Sebuah pertanyaan sederhana tapi sulit dijawab selama puluhan tahun: bagaimana cara melihat radikal bebas di dalam sel yang masih hidup, secara langsung, tanpa merusak selnya? drg. Aryan Morita, M.Sc., Ph.D., peneliti dari Departemen Biomedika Kedokteran Gigi Universitas Gadjah Mada yang juga bergabung dengan tim riset di University Medical Center Groningen, Belanda, bersama kolaboratornya berhasil menjawab pertanyaan itu. Pada 2022, mereka mempublikasikan terobosan di jurnal bergengsi Nano Today: menggunakan partikel berlian berukuran nanometer sebagai sensor kuantum untuk mendeteksi radikal bebas di dalam sel ragi hidup, secara real-time, dengan resolusi yang belum pernah dicapai sebelumnya.
Apa Itu Radikal Bebas dan Mengapa Sulit Diukur?
Radikal bebas adalah molekul yang sangat reaktif dan berumur pendek. Tubuh memproduksinya terus-menerus sebagai bagian dari metabolisme normal, tetapi ketika jumlahnya berlebihan, mereka merusak DNA, protein, dan membran sel. Inilah yang mendasari banyak penyakit serius, mulai dari kanker, penyakit jantung, hingga proses penuaan itu sendiri.
Masalahnya, radikal bebas ada dalam konsentrasi sangat kecil, hanya nanomolar hingga mikromolar, dan bisa lenyap dalam hitungan nanodetik. Teknik yang ada selama ini punya keterbatasan serius. Pewarna fluoresen organik yang biasa dipakai untuk mendeteksi radikal bebas di laboratorium bisa rusak oleh cahaya (fotobleaching), tidak spesifik, bahkan bersifat toksik pada konsentrasi tinggi. Sementara MRI konvensional membutuhkan jumlah atom yang sangat besar untuk menghasilkan sinyal, sehingga tidak mampu melihat satu sel secara individual.
Kondisi ini membuat studi tentang radikal bebas di tingkat sel tunggal terasa seperti mencari sesuatu di kegelapan total.
Berlian yang Bisa Merasakan Sinyal Magnetik
Tim yang dipimpin oleh Romana Schirhagl dan Mayeul Chipaux ini menggunakan pendekatan yang sama sekali berbeda: diamond magnetometry atau magnetometri berlian. Partikel berlian berukuran 70 nanometer, yang jauh lebih kecil dari sebuah sel, dimasukkan ke dalam sel ragi (Saccharomyces cerevisiae). Di dalam partikel berlian ini terdapat cacat kristal yang disebut nitrogen vacancy (NV) center.
Cara kerjanya memanfaatkan prinsip kuantum. NV center sangat peka terhadap “kebisingan” magnetik di sekitarnya. Radikal bebas, karena memiliki elektron tidak berpasangan, menghasilkan sinyal magnetik yang lemah tapi terdeteksi. Ketika berlian nano itu disinari laser, waktu yang dibutuhkan NV center untuk kembali ke kondisi dasarnya, yang disebut waktu relaksasi T1, berubah tergantung seberapa banyak radikal bebas ada di sekitarnya. Semakin pendek T1, semakin tinggi konsentrasi radikal bebas.
Sinyal T1 ini setara dengan sinyal T1 pada MRI konvensional, tetapi berasal dari volume sekecil skala nanometer di dalam satu sel tunggal.
“Teknik ini memberi kita kemampuan untuk mengikuti produksi radikal bebas secara real-time pada sel yang masih hidup, sesuatu yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan.” — drg. Aryan Morita, M.Sc., Ph.D., peneliti utama, seperti tertulis dalam publikasi Nano Today (2023)
Dari Sel Muda ke Sel Tua: Apa yang Ditemukan?
Tim menguji empat galur ragi berbeda: galur liar (wild type) dan tiga mutan, yaitu sod1Δ, tor1Δ, dan pex19Δ. Galur sod1Δ kehilangan enzim superoksida dismutase (SOD1), yang bertugas menetralisir radikal bebas. Hasilnya sesuai prediksi: sel-sel ini memiliki beban radikal bebas tertinggi.
Yang lebih menarik adalah temuan pada tor1Δ dan pex19Δ. Kedua mutan ini diketahui memiliki umur yang lebih panjang dari normal, tetapi mekanismenya belum dipahami. Dengan magnetometri berlian, tim menemukan bahwa kedua mutan ini justru memiliki beban radikal bebas yang lebih rendah, bahkan pada sel yang sudah tua. Ini memberikan penjelasan yang selama ini dicari: umur panjang mereka mungkin berkaitan langsung dengan kemampuan menjaga radikal bebas tetap rendah.
Penelitian ini juga membuktikan bahwa antioksidan bekerja nyata di tingkat sel. Penambahan L-asam askorbat (vitamin C) meningkatkan nilai T1, artinya kadar radikal bebas turun. Sedangkan glutathione (GSH) hanya efektif pada galur liar, tidak pada mutan yang kehilangan enzim SOD1.
Keunggulan lain yang menonjol: berlian tidak mengalami fotobleaching, tidak toksik, dan sensor yang sama bisa digunakan berulang kali pada sel yang sama selama berjam-jam bahkan berhari-hari. Ini tidak mungkin dilakukan dengan pewarna organik konvensional.
Jembatan dari Ragi ke Manusia
Ragi dipilih bukan tanpa alasan. Banyak mekanisme penuaan pada ragi ternyata bersifat universal, artinya serupa dengan yang terjadi pada sel manusia. Proses penuaan kronologis pada ragi, di mana sel berhenti membelah dan hanya “menunggu” sambil terus menua, adalah model yang relevan untuk berbagai jenis sel manusia yang tidak aktif membelah, seperti sel saraf.
Tim menyatakan bahwa metode yang sama pada prinsipnya bisa diterapkan pada sel mamalia. Keterbatasan saat ini adalah kebutuhan akses optik, sehingga sampel harus cukup transparan. Namun ke depan, teknik ini berpotensi membuka cara baru untuk menguji efek obat-obatan, mempelajari mekanisme penyakit, bahkan mengevaluasi mutasi genetik yang berkaitan dengan penuaan.
Temuan ini bukan sekadar pencapaian fisika kuantum yang masuk ke biologi. Ini adalah jendela baru ke dalam salah satu proses paling fundamental dalam kehidupan: bagaimana sel menua, bagaimana mereka bertahan dari tekanan, dan mengapa beberapa di antara mereka hidup lebih lama dari yang lain. Jawabannya, ternyata, tersimpan dalam getaran magnetik yang hanya bisa dibaca oleh berlian seukuran seperseribu rambut manusia.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Foto: Freepik
Sumber DOI: https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101704
