Tergolong ke dalam sistem pertahanan apakah sistem crispr/cas di atas

Seluruh organisme yang ada di muka bumi ini, mulai dari mikroorganisme seperti bakteri sampai kita, manusia, memiliki suatu komponen kehidupan unik sebagai pembawa identitas dari dirinya, yakni materi genetika atau DNA (Asam Deoksiribonukleat). DNA sendiri adalah suatu jenis biomolekul berupa  asam nukleat yang membawa segala jenis informasi biologis berkaitan dengan suatu organisme.

Setiap species memiliki struktur rangkaian DNA yang berbeda. Itulah alasan mengapa DNA disebut sebagai suatu identitas yang khas. Rangkaian DNA merupakan suatu cetak biru kehidupan yang menentukan, mengatur, dan mengendalikan seluruh proses kegiatan sel dari suatu organisme dengan menyandikan instruksi-instruksi genetika. Rangkaian DNA setiap species adalah keunikan dari suatu species itu. Ibaratnya, materi genetik itu sebuah ‘coding’ dari suatu makhluk hidup yang mengatur semua sifat tampak (fenotipe). Selain itu, genetik juga mewarisi kode-kode itu ke generasi berikutnya.

Bagaimana jika kita mau ‘menyisipkan’ atau ‘menggunting’ suatu kode gen?

Faktanya, kini sudah ada teknologi rekayasa genetika CRISPR-Cas9 yang dapat mengedit susunan DNA baik itu dengan menyisipkan atau memotong materi genetik yang terdapat di dalamnya. CRISPR, atau yang merupakan singkatan dari clustered regularly interspaced short palindromic repeats sendiri adalah mekanisme pertahanan mikroorganisme uniseluler (bersel satu). CRISPR ialah bagian dari DNA yang mempunyai suatu ciri yang khas; yaitu adanya susunan nukleotida yang berulang dan juga bagian yang berisi materi genetik non-transkripsi, disebut spacer. Spacer letaknya menyebar di seluruh bagian nukleotida berulang itu, berguna untuk mengenali materi genetik virus yang menyerang. Spacer ini sendiri sebenarnya adalah kumpulan materi genetik yang didapat dari virus yang pernah menyerang sebelumnya.

Mikroorganisme dengan sistem pertahanan ini memiliki crRNA (CRISPR RNA), tracrRNA (trans-activating crRNA) dan enzim Cas9 (CRISPR-Associated Protein 9) untuk melawan virus. Saat virus menyerang, CRISPR ditranskripsi menjadi crRNA. Untaian nukleotida dari CRISPR kemudian berperan sebagai template untuk membuat RNA untai tunggal komplementer. Kemudian, enzim Cas9 akan berikatan dengan crRNA dan tracrRNA untuk memotong lalu menghancurkan materi genetik virus. 

Kemampuan untuk memotong materi genetik inilah yang menjadi cikal bakal ide teknologi rekayasa genetika dengan CRISPR-Cas9.

Lalu bagaimana cara kerja sistem rekayasa genetika CRISPR-Cas9?

Pada hakikatnya, cara kerja sistem CRISPR-Cas9 ini relatif mirip dengan cara kerja mekanisme pertahanan mikroorganisme yang sebelumnya sudah dijelaskan.

Bedanya adalah, pada mikroorganisme uniseluler terdiri atas cas9, crRNA, dan tracrRNA, sementara pada CRISPR-Cas9 hanya butuh guide RNA (gRNA) dan enzim Cas9 saja. Pada artikel ilmiah yang dipublikasi oleh Martin Jinek pada 2012, crRNA dan tracrRNA bisa digabungkan menjadi gRNA, membuat sistem CRISPR-Cas9 menjadi lebih simpel.

Enzim Cas9 bekerja sebagai gunting pada DNA yang dapat memotong untaian DNA di suatu lokasi yang spesifik. Sementara itu, guide RNA (gRNA) adalah untaian RNA yang terdiri atas 20 basa nitrogen yang mengarahkan kemana enzim Cas9 harus memotong suatu untaian DNA.

DNA kemudian dipotong di kedua sisi untaiannya. Pemotongan materi genetik ini nantinya akan mengaktifkan mekanisme perbaikan sel. Inilah waktunya untuk mencetuskan suatu mutasi atau perubahan gen.

Ilustrasi cara kerja CRISPR-Cas9 dalam memotong DNA target dan menginduksikan mutasi genetik.

Menurut Proyek Huntington di Universitas Stanford, ada dua cara untuk membuat adanya perubahan genetik. Yang pertama, adalah NHEJ (non-homogeneous end joining) yaitu menggabungkan kedua ujung DNA hasil potongan tanpa membutuhkan template homolog. Penggabungan ini biasanya membuat adanya materi genetik yang masuk (insersi) atau terhapus (delesi), sehingga menyebabkan terjadinya mutasi. Pada kebanyakan kasus, mudah terjadi kesalahan atau mutasi yang tak diinginkan dengan NHEJ karena tidak ada template.

Yang kedua adalah dengan metode HDR (Homology Directed Repair), yaitu menyisipkan materi genetik pada tempat kosong bekas gen lama berada dengan bantuan template homolog. Dengan metode HDR, proses penyuntingan DNA dapat menjadi lebih presisi daripada dengan NHEJ.

Ilustrasi penyisipan/penghapusan materi genetik pada DNA yang sudah dipotong, baik secara NHEJ maupun HDR

Lalu, bagaimana cara melakukan rekayasa genetika dengan CRISPR-Cas9 secara presisi? Apakah kita bisa menyunting materi genetik sesuai keinginan kita?

Seperti yang sebelumnya sudah dipaparkan, guide RNA dapat mengarahkan enzim Cas9 mengenai gen mana yang harus dipotong.  gRNA memiliki susunan basa nitrogen yang saling komplementer dengan basa nitrogen RNA target (misal A / Adenine dengan U / Uracil, dan C / Cytosine dengan G / Guanine). Contohnya, RNA target adalah ACC-GGC, maka basa nitrogen gRNA adalah UGG-CCG. Karena hal ini, gRNA hanya dapat mengikat pada suatu urutan spesifik pada DNA target.

Ilustrasi pasangan basa nitrogen pada RNA, dimana Cytosine (C) mengikat Guanine (G) dan Uracil (U) mengikat Adenine (A)

Adanya sifat gRNA yang seperti ini, kita bisa membuat Cas9 untuk dapat memotong bagian DNA mana saja sesuai keinginan. Caranya adalah dengan mengubah susunan nukleotida dari gRNA menjadi komplementer dari RNA hasil transkripsi DNA target.

“Kita bisa mengarahkan kemana enzim Cas9 harus memotong dengan cara menyusun 20 nukleotida yang berkomplementer dengan nukleotida dari gen yang mau disunting.” ujar George Church, profesor genetika dari Sekolah Kedokteran Harvard.

Sementara itu, untuk memasukkan DNA baru secara presisi, menggunakan metode HDR adalah pilihan yang tepat.

Implikasi nyata dan potensi CRISPR-Cas9 sebagai alat modifikasi genetika

Ada banyak sekali potensi dari CRISPR-Cas9 yang dapat memudahkan peneliti dalam menyelesaikan suatu masalah yang berkaitan dengan genetika. Para peneliti memandang CRISPR-Cas9 sebagai masa depan dalam mengatasi berbagai masalah di berbagai bidang akibat susunan genetika yang kurang sesuai.

Salah satunya adalah dapat membantu menyelesaikan banyak masalah di bidang kesehatan seperti menyembuhkan penyakit. CRISPR dapat menyembuhkan beberapa penyakit seperti kanker, penyakit neurodegeneratif, dan penyakit yang sifatnya keturunan. CRISPR-Cas9 dapat menyunting beberapa gen yang dapat menyebabkan suatu penyakit. Baik itu dengan menghapus gen-gen yang menyebabkan terjadinya suatu penyakit maupun mengubah susunan suatu gen untuk menghasilkan suatu karakteristik gen yang kuat dalam melawan suatu penyakit. CRISPR-Cas9 juga sangat memudahkan peneliti dalam menginvestigasi fungsi gen, mengembangkan organisme baru dengan karakteristik yang berbeda melalui mutasi gen, serta membuat simulasi mengenai suatu penyakit yang ada.

Ilmuwan juga dapat mengatasi bakteri yang kebal terhadap antibiotik dengan CRISPR-Cas 9. Untuk mengatasi masalah bakteri yang kebal antibiotik, peneliti mengkode agar enzim Cas9 dapat secara spesifik menyerang bakteri target. Dr. Edgell dan beberapa koleganya berhasil memasukkan plasmid berisi CRISPR enzim Cas9 pada bakteri E. coli yang dapat secara spesifik menyerang bakteri Salmonella. Sehingga jika Salmonella menginfeksi, maka plasmid akan berpindah dari E. coli ke bakteri Salmonella dan sistem CRISPR akan aktif, menghancurkan materi genetik bakteri patogen. CRISPR hanya membunuh bakteri patogen secara spesifik sehingga tidak akan mengganggu keseimbangan mikrobiota dalam usus, berbeda dengan antibiotik yang membunuh semua bakteri yang ada, termasuk bakteri yang menguntungkan.

Selain itu, di bidang pertanian, CRISPR bisa menjadi solusi untuk merekayasa tumbuhan bahan pangan agar memiliki fenotip yang lebih baik. Misalnya, buah-buahan bisa direkayasa agar rasanya lebih manis atau agar buahnya lebih besar. Dengan adanya suatu teknologi untuk merekayasa genetika dari tumbuhan bahan pangan, peneliti dapat menghasilkan sumber pangan yang lebih berkualitas lagi.

Keterbatasan pengaplikasian CRISPR-Cas9 serta kontroversi yang ada

“Rekayasa genetika entah akan menyembuhkan semua penyakit atau malah memusnahkan seluruh umat manusia.”

John Oliver, Last Week Tonight HBO

Seperti petikan di atas, modifikasi genetik memang masih menjadi kontroversi terutama untuk pengaplikasian terhadap manusia. Karena hal ini masih tergolong hal yang baru, masih banyak pro dan kontra tentang penggunaan CRISPR-Cas9 sebagai alat untuk mengedit suatu gen, terutama sel non-somatik (reproduktif).

Mutasi yang tidak sesuai adalah salah satu kekhawatiran yang berkaitan dengan menggunakan CRISPR sebagai teknologi rekayasa genetika. Kesalahan pada rekayasa gen masih sangat rawan terjadi, menyebabkan adanya penghapusan atau masuknya gen yang tidak sesuai dengan kehendak kita. Menurut artikel yang dirilis pada 16 Juli 2018 di jurnal Nature Biotechnology, CRISPR dapat menyebabkan tidak sengajanya perombakan struktur seperti delesi di dekat target pemotongan awal. Ketika Bradley dan koleganya menganalisis hasil suntingan CRISPR, mereka menemukan banyak materi genetik yang hilang. Panjang DNA yang hilang bahkan sampai mencapai beberapa ribu basa nitrogen. Selain itu, urutan struktur DNA pun banyak yang berubah.

Kesalahan pengeditan DNA bisa berakibat fatal. Alih-alih menyembuhkan penyakit, banyak orang khawatir malah akan timbul penyakit baru akibat mutasi yang salah/tidak sesuai. Inilah alasan mengapa rekayasa genetik pada manusia sampai saat ini adalah hal yang illegal. Seperti kutipan di atas, rekayasa genetika bisa saja memusnahkan umat manusia apabila tidak berhati-hati.

Akan tetapi, bagaimanapun juga para ilmuwan akan terus berusaha mengembangkan sistem CRISPR-Cas9 yang lebih baik lagi sehingga bisa lebih aplikatif lagi untuk ke depannya. Para ilmuwan akan terus menganalisa kesalahan pada penyuntingan DNA agar ke depannya penyuntingan materi genetik dapat menjadi lebih presisi.

Referensi

[1] National Human Genome Institute. 2020. Deoxyribonucleic Acid (DNA) Fact Sheet. Diakses pada tanggal 22 Februari 2021, pukul 18.00

[2] Vidyasagar, Aparna. 2019. What Is CRISPR? Diakses pada tanggal 22 Februari 2021, pukul 20.30

[3] yourgenome. 2019. What is CRISPR-Cas9? Diakses pada tanggal 22 Februari 2021, pukul 21.00

[4] MedlinePlus. 2020. What are genome editing and CRISPR-Cas9? Diakses pada tanggal 21 Februari 2021, pukul 21.45

[5] CRISPR Therapeutics. 2021. CRISPR/Cas9 – a specific, efficient and versatile gene-editing technology we can harness to modify, delete or correct precise regions of our DNA. Diakses pada tanggal 21 Februari 2021, pukul 21.53

[6] Universitas Airlangga: Fakultas Sains dan Teknologi. 2019. CRISPR, Teknologi Rekayasa Gen Tercanggih. Diakses pada tanggal 22 Februari 2021, pukul 10.30

[7] Beckman Coulter. Tanpa Tahun. What is the difference between non-homologous end joining (NHEJ) and homology-directed repair (HDR)? Diakses pada tanggal 22 Februari 2021, pukul 14.20

[8] Chakrabarti, Anob M., dkk. 2019. Target-Specific Precision of CRISPR-Mediated Genome Editing. Science Direct: Molecular Cell (Volume 73, Issue 4,  21 February 2019, Pages 699-713.e6). Diakses pada tanggal 22 Februari 2021, pukul 23.00

[9] Licholai, Greg. 2018. CRISPR’s Potential and Dangers: Is CRISPR Worth the Risk? Diakses pada tanggal 23 Februari 2021, pukul 13.50

[10] Synthego. 2021. Everything You Need to Know About CRISPR-Cas9. Diakses pada tanggal 23 Februari 2021, pukul 14.20

[11] Sheikh, Knvul. 2019. Is Crispr the Next Antibiotic? The Newyork Times: Health. Diakses pada tanggal 24 Februari 2021, pukul 12.04

[12] Leford, Heidi. 2018. CRISPR gene editing produces unwanted DNA deletions. Nature : News. Diakses pada tanggal 24 Februari 2021, pukul 14.18