Biologi struktur adalah disiplin ilmu yang membedah rahasia struktur molekul dari suatu organisme dan hubungannya dengan fenomena kehidupan. Ia seperti cahaya yang menyinari kegelapan kerumitan biologis, membongkar misteri-misteri kehidupan dengan ketajaman skala molekuler yang luar biasa detail.
Kajian biologi struktur membawa kita ke dunia yang sangat kecil, pada skala nanometer hingga angstrom. Sebagai gambaran, sehelai rambut manusia berdiameter sekitar 70-100 ribu nanometer.
Namun, di level atom dan molekul, strukturnya jauh lebih kompleks. Sebagai perbandingan, diameter atom hidrogen hanya sekitar 0,1 angstrom. Dalam lanskap ini, kita dapat memahami jalinan atom-atom—fondasi kehidupan seluruh organisme di Bumi secara lebih detail.
Pengamatan biologi struktur menjadi lebih mendalam ketika kita menyadari pentingnya memahami cara kerja sel di tingkat molekul. Di balik setiap proses biologis yang terjadi dalam tubuh, misalnya, ada mekanisme-mekanisme biokimia seperti proses pembentukan molekul protein, interaksi antarmolekul, hingga proses komunikasi tingkat sel. Proses-proses ini memerlukan pemahaman terperinci sebagai landasan kita melakukan sesuatu—misalnya di bidang kedokteran, bioteknologi pertanian, dan hewan (zoologi).
Tanpa biologi struktur, kita akan sulit memahami bagaimana proses biokimiawi sel terjadi. Penemu struktur DNA Francis Crick menyebutkan bahwa, “Hampir semua aspek kehidupan di bumi dirancang pada tingkat molekuler, dan tanpa memahami level molekul, kita hanya bisa memiliki pemahaman yang sangat terbatas tentang kehidupan itu sendiri.”
Urgensi biologi struktur di Indonesia
Sebagai rumah bagi megabiodiversitas, kebutuhan kemajuan biologi struktur di Indonesia semakin mendesak. Dari hutan hujan Kalimantan hingga keindahan terumbu karang di Papua, Indonesia adalah rumah bagi jutaan spesies yang belum sepenuhnya dipahami.
Biologi struktur bukan hanya memungkinkan eksplorasi yang lebih dalam terhadap kehidupan, tetapi juga menjadi alat pendukung yang penting dalam upaya pelestarian dan pemanfaatan sumber daya alam secara berkelanjutan dan efisien.
Sebagai contoh, pemanfaatan biologi struktur dalam proyek konservasi tanaman padi (oryza sativa) melalui penyimpanan struktur protein NAL1 dengan mikroskop krio-elektron. Protein NAL1 bertanggung jawab terhadap morfologi daun dan hasil panen pada tanaman padi. Pemahaman peran gen NAL1 diharapkan berkontribusi signifikan pada pengembangan jenis padi baru di masa depan.
Penelitian biodiversitas di Indonesia juga dapat memanfaatkan teknik krio-elektron tomografi (Cryo-ET), yang memungkinkan kita melakukan visualisasi arsitektur sel dalam skala sangat rinci. Metode ini tidak hanya membantu dalam memahami keberadaaan spesifik protein dalam sel—krusial untuk pengembangan obat—tetapi juga menyediakan informasi mendalam mengenai karakteristik unik sel bakteri atau virus, serta perbedaannya antarspesies.
Kita juga dapat mendayagunakan biodiversitas Indonesia melalui biologi struktur. Misalnya, untuk pengembangan enzim dari bakteri. Struktur enzim ini dapat dianalisis dan direkayasa secara mendalam untuk mencapai tujuan tertentu, seperti peningkatan efisiensi industri bioteknologi.
Biologi struktur juga sangat bermanfaat bagi bidang kedokteran. Berkat disiplin ilmu ini, tim peneliti dari Cina, Australia, dan Amerika Serikat (AS) dapat mengisolasi kristal protein yang menjadi mesin dari virus SARS-CoV-2.
Pemahaman struktur protein menjadi landasan awal berbagai upaya penanganan COVID-19 seperti pengembangan vaksin dan pembuatan agen terapi berbasis nanoteknologi (nanobodi inhibitor) untuk mengatasi semua varian mutasi COVID-19. Inilah yang menjadi salah satu sebab mengapa pandemi COVID-19 bisa cepat diatasi.
Penanganan tuberkulosis, penyakit endemik di Indonesia, adalah salah satu contoh aplikasi biologi struktur yang menarik di bidang biomedis atau kedokteran dasar di masa mendatang. Pengawasan genom bakteri penyebab penyakit tuberkulosis ini berhasil salah satunya karena pemanfaatan data biologi struktur untuk memprediksi keberadaan galur (jalur keturunan) yang resisten terhadap antibiotik di Indonesia.
Batu loncatan dari Cibinong
Pemahaman biologi struktur dapat menggunakan metode kristalografi sinar X. Suatu metode untuk melihat struktur protein dengan mengkristalkan molekul protein terlebih dahulu lalu ditembak dengan sinar X. Namun, selain sangat rumit, metode tersebut memakan waktu dan biaya besar. Infrastruktur pendukungnya pun mahal.
Dengan kenyataan tersebut, Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) telah meletakkan batu loncatan pengembangan biologi struktur melalui pendirian fasilitas mikroskop krio-elektron (cryo-electron microscopy/Cryo-EM) berteknologi tinggi yang sangat lengkap dan terbaru. Fasilitas yang berlokasi di Cibinong, Jawa Barat, ini dilengkapi dengan peralatan modern seperti Aquilos 2 FIB, Tundra 100 kV, Talos 200 kV, dan Krios 300 kV untuk mempertajam pengamatan dan meningkatkan akurasi penelitian.
Mikroskop krio-elektron adalah salah satu teknik biologi struktur mutakhir yang memungkinkan pengamatan struktur tiga dimensi suatu protein. Harapannya, struktur dapat diamati dengan risiko kerusakan sampel yang sangat minim dibandingkan kristalografi sinar X. Teknik ini menghasilkan gambar dua dimensi yang dapat diolah menjadi tiga dimensi dengan bantuan kecerdasan buatan dan komputer dengan kinerja tinggi (high performance computer/HPC).
Data awan dari gambar Cryo-EM ini digunakan sebagai panduan untuk menempatkan letak setiap asam amino (senyawa pembangun protein) di posisi yang paling tepat menggunakan metode fitting. Setelah itu, data ini diperbaiki berkali-kali untuk menemukan posisi terbaik setiap bagian kecil (rantai samping) asam amino dengan metode penyempurnaan (refinement).
Proses penyempurnaan bertujuan untuk memastikan model struktural protein sesuai dengan data percobaan. Proses ini menjadi langkah penting dalam analisis struktural protein menggunakan mikroskop krio-elektron.
Langkah terakhir, struktur tersebut divalidasi sebelum terbit di Protein Data Bank (PDB)—tempat penyimpanan informasi struktur protein dari seluruh dunia.
Ke depan, tingkat utilisasi alat mikroskop krio-elektron di BRIN akan tergantung dengan aspek lainnya, seperti pembangunan infrastruktur laboratorium purifikasi protein yang lengkap. Fasilitas yang rencananya bakal dibangun pada tahun ini akan terintegrasi di laboratorium Mikroskop krio-elektron BRIN. Laboratorium purifikasi protein krusial dalam biologi struktur karena menjadi satu-satunya cara peneliti memperoleh protein dalam keadaan murni.
Selain itu, karena data yang dihasilkan Cryo-EM sangat besar, analisa struktur protein hanya dapat dilakukan dengan kecerdasan buatan. Sehingga di BRIN, integrasi fasilitas High Performance Computing (HPC) dan Cryo-EM memang sejak awal sudah direncanakan dan saat ini sudah mulai berjalan.
Peluang dan pekerjaan rumah kita
Pembangunan bidang biologi struktur di Indonesia semestinya tak sekadar mengaproyek infrastruktur riset dan inovasi, tetapi juga tonggak sejarah dalam pencarian pengetahuan dan kemandirian intelektual. Dengan memanfaatkan kecerdasan biologi struktur, Indonesia dapat merintis jalan baru di berbagai bidang, dari kedokteran, pertanian, hingga konservasi biodiversitas.
Pembangunan infrastruktur seperti laboratorium Cryo-EM BRIN di Cibinong adalah langkah awal yang mengesankan. Namun, kemandirian ilmiah tidak hanya tercipta melalui bangunan fisik, tetapi juga dengan sumber daya manusia yang unggul. Indonesia harus berkomitmen menghasilkan kader-kader biologi struktur yang mampu bersaing di tingkat internasional, melalui pendidikan tinggi yang berkualitas dan pelatihan yang intensif.
Pendanaan penelitian juga menjadi tantangan penting. Hibah riset yang menargetkan pada pengembangan dan akselerasi bidang biologi struktur ini juga sudah dibuka melalui pendanaan riset khusus bidang biologi struktur oleh BRIN. Peningkatan kerjasama antaruniversitas dan lembaga penelitian di Indonesia dapat memberikan fasilitasi pertukaran ide penelitian dan sumber daya manusia terkait disiplin ilmu ini.
Melalui berbagai kerja sama dan hibah, kolaborasi para akademisi akan bertumbuh subur secara alami. Masyarakat ilmiah dalam bidang ini kemudian bisa ikut serta mengembangkan biologi struktur di Indonesia secara masif dan terkoordinasi.