Dapatkah kita menyembuhkan penyakit genetik dengan menulis ulang DNA?

Dalam sebuah cerita tentang penemuan ilmiah, ahli biologi kimia David R. Liu membagikan sebuah terobosan: pengembangan pengedit basa yang dapat menulis ulang DNA. Tahapan penting dalam pengeditan genom ini memanfaatkan CRISPR pada tahap lanjut: jika protein CRISPR diibaratkan gunting molekuler yang terprogram untuk memotong susunan DNA spesifik, maka pengedit basa diibaratkan pensil, mampu secara langsung menulis ulang satu per satu huruf DNA. Pelajari lebih lanjut mengenai bagaimana mesin molekuler ini bekerja -- dan potensinya untuk merawat atau bahkan menyembuhkan penyakit genetik.

Karunia terpenting yang pernah
diberikan oleh orang tua Anda

adalah dua pasang
berjumlah tiga miliar huruf dari DNA

yang menyusun genom Anda.

Namun, sama seperti hal lain
dengan 3 miliar bagian,

pemberian itu rapuh.

Cahaya matahari, rokok,
makanan tidak sehat,

bahkan kesalahan spontan
yang dibuat oleh sel-sel Anda,

semua dapat menyebabkan
perubahan pada genom Anda.

Jenis perubahan DNA yang paling umum

adalah penukaran sederhana satu huruf,
atau basa, seperti contoh penukaran C,

dengan basa lain,
seperti T, G, atau A.

Sel-sel di dalam tubuh Anda
akan mengumpulkan secara kolektif

miliaran penukaran basa,
yang juga disebut sebagai "mutasi titik."

Saat ini, kebanyakan mutasi titik
tidak berbahaya.

Namun sesekali,

sebuah mutasi titik
mengganggu kemampuan penting pada sel

atau membuat sel salah berfungsi
dalam cara yang berbahaya.

Jika mutasi yang terjadi
diturunkan dari orang tua Anda

atau terjadi saat dini
dalam awal perkembangan,

akan menyebabkan banyak sel atau
semua sel pada tubuh Anda

mengandung mutasi yang berbahaya ini.

Kemudian Anda dapat menjadi
satu dari seratus juta orang

dengan penyakit genetik,

seperti anemia sel sabit atau progeria

atau distrofi otot
atau penyakit Tay-Sachs.

Penyakit genetik serius
yang disebabkan oleh mutasi titik

sangatlah sulit,

karena seperti yang kita tahu
penukaran satu huruf spesifik

yang menyebabkan penyakit, secara teori
juga dapat menyembuhkan penyakit tersebut.

Jutaan orang menderita anemia sel sabit

karena mengalami mutasi titik
penukaran basa A dengan basa T

pada kedua salinan gen hemoglobin mereka.

Anak-anak dengan progeria
terlahir dengan basa T

pada salah satu sisi genom

di mana normalnya adalah C,

dengan konsekuensi yang buruk,
di mana anak-anak cerdas ini

menua dengan sangat cepat
dan meninggal pada usia sekitar 14 tahun.

Sepanjang sejarah kedokteran,

kita belum punya cara yang efisien
untuk memperbaiki mutasi titik

pada sistem kehidupan,

untuk mengubah basa T penyebab penyakit
kembali menjadi basa C.

Mungkin hingga sekarang.

Karena laboratorium saya belakangan ini
berhasil mengembangkan kemampuan itu,

yang kami sebut "pengeditan basa".

Cerita di balik pengeditan basa

bermula sejak tiga miliar tahun lalu.

Kita berpikir bahwa
bakteri sebagai sumber infeksi,

namun bakteri sendiri
juga rentan mengalami infeksi,

khusunya, oleh virus.

Sekitar tiga miliar tahun lalu,

bakteri mengembangkan sistem pertahanan
untuk melawan infeksi virus.

Sistem pertahanan itu
dikenal dengan sebutan CRISPR.

Dan senjata utama dari CRISPR
adalah protein ungu ini

yang bertindak sebagai gunting molekuler
untuk memotong DNA,

memecah rantai ganda menjadi dua bagian.

Jika CRISPR tidak dapat membedakan
antara DNA bakteri dan virus,

maka sistem pertahanan ini
tidak akan berguna.

Tetapi fitur paling menakjubkan CRISPR

adalah gunting yang dapat
diprogram untuk mencari,

berikatan dan memotong

hanya rangkaian DNA spesifik tertentu.

Sehingga ketika bakteri mengenali
virus untuk pertama kalinya,

ia dapat menyimpan
sedikit bagian dari DNA virus

yang kemudian digunakan sebagai program
untuk mengarahkan gunting CRISPR

untuk memotong rangkaian DNA virus
pada infeksi yang akan datang.

Memotong DNA virus merusak fungsi
gen virus yang telah dipotong,

dan kemudian mengganggu
siklus hidup virus.

Beberapa peneliti hebat seperti
Emmanuelle Charpentier, George Church,

Jennifer Doudna dan Feng Zhang

enam tahun lalu menunjukkan bagaimana
gunting CRISPR dapat diprogram

untuk memotong urutan DNA yang kita pilih,

termasuk urutan genom yang Anda miliki,

alih-alih urutan DNA virus
yang dipilih bakteri.

Namun keluaran yang dihasilkan
sebenarnya mirip.

Memotong urutan DNA pada genom Anda

juga mengganggu fungsi dari
gen yang terpotong, khususnya,

dengan menyebabkan insersi dan delesi
dari campuran acak basa DNA

pada daerah pemotongan.

Saat ini, mengacaukan gen dapat
sangat berguna untuk beberapa penggunaan.

Namun untuk sebagian besar mutasi titik
yang menyebabkan penyakit genetik,

hanya memotong gen yang termutasi
tidak akan membawa keuntungan bagi pasien,

karena fungsi dari gen yang termutasi
harus dipulihkan,

tidak untuk dikacaukan lebih lanjut.

Sehingga memotong gen hemoglobin
yang telah termutasi

yang menyebabkan anemia sel sabit

tidak akan memulihkan kemampuan pasien
untuk membuat sel darah merah normal.

Dan selagi kita terkadang dapat
mengenalkan urutan DNA baru pada sel

untuk menggantikan urutan DNA
di sekitar daerah pemotongan,

proses itu, sayangnya,
tidak bekerja untuk kebanyakan tipe sel,

dan hasil dari gen yang terganggu
masih mendominasi.

Seperti ilmuwan lain,
saya bermimpi masa depan

di mana kita dapat merawat,
atau bahkan menyembuhkan

penyakit genetik manusia.

Namun saya melihat kurangnya cara
untuk mengatasi mutasi titik,

yang menyebabkan
kebanyakan penyakit genetik pada manusia,

yang merupakan masalah besar.

Sebagai ahli kimia, saya bekerja
dengan murid-murid saya

untuk mengembangkan cara
mengaplikasikan kimia ke DNA individu,

untuk benar-benar mengatasi,
ketimbang mengacaukan mutasi yang ada.

Hasil dari usaha kami adalah
mesin molekuler

yang disebut "pengedit basa."

Menggunakan mekanisme pencarian
gunting CRISPR yang dapat diprogram,

namun alih-alih menggunting DNA,

mereka secara langsung mengubah
satu basa ke basa lain

tanpa mengacaukan gen yang lainnya.

Jadi, jika menganggap protein CRISPR
sebagai gunting molekuler,

Anda dapat membayangkan
pengedit basa sebagai pensil,

mampu menulis ulang secara langsung
satu basa DNA ke basa lain

dengan menyusun ulang
atom-atom dari satu basa DNA

sehingga menjadi basa lain.

Saat ini, tidak ada pengedit basa alami.

Kami membuat pengedit basa pertama,
seperti yang ditampilkan,

dari tiga protein terpisah

yang berasal dari organisme berbeda.

Diawali dengan mengambil gunting CRISPR
dan melumpuhkan kemampuan menggunting DNA

selagi menjaga kemampuannya untuk mencari
dan berikatan dengan urutan DNA target

secara terprogram.

Gunting CRISPR yang telah lumpuh,
yang berwarna biru,

kami melekatkan protein kedua
dengan warna merah,

yang menjalankan reaksi kimia
pada basa C DNA,

mengubahnya menjadi basa
yang bertindak seperti basa T.

Ketiga, kami harus melekatkan
pada dua protein pertama

protein dengan warna ungu,

yang melindungi basa yang telah diedit
disingkirkan oleh sel.

Hasil akhirnya adalah
tiga bagian protein buatan

yang pertama kalinya mampu
mengubah basa C menjadi basa T

di lokasi spesifik pada genom.

Namun pada titik ini,
pekerjaan kami hanya setengah selesai.

Karena agar dapat stabil di dalam sel,

dua untai rantai ganda DNA
harus membentuk pasangan basa.

Dan karena basa C hanya berpasangan
dengan basa G,

serta basa T hanya berpasangan
dengan basa A,

menukar basa C dengan T di satu untai DNA
menyebabkan ketidakcocokan,

pertentangan antara dua untai DNA

yang harus diatasi oleh sel
dengan melakukan penggantian untaian.

Kami menyadari bahwa kami dapat membuat
protein tiga bagian ini

untuk menandai untaian yang belum diedit
sebagai untaian untuk digantikan

dengan memotong untaian tersebut.

Pemotongan kecil ini dapat menipu sel

dengan menggantikan basa G tidak diedit
dengan basa A

seakan ia membuat ulang
untaian yang dipotong,

sehingga terjadi penyelesaian konversi
pasangan basa yang dulu nya adalah C-G

menjadi pasangan basa T-A yang stabil.

Setelah bertahun-tahun berusaha

dipimpin seorang mantan pasca doktor
laboratorium, Alexis Komor,

kami berhasil mengembangkan
pengedit basa kelas pertama,

yang mengubah basa C menjadi basa T
dan basa G menjadi basa A

pada posisi target yang kita pilih.

Di antara lebih dari 35.000 penyakit
yang disebabkan oleh mutasi titik,

dua jenis mutasi yang dapat ditangani oleh
pengedit basa ini

adalah berkisar 14 persen atau 5.000 lebih
mutasi titik patogen.

Namun memperbaiki bagian terbesar
dari mutasi titik penyebab penyakit

membutuhkan pengembangan
pengedit basa kelas kedua,

yang dapat mengubah basa A menjadi basa G
atau basa T menjadi basa C.

Dipimping oleh Nicole Gaudelli,
mantan pasca doktor laboratorium,

kami mulai mengembangkan
pengedit basa kelas kedua ini,

di mana secara teori, dapat memperbaiki
hampir setengah mutasi titik patogenik,

termasuk mutasi yang menyebabkan
penyakit penuaan cepat yaitu progeria.

Kami menyadari bahwa kami
dapat meminjam

mekanisme penargetan dari
gunting CRISPR

untuk membawa pengedit basa baru
ke letak yang benar pada genom.

Namun kami menemukan
sebuah masalah besar;

yaitu tidak adanya protein

untuk mengubah basa A menjadi G
atau basa T menjadi C

pada DNA.

Dihadapkan pada sebuah hambatan serius,

kebanyakan murid biasanya
akan mencari proyek lain,

atau pembimbing penelitian lain.

(Tertawa)

Nicole setuju untuk membuat rencana

yang terlihat sangat ambisius saat itu.

Mengingat tidak adanya protein
secara alami

yang melakukan reaksi kimia
yang dibutuhkan,

kami memutuskan bahwa kami dapat
membuat protein sendiri di laboratorium

untuk mengubah basa A menjadi
basa yang bertindak seperti basa G,

dimulai dari sebuah protein yang
menjalankan reaksi kimia pada RNA.

Kami menerapkan sistem seleksi Darwin,
kelangsungan hidup bagi yang sesuai

yang menyelidiki sepuluh juta
variasi protein

dan hanya meloloskan variasi yang langka

yang dapat menjalankan reaksi kimia
dibutuhkan untuk bertahan hidup.

Kami membuat protein seperti ini,

protein pertama yang dapat
mengubah basa A pada DNA

menjadi basa yang menyerupai basa G.

Lalu kami lekatkan protein itu

di gunting CRISPR yang telah cacat,
yang berwarna biru,

kami menciptakan pengedit basa kedua,

yang mengubah basa A menjadi basa G,

dan kemudian menggunakan strategi
pemotongan untai yang sama

yang digunakan di
pengedit basa pertama

untuk memperdaya sel sehingga
mengganti basa T asli menjadi basa C

seperti membuat ulang untai,

sehingga pengubahan pasangan basa A-T
menjadi G-C terselesaikan.

(Tepuk tangan)

Terima kasih.

(Tepuk tangan)

Sebagai ilmuwan akademis
di Amerika,

saya tidak biasa
terganggu oleh tepuk tangan.

(Tertawa)

Kami mengembangkan dua kelas pertama
pengedit basa

pada tiga tahun lalu
dan satu setengah tahun lalu.

Namun pada waktu singkat itu,

pengeditan basa telah digunakan luas
oleh komunitas penelitian biomedis.

Pengedit basa telah dikirim
lebih dari 6.000 kali

sebagai permintaan lebih dari
1.000 peneliti di seluruh dunia.

Ratusan karya tulis penelitian ilmiah
telah dipublikasi,

menggunakan pengedit basa pada organisme
mulai dari bakteri

hingga tumbuhan, tikus hingga primata.

Selagi pengedit basa terlalu baru

untuk memasuki percobaan klinis
pada manusia,

ilmuwah telah berhasil mencapai
tonggak penting menuju tujuan itu

dengan menggunakan pengedit basa
pada hewan

untuk memperbaiki mutasi titik yang
menyebabkan penyakit genetik pada manusia.

Sebagai contoh,

tim ilmuwan gabungan dipimpin oleh
Luke Koblan dan Jon Levy,

dua murid tambahan di
laboratorium saya,

belakangan ini menggunakan virus untuk
mengantarkan pengedit basa kedua

kepada tikus yang menderita progeria,

mengganti basa T yang menyebabkan penyakit
kembali menjadi C

dan memulihkan akibat
pada tingkat DNA, RNA, dan protein.

Pengedit basa juga telah digunakan
pada hewan-hewan

untuk memulihkan akibat dari tirosinemia,

thalasemia beta, distrofi otot,

fenilketonuria,
suatu ketulian bawaan, dan

sebuah tipe penyakit kardiovaskular --

dengan secara langsung memperbaiki
mutasi titik

yang menyebabkan atau berperan
pada penyakit ini.

Pada tumbuhan, pengedit basa digunakan

untuk mengenalkan perubahan
huruf DNA tunggal

yang dapat menghasilkan panen lebih baik.

Ahli biologi menggunakan pengedit basa
untuk menyelidiki peran tiap huruf

pada gen yang berhubungan dengan penyakit,
seperti kanker.

Dua perusahaan yang saya dirikan,
Beam Therapeutics dan Pairwise Plants,

menggunakan pengedit basa untuk
merawat penyakit genetik manusia

dan untuk meningkatkan pertanian.

Semua penggunaan pengedit basa ini

telah dilakukan selama kurang dari
tiga tahun terakhir:

pada skala waktu sejarah ilmuwan,

dalam kedipan mata.

Pekerjaan lain menunggu

sebelum pengedit basa dapat mewujudkan
potensi penuhnya

untuk meningkatkan kehidupan pasien dengan
penyakit genetik.

Selagi banyak dari penyakit ini
dianggap dapat disembuhkan

dengan memperbaiki mutasi penyebabnya

bahkan pada bagian paling sederhana sel
pada organ,

mengaplikasikan mesin molekuler
seperti pengedit basa

pada sel-sel tubuh manusia

dapat sangat menantang.

Menggunakan sifat alami virus
untuk mengantarkan pengedit basa

ketimbang molekul
yang menyebabkan pilek

merupakan salah satu
strategi yang menjanjikan

yang telah sukses digunakan.

Melanjutkan pengembangan
mesin molekuler baru

yang dapat membuat semua
cara tersisa

untuk mengubah satu pasang basa
menjadi pasangan basa lain

dan meminimalkan pengeditan
tidak diinginkan pada lokasi target

sangatlah penting.

Melibatkan ilmuwan lain, dokter,
ahli etika, dan pemerintah

untuk memaksimalkan kemungkinan
penggunaan pengedit basa secara serius,

aman dan sesuai etika,

merupakan sebuah kewajiban penting.

Meskipun demikian tantangan ini,

jika Anda memberi tahu saya
bahkan 5 tahun lalu

bahwa peneliti di seluruh dunia

akan menggunakan mesin molekuler
yang dikembangkan di laboratorium

untuk mengubah secara langsung
pasangan basa individu

menjadi pasangan lain

pada lokasi spesifik di genom manusia

secara efisien dan dengan
risiko lain yang minim,

saya akan bertanya,

"Novel fiksi ilmiah apa yang Anda baca?"

Terima kasih untuk kelompok murid
yang berdedikasi tanpa henti

yang cukup kreatif untuk membuat
sesuatu yang dapat kami rancang sendiri

dan cukup berani
mengembangkan apa yang kita tidak bisa,

pengedit basa telah mulai mengubah
cita-cita seperti fiksi ilmiah

menjadi realita baru yang menarik,

di mana pemberian terpenting
yang kita berikan pada anak-anak kita

dapat saja tidak hanya
tiga miliar huruf DNA,

namun juga sesuatu untuk
melindungi dan memperbaikinya.

Terima kasih.

(Tepuk tangan)

Terima kasih.