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.