Sebuah partikel berlian berukuran 70 nanometer — ribuan kali lebih kecil dari sehelai rambut manusia — berhasil masuk ke dalam sel ragi hidup di laboratorium Universitas Groningen, Belanda. Di sana, ia bekerja sebagai sensor kuantum: mendeteksi keberadaan radikal bebas, molekul berbahaya yang selama ini diyakini menjadi biang keladi penuaan dan berbagai penyakit degeneratif. Penelitian ini merupakan disertasi doktoral drg. Aryan Morita, M.Sc., Ph.D., staf pengajar Departemen Biomedika Kedokteran Gigi Fakultas Kedokteran Gigi Universitas Gadjah Mada, yang berhasil mempertahankan gelar PhD-nya di University of Groningen pada 3 November 2020, di bawah bimbingan Prof. Romana Schirhagl. Penelitian ini menjadi tonggak penting: untuk pertama kalinya, teknik diamond magnetometry digunakan untuk mengukur radikal bebas di dalam sel hidup secara langsung, real-time, dan dengan resolusi subseluler.
Radikal Bebas: Musuh Kecil yang Sulit Ditangkap
Radikal bebas adalah molekul dengan elektron tak berpasangan yang terbentuk secara alami sebagai produk sampingan metabolisme sel, terutama di mitokondria. Dalam kadar seimbang, molekul ini berperan penting dalam berbagai proses fisiologis. Masalah muncul ketika produksinya berlebihan atau sistem pembersihnya gagal bekerja — kondisi yang dikenal sebagai stres oksidatif.
Stres oksidatif berhubungan erat dengan penuaan sel, kerusakan DNA, hingga penyakit kardiovaskular dan kanker. Teori radikal bebas tentang penuaan (free radical theory of aging) bahkan menyatakan bahwa kerusakan akibat radikal bebas adalah penyebab utama proses penuaan di tingkat seluler.
Sayangnya, mengukur radikal bebas bukan perkara mudah. Molekul ini hadir dalam konsentrasi sangat kecil — berkisar nanomolar hingga mikromolar — dan memiliki waktu hidup yang sangat singkat. Metode yang ada selama ini, seperti pewarna fluoresen (H₂DCFDA) atau uji ekspresi gen melalui quantitative PCR, masing-masing punya kelemahan serius: tidak spesifik, hanya merekam “sejarah” sampel bukan kondisi saat ini, mudah mengalami photobleaching, dan tidak mampu memberikan informasi lokasi dalam sel secara tepat.
Berlian Sebagai Sensor Kuantum
Solusi yang ditawarkan oleh drg. Aryan Morita dan tim adalah memanfaatkan cacat atom dalam kristal berlian yang disebut nitrogen vacancy (NV) center. Cacat ini bersifat unik: ia dapat mengubah sinyal magnetik dari lingkungan sekitarnya menjadi sinyal optik yang bisa dibaca dengan mikroskop konfokus.
Prinsip kerjanya: ketika radikal bebas hadir di dekat NV center, mereka menghasilkan “kebisingan” magnetik (spin noise) yang mempercepat peluruhan kondisi kuantum NV center — diukur sebagai waktu relaksasi T1. Semakin pendek T1, semakin tinggi konsentrasi radikal bebas di sekitar partikel berlian tersebut. Teknik ini disebut diamond magnetometry atau lebih spesifik relaxometry.
Keunggulannya jelas: tidak seperti pewarna fluoresen yang “habis” setelah bereaksi dengan radikal, berlian bersifat stabil sempurna secara optis. Ia tidak mengalami photobleaching, tidak toksik bagi sel, dan bisa digunakan untuk pengukuran jangka panjang pada sel yang sama, di lokasi yang sama, berkali-kali.
“Dengan sinyal T1 ini, kami mampu membedakan respons galur mutan, sel muda dan tua, dengan atau tanpa kehadiran H₂O₂ dan antioksidan. Teknik ini membuka jalan untuk studi radikal bebas yang lebih cepat dan efisien di tingkat sel tunggal.” — drg. Aryan Morita, M.Sc., Ph.D., dalam disertasinya, Diamond Nanosensors for Age and Stress Related Changes in Cells (2020)
Dari Protokol Masuk Sel hingga Pengukuran di Sel Hidup
Perjalanan penelitian ini tidak dimulai langsung dari pengukuran. Ada empat tahap sistematis yang dibangun drg. Aryan Morita selama empat tahun.
Tahap pertama: mengembangkan metode agar partikel berlian bisa masuk ke dalam sel. Sel ragi (Saccharomyces cerevisiae) dipilih sebagai organisme model karena relevansinya dalam riset penuaan — namun sel ini memiliki dinding sel tebal yang menghalangi masuknya partikel. Solusinya adalah teknik spheroplasting: dinding sel dilepaskan secara enzimatik, lalu partikel berlian yang telah dilapisi lipid (FND-lip) difusikan ke dalam sel melalui penggabungan membran. Teknik ini berhasil meningkatkan jumlah partikel yang terserap secara signifikan, tanpa merusak kelangsungan hidup sel.
Tahap kedua: memantau nasib partikel berlian saat sel membelah. Pembelahan sel ragi bersifat asimetris — menghasilkan sel induk dan sel anak yang berbeda ukuran. Temuan mengejutkan: sebagian besar partikel justru berpindah ke sel anak atau dikeluarkan dari sel, bukan tertahan di sel induk seperti yang terjadi pada agregat protein berbahaya. Ini menunjukkan bahwa partikel berlian tidak “dianggap berbahaya” oleh mekanisme seluler.
Tahap ketiga: mengarahkan partikel berlian ke inti sel (nucleus) menggunakan antibodi spesifik terhadap nuclear pore complex (NPC). Hasilnya: 70% partikel berlian yang dilekati antibodi berhasil mencapai permukaan inti sel, dibandingkan hanya 20% pada partikel tanpa antibodi.
Tahap keempat — dan paling krusial: pengukuran radikal bebas sesungguhnya pada sel hidup. Empat galur ragi diuji: galur liar (wild type), dan tiga galur mutan (sod1Δ, tor1Δ, pex19Δ) dengan metabolisme yang berbeda. Sel-sel ini diamati saat muda, setelah diberi stres oksidatif dengan H₂O₂ 1%, setelah menua selama 24 jam, dan setelah diberi antioksidan L-asam askorbat.
Hasilnya konsisten dengan teori radikal bebas penuaan: sel tua menunjukkan beban radikal bebas lebih tinggi. Lebih menarik lagi, dua galur mutan dengan masa hidup lebih panjang (tor1Δ and pex19Δ) ternyata memiliki beban radikal bebas lebih rendah — memberikan penjelasan mekanistik yang selama ini belum diketahui. Pemberian antioksidan terbukti menurunkan beban radikal bebas secara terukur, terutama pada sel muda.
Implikasi untuk Kedokteran Gigi dan Ilmu Biomedika
Meski penelitian ini menggunakan sel ragi sebagai model, relevansinya untuk kedokteran gigi dan biomedika lebih luas tidak bisa diabaikan. Stres oksidatif dan akumulasi radikal bebas terlibat dalam patogenesis berbagai kondisi oral, mulai dari penyakit periodontal, karies, hingga kanker rongga mulut. Teknik pengukuran radikal bebas yang presisi dan real-time di tingkat sel tunggal membuka peluang baru untuk memahami bagaimana kerusakan oksidatif terjadi di jaringan periodontal, pulpa gigi, atau mukosa oral.
Lebih dari itu, kemampuan sensor berlian ini untuk mengevaluasi efek antioksidan secara langsung pada sel tunggal bisa menjadi alat skrining yang kuat untuk kandidat obat baru — termasuk senyawa-senyawa yang selama ini diteliti untuk mencegah penuaan jaringan oral.
Penelitian ini didanai oleh beasiswa LPDP dari Kementerian Keuangan Republik Indonesia, dan telah menghasilkan sejumlah publikasi di jurnal internasional bereputasi, termasuk Particle and Particle Systems Characterization, Nanomaterials, serta satu manuskrip yang diajukan ke Nature Nanotechnology.
Sebuah partikel berlian seukuran seperseribu diameter sel darah merah kini membawa potensi besar: melihat apa yang selama ini tersembunyi di dalam kehidupan terkecil kita.
Penulis: drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes, Hazra Alifia Muharam
Photo: Freepik
Sumber DOI: https://doi.org/10.33612/diss.136220127
