagaimana kedua mesin bekerja sama. Dengan menggabungkan semuanya, kita mulai melihat munculnya perilaku yang tidak dapat diprediksi.”
Salah satu perilaku baru yang ditemukan para ilmuwan adalah bahwa RNA polimerase dan ribosom dapat berkomunikasi bahkan dari jarak jauh, dengan rangkaian perulangan RNA yang agak panjang yang menghubungkan keduanya.
Dalam hal ini, kedua mesin molekuler tersebut bertindak seperti sepasang pendaki gunung yang diikat dengan tali panjang. Talinya cukup longgar untuk mencegah benturan satu sama lain, namun cukup ketat agar setiap pemanjat dapat membantu satu sama lain bila diperlukan.
Tim juga mengamati bahwa transkripsi lebih efisien ketika penerjemahan terjadi pada waktu yang bersamaan. Dengan kata lain, ketika RNA polimerase aktif diikuti oleh molekul RNA yang sama oleh ribosom yang berkembang, produktivitasnya menjadi lebih tinggi.
“Sungguh indah bisa menyaksikan bagaimana proses-proses ini bekerja sama. Siapa pun yang bekerja dalam tim mengetahui pentingnya kolaborasi,” kata Duss. “Jika setiap orang mencoba bekerja sendiri-sendiri, efisiensinya akan jauh lebih rendah. Sepertinya mesin molekuler sel juga mengetahui hal ini.”
Implikasi terhadap Pengembangan Antibiotik
Studi baru ini dipublikasikan di jurnal Alam.
Meskipun penelitian ini berfokus pada molekul terisolasi dalam pengaturan buatan, Duss Group kini bersiap untuk memperluas pemahaman mereka tentang proses ini ke sel hidup. Sebagai bagian dari Hibah Konsolidator ERC yang baru-baru ini diberikan, mereka juga berencana untuk memasukkan proses seluler tambahan dalam penelitian ini untuk melihat apakah koordinasi 'pendakian' melibatkan lebih dari dua mitra.
Menjelaskan cara kerja mekanisme seluler mendasar pada bakteri membuka jalan bagi pengembangan cara baru untuk melawan patogen bakteri pada saat resistensi antibiotik merupakan masalah kesehatan yang penting. Para peneliti berpotensi melampaui antibiotik standar, mencegah masalah resistensi dengan secara kooperatif menargetkan dua mesin seluler, bukan hanya satu.
“Pekerjaan ini adalah contoh bagus tentang pentingnya penelitian dasar dalam konteks yang lebih luas,” kata Duss. “Penelitian dasar membantu kita memahami cara kerja biologi, yang kemudian diterjemahkan menjadi penemuan baru seperti obat baru, pengobatan canggih, dan peluang yang lebih baik.”
Referensi: “Melacak penggandengan transkripsi-terjemahan secara real time” oleh Nusrat Shahin Qureshi, dan Olivier Duss, 4 Desember 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-08308-w
