Para peneliti dari ETH Zurich telah berhasil memasukkan sejumlah besar asam amino tidak alami ke dalam bakteri, sehingga memungkinkan terciptanya protein perancang yang inovatif dan sangat efisien. Ini dapat digunakan sebagai katalis yang lebih efisien atau obat yang lebih efektif.
Kehidupan menggunakan 20 bahan penyusun asam amino, tempat protein disusun. Meskipun membatasi jumlah hingga 20 bahan penyusun memungkinkan adanya variasi struktur dan fungsi protein yang luas, hal ini juga menetapkan batasan kimia yang jelas. Namun, di laboratorium, ahli kimia secara teoritis dapat mensintesis ribuan asam amino buatan, banyak di antaranya memiliki sifat yang benar-benar baru.
Bahan penyusun buatan ini dapat secara khusus dimasukkan ke dalam protein sel hidup menggunakan metode bioteknologi. “Protein dengan asam amino tidak alami yang dimasukkan secara khusus membuka banyak kemungkinan baru baik untuk aplikasi medis dan industri serta penelitian ilmiah,” jelas Kathrin Lang, Profesor Biologi Kimia di ETH Zurich.
Terapi baru dan enzim yang kuat
Asam amino buatan membuka kemungkinan baru di semua bidang aplikasi berbasis protein. Berkat kelompok kimia tambahan, protein terapeutik dapat berfungsi lebih efektif dan lebih tepat sasaran. Komponen atau molekul berpendar dengan atom seperti klorin atau fluor, yang biasanya tidak terdapat pada protein, dapat meningkatkan teknik pencitraan dalam kedokteran dan penelitian. Enzim dengan kemampuan katalitik baru menjadi mungkin, dan asam amino ikatan silang spesifik dapat digunakan untuk memproduksi protein yang bekerja secara efisien bahkan dalam kondisi eksternal ekstrem seperti panas atau tekanan. Selain itu, kelompok penggandeng khusus memungkinkan perlekatan zat aktif ke protein pembawa untuk pengangkutan obat yang andal ke jaringan yang sakit.
Membajak sistem transportasi bakteri
Hingga saat ini, penyisipan asam amino sintetik yang ditargetkan ke dalam protein secara signifikan kurang efisien dibandingkan memproduksi protein yang hanya terdiri dari 20 asam amino alami. Oleh karena itu, penerapannya umumnya terbatas pada proyek penelitian skala kecil. Hambatan yang signifikan adalah seringkali hanya sejumlah kecil asam amino tidak alami yang masuk ke dalam bakteri yang digunakan untuk produksi bioteknologi.
Kini, kelompok Lang telah mengembangkan solusi yang memungkinkan asam amino buatan dimasukkan ke dalam bakteri secara efisien. Ini berarti “peralatan asam amino” dapat diperluas untuk digunakan secara luas dalam bidang kedokteran dan industri bioteknologi. Untuk itu, para peneliti telah membajak sistem transportasi alami bakteri E.coli. Ini biasanya berfungsi untuk mengangkut fragmen protein pendek, yang dikenal sebagai peptida, ke dalam sel dari daerah sekitarnya.
Sistem transportasi terdiri dari dua unit: saluran di membran sel dan komponen antar-jemput. Unit antar-jemput mengenali peptida dengan panjang tiga atau empat asam amino dan mengirimkannya ke saluran, yang kemudian menyalurkannya ke bagian dalam sel. Sesampainya di sana, peptida dipecah menjadi bahan penyusun asam amino tersendiri. Ini kemudian tersedia untuk mesin seluler untuk mensintesis protein baru. Karena sistem harus bekerja untuk semua kombinasi asam amino alami, sistem ini tidak terlalu pilih-pilih. Peptida yang mengandung asam amino buatan juga disalurkan – meskipun seringkali hanya dalam jumlah kecil, atau bahkan sama sekali.
Pendekatan evolusioner terhadap pengikatan spesifik
Para ahli biokimia dari ETH menggunakan dua trik untuk memungkinkan sistem transportasi juga mengimpor asam amino yang tidak alami dalam jumlah besar. Pertama, mereka mengemas asam amino ini menjadi peptida sintetik pendek, yang dikelilingi oleh bahan penyusun alami. Pengangkut dengan mudah membiarkan “muatan” ini lewat – seperti kuda Troya molekuler.
Kedua, para peneliti melakukan modifikasi yang ditargetkan pada komponen pesawat ulang-alik. Untuk melakukan ini, mereka menentukan struktur molekul tempat pengikatan peptida di pesawat ulang-alik. Mereka kemudian secara progresif dan sistematis memodifikasi area ini dalam percobaan hingga situs pengikatan disesuaikan dengan peptida spesifik dengan asam amino buatan.
Untuk menyesuaikan situs dengan cara ini, para peneliti menggunakan metode yang meniru evolusi biologis dalam kecepatan tinggi. Pendekatan ini sekarang dapat digunakan untuk menyesuaikan sistem transportasi ke berbagai peptida dengan asam amino yang tidak alami. Misalnya, tim tersebut bahkan mampu memasukkan asam amino berukuran besar atau bermuatan negatif yang sebelumnya tidak dapat diimpor ke dalam sel sama sekali.
“Asam amino yang tidak alami kini tersedia dalam jumlah besar di dalam sel E. coli, bakteri yang paling umum digunakan dalam bioteknologi. Hal ini memungkinkan penggabungan berbagai bahan penyusun buatan ke dalam protein secara efisien menggunakan metode perluasan kode genetik,” kata Tarun Iype, kandidat doktor di kelompok Lang dan salah satu penulis utama studi tersebut.
“Dalam banyak kasus, dimungkinkan untuk memproduksi protein perancang yang mengandung asam amino tidak alami dengan efisiensi yang sama seperti protein alaminya,” tambah Maximilian Fottner, Ilmuwan Senior di kelompok Lang, yang juga merupakan penulis utama studi tersebut. ETH Zurich telah mengajukan paten untuk metode baru ini.
Memperluas sistem ke molekul sintetik lainnya
Metode ini saat ini berhasil pada bakteri E. coli. “Kami juga berupaya merancang sistem serupa pada sel manusia,” kata Lang. “Ini dapat digunakan untuk menghasilkan protein mirip manusia dengan sifat yang membuatnya lebih cocok untuk berbagai aplikasi terapeutik.”
Namun, rencana para ahli biokimia ETH juga melampaui asam amino, seperti yang dijelaskan Lang: “Kami ingin mengembangkan sistem ini lebih jauh sehingga sistem ini juga dapat mengimpor molekul lain yang sebelumnya tidak dapat memasuki sel.” Molekul impor ini kemudian dapat berfungsi sebagai bahan sumber untuk produksi bioteknologi yang efisien dari senyawa kimia kompleks yang sintesisnya saat ini tidak efisien atau tidak mungkin dilakukan.
Referensi
Iype T, Fottner M, Böhm P, Piedrafita C, Möller Y, Groll M, Lang K: Pembajakan transporter ABC bakteri untuk ekspansi kode genetik. Alam 2025, 647: 1045, doi: 10.1038/s41586-025-09576-w
