Bayangkan sebuah partikel berlian berukuran 70 nanometer, ribuan kali lebih kecil dari rambut manusia, berhasil masuk ke dalam sel hidup dan “merasakan” keberadaan radikal bebas di sana secara langsung. Itulah inti dari disertasi doktoral drg. Aryan Morita, M.Sc., Ph.D., dosen Departemen Biomedika Kedokteran Gigi Fakultas Kedokteran Gigi Universitas Gadjah Mada, yang diselesaikannya di University of Groningen, Belanda, pada November 2020. Penelitian ini menjawab pertanyaan mendasar dalam biologi sel: bagaimana cara mengukur radikal bebas di dalam sel hidup, secara langsung, tanpa merusaknya? Jawabannya ternyata tersembunyi di dalam kristal berlian.
Radikal Bebas dan Masalah yang Belum Terpecahkan
Radikal bebas adalah molekul dengan elektron tidak berpasangan yang terbentuk secara alami dalam proses metabolisme sel, terutama di mitokondria. Dalam kadar seimbang, molekul ini berperan penting dalam fungsi seluler normal. Namun bila jumlahnya berlebihan, atau sistem pembuangannya terganggu, kondisi yang disebut stres oksidatif terjadi. Stres oksidatif ini dikaitkan dengan berbagai penyakit degeneratif, kanker, penyakit kardiovaskular, hingga proses penuaan itu sendiri.
Masalahnya, radikal bebas sangat sulit diukur. Konsentrasinya kecil, usianya singkat, dan metode deteksi yang ada selama ini punya keterbatasan serius. Pewarna fluoresen organik yang biasa dipakai, misalnya, habis bereaksi saat menyentuh radikal bebas, sehingga hanya bisa merekam “jejak masa lalu” sel, bukan kondisi yang sedang terjadi saat ini. Teknik MRI konvensional pun butuh sampel dalam jumlah sangat besar dan tidak bisa memotret sel secara individual.
“Dengan teknik ini, kami bisa mengukur konsentrasi radikal bebas di sel hidup secara langsung, pada satu sel tunggal, dan pada saat itu juga, bukan rekaman histori seperti metode lainnya.” — drg. Aryan Morita, M.Sc., Ph.D.
Berlian Sebagai Sensor Kuantum di Dalam Sel
Solusi yang dikembangkan Aryan Morita bertumpu pada diamond magnetometry, teknik yang memanfaatkan cacat struktural unik dalam kristal berlian yang disebut nitrogen vacancy (NV) center. Cacat ini terbentuk saat atom nitrogen menggantikan atom karbon di kisi kristal berlian, menciptakan “pusat” yang sensitif terhadap sinyal magnetik di sekitarnya. Karena radikal bebas memiliki elektron tidak berpasangan yang menghasilkan medan magnet kecil, NV center dapat “merasakannya” dan mengubah sinyal tersebut menjadi cahaya yang bisa diukur.
Partikel berlian berfluoresen (fluorescent nanodiamonds/FNDs) berdiameter 70 nanometer yang digunakan dalam penelitian ini mengandung sekitar 300 hingga 500 NV center per partikel. Stabilitas fluoresen berlian yang sempurna, tidak seperti pewarna organik yang memudar, menjadikannya label biologis jangka panjang yang ideal.
Tantangan pertama adalah memasukkan partikel ini ke dalam sel. Sel ragi (Saccharomyces cerevisiae) yang digunakan sebagai model organisme memiliki dinding sel tebal yang tidak bisa ditembus secara alami. Tim peneliti mengembangkan protokol spheroplasting, yaitu proses pengangkatan dinding sel secara enzimatis, lalu melapisi FNDs dengan lipid kationik agar lebih mudah berfusi dengan membran sel. Hasilnya, partikel berhasil masuk ke dalam sitosol sel hidup tanpa menimbulkan toksisitas berarti.
Dari Sel Muda ke Sel Tua: Jejak Radikal yang Terukur
Setelah berhasil memasukkan partikel ke dalam sel, Aryan Morita melangkah ke pertanyaan yang lebih besar: apakah alat ini bisa membedakan kondisi sel yang berbeda?
Dalam serangkaian eksperimen yang menjadi inti disertasinya, ia membandingkan empat galur ragi dengan profil metabolisme berbeda, termasuk galur liar (wild type) dan tiga mutan knockout, yaitu sod1Δ (kekurangan enzim superoxide dismutase), tor1Δ, and pex19Δ. Hasilnya mengejutkan: diamond magnetometry mampu membedakan keempat galur tersebut berdasarkan beban radikal bebas intraselularnya, sesuatu yang tidak bisa dilakukan secara simultan oleh metode konvensional.
Lebih jauh, dengan mengikuti sel yang sama selama 24 jam proses penuaan kronologis, penelitian ini mengkonfirmasi bahwa sel tua memiliki beban radikal bebas lebih tinggi dibanding sel muda, selaras dengan teori radikal bebas dalam penuaan. Yang menarik, galur tor1Δ and pex19Δ, yang diketahui memiliki umur hidup lebih panjang, justru menunjukkan beban radikal bebas lebih rendah. Temuan ini memberikan penjelasan mekanistik baru tentang mengapa mutan tersebut berumur lebih panjang.
Penelitian ini juga berhasil mendeteksi efek antioksidan. Pemberian L-asam askorbat (vitamin C) secara nyata meningkatkan nilai T1, yang berarti konsentrasi radikal bebas turun. Ini adalah pertama kalinya pengurangan radikal bebas oleh antioksidan berhasil direkam secara langsung di sel hidup pada tingkat sel tunggal.
Relevansi untuk Ilmu Kedokteran Gigi dan Biomedis
Penelitian ini bukan sekadar pencapaian fisika kuantum. Radikal bebas dan stres oksidatif memainkan peran sentral dalam berbagai kondisi patologis yang relevan dengan kedokteran gigi, mulai dari inflamasi jaringan periodontal, kerusakan sel pulpa akibat iritasi, hingga proses penuaan mukosa oral. Kemampuan mengukur beban radikal bebas secara langsung dan real-time di sel tunggal membuka peluang evaluasi obat, mekanisme kerja antioksidan, hingga pemahaman lebih dalam tentang respons seluler terhadap berbagai agen.
Selain itu, platform nanosensor berlian ini bersifat modular. Dalam bagian lain disertasinya, Aryan Morita juga berhasil mengarahkan partikel berlian ke nukleus sel ragi menggunakan antibodi spesifik terhadap nuclear pore complex, dengan tingkat keberhasilan 70 persen dibanding hanya 20 persen untuk partikel tidak tertarget. Ini membuka jalan untuk melakukan pengukuran radikal bebas di lokasi spesifik dalam sel, termasuk di dekat DNA, yang penting untuk memahami kerusakan genetik akibat stres oksidatif.
Penelitian yang didanai beasiswa LPDP dari Kementerian Keuangan Republik Indonesia ini menjadi bukti bahwa ilmuwan dari Indonesia mampu berkontribusi pada garis terdepan sains material dan biologi sel. Kini, dengan kembalinya drg. Aryan Morita ke FKG UGM, keahlian dalam nanosensor kuantum ini hadir di lingkungan akademik Yogyakarta, membawa serta pertanyaan-pertanyaan baru yang belum terjawab tentang kehidupan di dalam sel.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Photo: Freepik
Suber DOI: https://doi.org/10.33612/diss.136220127
