Remote Control Magnetik Mengendalikan Perilaku Organisme dari Jarak Jauh

Tinuku
(KeSimpulan) Para peneliti menggunakan nanopartikel magnetik yang dipanaskan untuk memanipulasi sel saraf dan kontrol perilaku sederhana nematoda. Kekuatan untuk mengendalikan makhluk hidup dan benda dari jarak jauh adalah bakat supranatural yang populer di dunia fiksi dan fantasi seperti penyihir menebar mantra ke musuh yang terbang secara telekinesis.

Tetapi ketika lebih jauh mengendalikan organisme biologi, ilmu pengetahuan memiliki beberapa trik meskipun tidak ada unsur metafisik. Memanipulasi gangguan proses biologi minimal (mulai dari tingkat sel hingga perilaku organisme keseluruhan) adalah usaha ilmiah yang sedang berkembang untuk lebih memahami bagaimana makhluk hidup bekerja dan untuk mengembangkan pengobatan yang lebih efektif untuk berbagai gangguan kesehatan.

Baru-baru ini, peneliti menciptakan remote control magnetik yang mengubah fungsi sel dan perubahan perilaku cacing kecil. Tim biofisikawan dari State University of New York (SUNY) di Buffalo menggunakan nanopartikel magnetik untuk mengontrol pemanasan protein mengaktifkan saluran ion yang tertanam dalam membran sel saraf sehingga memungkinkan para peneliti merangsang refleks sederhana cacing nematoda.

Untuk pertama kalinya para ilmuwan menggabungan panas dan partikel nanomagnetic untuk mengontrol fungsi sel dan teknik baru yang dilaporkan pada 27 Juni di Nature Nanotechnology menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan dengan metode sebelumnya dan alternatif dari ion-channel manipulation.

"Idenya untuk memulai proses biokimia tertentu dalam sel dengan membalikan saklar magnet. Yang menyenangkan tentang magnet adalah anda sebenarnya tidak perlu menyentuh sel untuk menyalakannya atau mematikan," kata Jon Dobson, insinyur biomedis yang telah memanipulasi fungsi selular dengan partikel magnetik lebih dari 10 tahun di Keele University, Staffordshire, Inggris.

Mengontrol proses di dalam sel-sel hidup harus berhadapan dengan katup molekul, pori-pori dan saluran yang mengatur aliran partikel masuk dan keluar dari sel. Sel saraf mengandalkan saluran ion dan pompa untuk mengatur terus-menerus dan aliran partikel bermuatan pada membran sel memungkinkan sinyal listrik yang digunakan saraf untuk berkomunikasi. Sebelum mengangaktifkan saluran ion, perlu mencari tahu kunci yang tepat.

Saluran ion yang berbeda-beda menanggapi berbagai jenis rangsangan. Beberapa ubur-ubur, alga dan bakteri menghasilkan pompa ion dalam mengaktifkan ion dan saluran. Saluran ion lain menanggapi kekuatan mekanik. Dalam studi baru, para ilmuwan terfokus pada suhu sensitif yang akan terbuka dalam panas yang cukup. Para peneliti mengikat nanopartikel ke membran sel dan menggunakan medan magnet untuk memanaskan nanopartikel yang pada gilirannya akan aktif dan membuka saluran-saluran ion panas yang tertanam dalam membran sel.

"Apa yang unik tentang studi ini mereka menggunakan panas, sehingga anda tidak perlu mengandalkan medan magnet yang kuat," kata Dobson yang menjelaskan bahwa studi sebelumnya terutama menggunakan magnet kecil untuk membuka saluran ion dengan mendorong atau menarik secara benar. "Twist mekanis atau tarikan partikel memerlukan medan magnet yang sangat kuat, tetapi aplikasi di lapangan kekuatan dapat sedikit lebih rendah," kata Dobson.

Manipulasi magnetic juga menawarkan keunggulan dibandingkan optogenetics yaitu suatu teknik yang relatif baru yang justru merangsang atau menghentikan neuron dengan menggunakan sinar cahaya. Sedangkan cahaya tampaknya tidak bisa menembus jaringan biologi lebih dalam dan harus diterapkan untuk kelompok yang sangat spesifik dari sel melalui prosedur invasif, medan magnet adalah noninvasif dan mudah menembus seluruh organisme.

Tim SUNY di Buffalo memutuskan untuk menguji apakah bisa mengendalikan refleks sederhana pada cacing nematoda Caenorhabditis elegans panjang 1 milimeter dengan memanipulasi saluran ion panas yang diaktifkan dalam neuron sensoriknya. Setiap kali C. elegans mendeteksi panas berbahaya secara instingtif mundur dan menelusur ke belakang untuk menghindari potensi kerugian yang mengandalkan saluran-ion suhu sensitif.

Tujuan tim adalah untuk memicu refleks dengan remote control magnetik. Sebelum nematoda disuntik dengan nanopartikel magnetik, para ilmuwan pertama kali melapisi nanopartikel besi mangan (manganese iron) dengan polyethylene glycol, sebuah molekul yang menargetkan partikel ke lapisan lendir pada wilayah amphid (bukaan di dekat mulut nematoda di mana sel-sel saraf host terlibat dalam refleks menghindari panas).

Peneliti kemudian mengaplikasikan sebuah medan magnet yang memanaskan nanopartikel dengan memaksa untuk terus berubah polaritas, melepaskan panas dalam proses. Kenaikan suhu membuka saluran ion dalam sel-sel saraf di wilayah amphid yang memungkinkan masuknya ion kalsium yang memicu refleks menghindari panas.

Dalam lima detik penerapan medan magnet, 34 dari 40 cacing dalam studi berhenti di tempat dan 27 dari mereka muncur ke belakang, seakan mundur dari sumber panas berbahaya. Sedangkan nematoda tanpa nanopartikel magnetik terus meronta maju, benar-benar tidak terpengaruh oleh medan magnet.

Memaksa cacing mundur dengan remote control tampak seperti meraih piala dari studi baru ini. Bagaimanapun para peneliti merupakan pertama kaliya menguji teknik tentang budaya sel sebelum maju ke seluruh pendekatan suatu organisme yang menunjukkan kecanggihan eksperimental yang lebih besar.

"Juga diketahui bahwa anda bisa menyuntikan nanopartikel magnetik dan panas, jadi bagi saya studi nematoda ini tidak seanggun eksperimen sebelumnya. Yang paling menarik di sini dilakukan oleh insinyur genetik sel dalam inovasi nyata untuk pertama kali mengekspresikan kepekaan panas saliran ion," kata Dobson.

Sebelum bermain-main dengan cacing, tim SUNY Buffalo telah mencoba teknik ini pada budaya sel ginjal manusia dan neuron hippocampus embrio tikus yang merupakan bagian dari integral memori otak. Sedangkan pada eksperimen nematoda, para peneliti menargetkan nanopartikel ke saluran ion sensitif suhu yang secara alami ada dalam membran sel saraf cacing, para ilmuwan gen menyisipkan saluran ion sensitif panas yang disebut TRPV1 ke dalam sel tikus dan manusia.

Tetapi sel rekayasa untuk mengekspresikan TRPV1 hanya satu langkah dalam proses yang kompleks. Para peneliti memerlukan cara untuk mengikat nanopartikel ke membran sel sehingga mereka dapat mempengaruhi aktivitas TRPV1. Untuk mencapai ini, para ilmuwan kembali ke membran sel dan nanopartikel menjadi semacam kunci yang kompleks.

Jangankan lapisan nanopartikel dengan polyethylene glycol, para peneliti menutup dengan protein bakteri yang disebut streptavidin. Mereka juga merekayasa sel untuk mengekspresikan molekul peptida tertentu dalam membran yang bertindak seperti kunci bagi streptavidin, memastikan nanopartikel akan terikat dengan membran sel. Para ilmuwan lebih lanjut melapisi nanopartikel dengan molekul fluorescent disebut DyLight549 yang berfungsi sebagai termometer molekul di mana bersinar dengan intensitas yang berbeda pada temperatur yang berbeda.

Setelah perlengkapan nanopartikel dengan berbagai perangkat dan rekayasa molekul membran sel dapat menerima nanopartikel, tim menerapkan solusi nanopartikel dengan budaya sel dan mengaktifkan medan magnet. Dengan segera, fluorescence memancarkan perubahan sel-sel: Membran sel dengan intensitas fluoresensi menurun mengindikasikan suhu naik pada lokus dan tempat-tempat lain dalam sel. Dengan kata lain para peneliti melokalisasi tercapainya pemanasan membran sel tanpa mempengaruhi sisa sel.

Kecukupan panas mengaktifkan TRPV1, membuka saluran masuknya ion kalsium dan memicu potensi jenis tindakan (listrik signaling) yang berfungsi sebagai panduan sel saraf.

"Pada prinsipnya apa yang kita lakukan adalah membiarkan masuknya kalsium ke dalam sel dari jarak jauh. Jika anda berpikir tentang biologi, ada banyak kejadian sel yang dipicu oleh masuknya kalsium dan kemudian membuat sel mengeluarkan sesuatu atau membuat kejutan otot," kata Arnd Pralle, asisten profesor fisika di SUNY Buffalo.

Pralle menjelaskan bahwa remote control saluran ion pada akhirnya dapat mengakibatkan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam memanipulasi proses biologis yang berpotensi klinis dan terapeutik secara signifikan. Menggunakan panas dalam menghancurkan tumor adalah salah satu potensi aplikasi. Juga bisa melumpuhan atau mendorong organ berfungsi untuk mensekresi senyawa penting.

"Saya yakin pasti ada banyak potensi di seluruh topik ini. Partikel-partikel secara relatif dapat ditoleransi dengan baik dalam tubuh dan pada dasarnya kita dapat mengontrol kapan hal ini diaktifkan atau tidak diaktifkan. Tapi ada lebih banyak studi cerdas yang perlu dilakukan sebelum masuk ke dalam klinik," kata Dobson.

Tinuku Store

No comments:

Post a Comment