Ilmuan Merekayasa Sel Manusia Menjadi Transparan seperti Cumi-Cumi

Sebuah studi penelitian yang diterbitkan di jurnal Nature Communications, yang didukung oleh Badan Proyek Riset Terapan Pertahanan dan Kantor Riset Ilmiah Angkatan Udara, juga melibatkan para peneliti dari Universitas California, San Diego dan Hamamatsu Photonics di Jepang.

Para ilmuwan yang terlibat menggambarkan bagaimana mereka terinspirasi dari kulit cephalopoda untuk memberi sel-sel mamalia dengan transparansi dan karakteristik hamburan cahaya.

“Selama ribuan tahun, orang telah terpesona oleh transparansi dan tembus pandang, yang telah menginspirasi spekulasi filosofis, karya fiksi ilmiah, dan banyak penelitian akademis,” kata penulis utama Atrouli Chatterjee, seorang mahasiswa doktoral UCI dalam teknik kimia & biomolekuler.

“Proyek kami – yang jelas di bidang sains – berpusat pada perancangan dan rekayasa sistem seluler dan jaringan dengan sifat yang dapat dikendalikan untuk mentransmisikan, memantulkan, dan menyerap cahaya.” Chatterjee bekerja di laboratorium Alon Gorodetsky, associate professor teknik kimia & biomolekul UCI, yang memiliki sejarah panjang dalam mengeksplorasi bagaimana kapabilitas perubahan warna cephalopoda dapat ditiru untuk mengembangkan teknologi unik yang bermanfaat bagi masyarakat.

Penelitian bioinspiratif timnya telah menyebabkan terobosan pengembangan kamuflase inframerah dan material canggih lainnya. Untuk studi ini, kelompok tersebut mengambil inspirasi dari cara cumi Doryteuthis opalescens betina yang dapat menghindari predator secara dinamis mengganti garis pada mantel mereka dari hampir transparan ke putih buram.

Para peneliti kemudian meminjam beberapa partikel berbasis protein antar sel yang terlibat dalam teknik penyelubungan biologis ini dan menemukan cara untuk memasukkannya ke dalam sel manusia untuk menguji apakah kekuatan hamburan cahaya dapat ditransfer ke hewan lain.

Spesies cumi-cumi ini memiliki sel-sel reflektif khusus yang disebut leucophores yang dapat mengubah cara mereka menyebarkan cahaya. Di dalam sel-sel ini terdapat leucosom, partikel yang terikat membran yang terdiri dari protein yang dikenal sebagai reflektin, yang dapat menghasilkan kamuflase warna-warni.

Dalam percobaan mereka, para peneliti membiakkan sel-sel ginjal embrionik manusia dan secara genetik merekayasa mereka untuk mengekspresikan reflectin. Mereka menemukan bahwa protein akan berkumpul menjadi partikel di sitoplasma sel dalam susunan yang tidak teratur. Mereka juga melihat melalui mikroskop optik dan spektroskopi bahwa struktur berbasis reflectin yang diperkenalkan menyebabkan sel-sel mengubah hamburan cahaya mereka.

“Kami kagum menemukan bahwa sel-sel tidak hanya mengekspresikan reflectin tetapi juga mengemas protein dalam struktur nano spheroidal dan mendistribusikannya ke seluruh tubuh sel,” kata Gorodetsky, rekan penulis studi ini.

Melalui mikroskop fase kuantitatif, kami dapat menentukan bahwa struktur protein memiliki karakteristik optik yang berbeda bila dibandingkan dengan sitoplasma di dalam sel; dengan kata lain, mereka berperilaku hampir sama seperti pada leucophor cephalopod asli mereka.

Di bagian penting lain dari penelitian ini, tim menguji apakah reflektansi berpotensi dinyalakan dan dimatikan melalui rangsangan eksternal. Mereka menyelipkan sel di antara pelat kaca yang dilapisi dan menerapkan konsentrasi natrium klorida yang berbeda. Mengukur jumlah cahaya yang ditransmisikan oleh sel, mereka menemukan bahwa yang terpapar dengan kadar natrium yang lebih tinggi menyebarkan lebih banyak cahaya dan lebih menonjol dari lingkungan.

“Eksperimen kami menunjukkan bahwa efek ini muncul dalam sel yang direkayasa tetapi tidak dalam sel yang tidak memiliki partikel reflektin, menunjukkan metode potensial yang berharga untuk menyetel sifat hamburan cahaya dalam sel manusia,” kata Chatterjee.

Sementara manusia tak kasat mata masih tegas di bidang fiksi ilmiah, Gorodetsky mengatakan penelitian kelompoknya dapat menawarkan beberapa manfaat nyata dalam waktu dekat. “Proyek ini menunjukkan bahwa ada kemungkinan untuk mengembangkan sel manusia dengan sifat optik yang responsif terhadap rangsangan yang diinspirasi oleh leucophores dalam celphalopods, dan itu menunjukkan bahwa protein reflektin yang menakjubkan ini dapat mempertahankan sifat mereka di lingkungan seluler asing,” katanya. Dia mengatakan pengetahuan baru itu juga bisa membuka kemungkinan menggunakan reflektin sebagai penanda biomolekuler jenis baru untuk aplikasi mikroskop medis dan biologi.

Jurnal Refrensi:

• Atrouli Chatterjee., Alon A. Gorodetsky.  Juana Alejandra Cerna Sanchez, Vanessa Taupin, Toyohiko Yamauchi, Justin Couvrette. 2020. Cephalopod-inspired optical engineering of human cells. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-16151-6