Mengembangkan obat-obatan – dengan puluhan ribu tetesan sangat kecil di piring kaca kecil
Hanya diperlukan pelat kaca, tabung halus, dan penangas minyak: berkat metode baru, para peneliti di ETH Zurich dapat menghasilkan puluhan ribu tetesan kecil dalam hitungan menit. Hal ini memungkinkan mereka menguji enzim dan bahan aktif dengan lebih cepat, lebih tepat, dan dengan cara yang lebih hemat sumber daya dibandingkan sebelumnya.
oleh Deborah Kyburz, Komunikasi Korporat
(Gambar: Breitfeld dkk.)
Apa yang terjadi jika suatu enzim bertemu dengan bahan aktif potensial yang seharusnya menghambat atau mengaktifkan enzim tersebut? Inilah inti dari pengembangan obat-obatan. Namun, menganalisis interaksi enzim dengan molekul bahan aktif sangatlah kompleks. Kelompok yang dipimpin oleh Petra Dittrich, Profesor Bioanalitik di ETH Zurich, telah mengembangkan metode yang secara radikal menyederhanakan pengujian tersebut: metode mereka memungkinkan hingga 100.000 tetesan sangat kecil yang mengandung enzim dan substrat diproduksi di piring kaca – hanya dalam waktu 40 menit dan tanpa melibatkan pipet.
Hingga saat ini, sebagian besar peneliti telah menggunakan pelat mikrotiter untuk analisis tersebut, yaitu pelat plastik standar berukuran tangan yang dilengkapi dengan sekitar 1.500 sumur kecil. Masing-masing ceruk ini pada dasarnya adalah tabung reaksi mini yang diisi dengan pipet. Metode baru yang dikembangkan para peneliti jauh lebih efisien, ramah sumber daya, dan fleksibel.
Tetesan mendarat dengan akurat
Inti dari metode ini adalah pelat kaca berlapis seukuran slide mikroskop, berukuran sekitar dua kali tujuh sentimeter. Permukaannya ditutupi dengan lapisan anti air yang telah terpapar hingga 100.000 titik: tempat pendaratan tetesan air (hidrofilik) yang kecil dan menyukai air. Larutan uji dimasukkan melalui tabung halus ke pelat kaca, yang bergerak di bawah kendali yang tepat. Segera setelah cairan mencapai titik hidrofilik, setetes kecil terpisah dan menempel tepat di sana. Tetesannya berukuran kecil: tergantung pada ukuran pelat kaca, diameternya berkisar antara 50 hingga 250 mikrometer – lebih tipis dari rambut manusia dan hampir tidak terlihat dengan mata telanjang.
Untuk menjaga agar tetesan tetap stabil, seluruh pelat kaca direndam dalam penangas minyak yang dangkal. Minyak mencegah sejumlah kecil cairan menguap, bahkan selama percobaan seharian penuh, sementara minyak melindungi terhadap kontaminasi. Setelah percobaan, minyak tersebut bahkan dapat dikumpulkan, dibersihkan, dan digunakan kembali.
Seluruh proses produksi tetesan diotomatisasi melalui perangkat kompak seukuran mikroskop yang juga dapat melakukan mikroskop, mengolah sel, dan mengubah sampel secara otomatis. “Dulu diperlukan waktu setengah jam untuk menyiapkan semuanya dengan benar,” Breitfeld menceritakan. “Saat ini, berkat otomatisasi kami, yang diperlukan hanyalah menekan satu tombol dan eksperimen dapat berjalan,” kata Maximilian Breitfeld, ilmuwan di kelompok penelitian Dittrich. Terlebih lagi, kombinasi kontrol presisi dan perlindungan minyak fisik memungkinkan komposisi tetesan divariasikan sesuai target – terkadang dengan lebih banyak, terkadang dengan bahan aktif lebih sedikit, sehingga menghasilkan gradien konsentrasi yang halus. Para peneliti dapat memanfaatkan hal ini untuk mengamati enzim dalam jangka waktu yang lebih lama, misalnya, atau untuk menyelidiki efek bahan aktif pada sel dalam pengujian yang sangat paralel. Tetesan tersebut kemudian dianalisis dengan mikroskop fluoresensi atau spektrometri massa, sehingga reaksi enzim dapat dilacak dengan tepat.
Ketika jam menjadi menit
Ide dasarnya berasal dari pekerjaan sebelumnya yang dilakukan oleh kelompok tersebut di mana mereka telah menghasilkan tetesan untuk aplikasi penyaringan. “Kami tahu cara kerja teknologi pada prinsipnya, namun dalam praktiknya teknologi itu terlalu lambat untuk bisa bersaing,” kata Dittrich. Mantan mahasiswa doktoral Maximilian Breitfeld dan Claudius Dietsche mengambil langkah tegas: proses baru mereka yang dikembangkan tidak hanya mempercepat pembangkitan drop secara besar-besaran tetapi juga mengotomatisasi seluruh proses.
ETH Zurich telah mematenkan proses tersebut dan menominasikannya sebagai finalis Spark Award tahun ini.
Mengelola sejumlah besar data
Potensi luar biasa yang dimiliki metode ini juga menimbulkan tantangan baru. “Kami menghasilkan data dalam jumlah besar,” kata Dittrich. “Tidak mungkin lagi mengevaluasi hal ini secara manual – kita memerlukan solusi perangkat lunak yang membantu kita menganalisis informasi dengan cara yang bermakna.”
Meskipun jumlah data meningkat pesat, konsumsi sumber daya masih sangat rendah: hingga lima kilogram plastik yang tidak dapat didaur ulang dapat dihemat per percobaan, minyak yang digunakan dapat dikumpulkan, sementara konsumsi bahan kimia berkurang secara drastis dibandingkan dengan metode konvensional, mengingat seluruh percobaan yang dijalankan hanya memerlukan mikroliter, bukan liter media reaksi.
Meskipun demikian, metode ini mempunyai keterbatasan yang jelas. Meskipun tetesan kecil sempurna untuk reaksi cepat dalam volume kecil, seperti yang biasa terjadi pada mikrofluida, metode baru ini tidak cocok untuk cairan dalam volume besar atau kultur jaringan yang tumbuh selama beberapa minggu.
Dari penelitian hingga spin-off
Para peneliti sekarang merencanakan spin-off untuk meluncurkan metode ini ke pasar. Mereka berencana untuk menjual sistem lengkap yang terdiri dari pelat kaca, peralatan dan perangkat lunak – serta pengujian biologis berdasarkan sistem tersebut sebagai pilihan.
“Bagi saya, sangat penting bahwa sistem ini benar-benar dapat diandalkan dan mudah digunakan,” kata Dietsche. “Ini hanya dapat digunakan di luar laboratorium penelitian kami jika kami dapat menjamin kemudahan penggunaannya.” Permintaan sudah terlihat jelas dalam laporan para peneliti, dan nominasi Spark Award memberi mereka momentum tambahan untuk rencana spin-off ini.
Spark Award 2025 – proyek-proyek ini sedang dalam tahap akhir
Pada tanggal 27 November 2025, ETH Zurich akan mempersembahkan Spark Award untuk penemuan terbaik tahun ini untuk ke-14 kalinya di ETH Zurich @ Open-i. Kriteria penghargaannya adalah orisinalitas, kekuatan paten, dan potensi pasar. Selain metode yang disajikan di sini, empat proyek lainnya termasuk di antara lima finalis.
Anda dapat mengakses pemenang Spark Award 2012-2024 di sini.
Upacara Spark Award, Hari Industri @ Open-I, Kamis, 27 November 2025, 13.30, Kongresshaus Zurich. Pendaftaran diperlukan.
Referensi
Breitfeld M, Dietsche CL, Saucedo-Espinosa MA, Berlanda SF, Dittrich PS: Pembentukan susunan mikrodroplet yang sangat cepat dengan gradien kimia untuk penentuan kinetika reaksi enzimatik tanpa label. Kecil 2025, doi: 10.1002/smll.202410275 .
