Sains dan Perlombaan Menaklukkan Virus

DNA Puzzle (pixabay/qimono)

Di setiap krisis, selalu ada peluang. Itu juga yang terjadi dalam konteks pandemi COVID-19. Di hari pertama diumumkannya korban kematian pertama pada tanggal 9 Januari 2020, pada saat itu pula para ilmuwan China mempublikasikan urutan genetik lengkap dari virus Corona.

Dengan menggunakan cryo-electron microscopy yang dapat menembakkan elektron pada protein yang telah dibekukan dalam cairan, para peneliti dapat membuat model yang presisi, atom demi atom, lekukan demi lekukan dari virus Corona dengan permukaannya yang berduri.

Dengan informasi tersebut, para molecular biologist ini pun mulai berlomba untuk menemukan berbagai cara dan vaksin untuk menghentikan serangan virus.

Virus sendiri sesungguhnya hanyalah materi genetik yang amat kecil dari DNA (atau RNA pada kasus virus Corona) yang berada di dalam cangkang protein. Ketika masuk ke dalam sel mereka bisa membajak “mesinnya” untuk menggandakan diri.

Untuk SARS-CoV-2, RNA-nya memiliki panjang sekitar 29.900 huruf dasar (terdiri dari kombinasi guanine, uracil, adenine dan cytosine atau disingkat G, U, A dan C), dibandingkan dengan lebih dari tiga miliar yang ada pada DNA manusia.

CRISPR dan Akselerasi Pendeteksi Virus

Dengan ditemukannya CRISPR-Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats-associated protein 9), enzim dari keluarga DNA yang ada pada bakteri yang dapat digunakan untuk mengedit gen (baca artikel sebelumnya di “Ketika Manusia Akhirnya Bisa Mendesain Manusia”), maka kemampuan untuk mendeteksi virus pun berlangsung lebih cepat.

Terdapat banyak tokoh di balik kompetisi saintifik untuk menemukan CRISPR. Tapi, yang paling menonjol adalah dua perempuan asal Amerika Serikat dan Perancis, yaitu Jennifer Doudna dari University of California, Berkeley, dan Emmanuelle Charpentier dari Max Planck Unit for the Science of Pathogens.

Atas penemuannya ini, keduanya meraih Nobel bidang Kimia pada tahun 2020 lalu.

Cas12 dan DETECTR

Dikutip dari “The Code Breaker: Jennifer Doudna, Gene Editing and the Future of the Human Race”, karya Walter Isaacson, Maret 2021 (yang merupakan referensi utama dari tulisan saya ini), dua peneliti di laboratorium Doudna, Janice Chen dan Lucas Harrington suatu waktu sedang menyasar enzim Cas12a yang dapat bekerja mirip dengan Cas9 untuk membelah DNA.

Namun, mereka menemukan fenomena yang unik. Setelah target DNA-nya terbelah, Cas12a juga mampu memotong semua DNA berhelai satu seperti virus atau bakteri di sekitarnya.

Mereka lantas mengkombinasikan CRISPR-Cas12 dengan molekul “reporter” yang mengeluarkan sinyal yang terhubung dengan potongan DNA. Ketika CRISPR-Cas12 menemukan target berupa urutan DNA, ia juga akan membelah molekul reporter tadi yang akan menyebabkan munculnya sinyal yang berkemilau.

Artinya mekanisme ini dapat menjadi alat diagnostik untuk mendeteksi apakah seorang pasien memiliki virus tertentu, atau bakteri, atau kanker. Mereka kemudian menamakannya “DNA endonuclease targeted CRISPR trans reporter” atau disingkat DETECTR (yang telah dimuat di jurnal terkemuka Science, edisi November 2017).

Dalam laporannya, mereka menyimpulkan bahwa mekanisme ini “menawarkan strategi baru untuk memperbaiki kecepatan dalam mendeteksi virus.” Bersama Doudna, Chen dan Harrington pun mendirikan perusahaan untuk itu, yaitu Mammoth Biosciences pada bulan April 2018.

Cas13 and SHERLOCK

Pada kurun waktu yang hampir bersamaan, Feng Zhang dari Broad Institute yang merupakan kompetitor langsung dari Doudna dan Charpentier dalam perlombaan mematenkan CRISPR pada manusia (penelitian Doudna dan Charpentier, awalnya tidak secara langsung ditujukan pada manusia).

Feng Zhang menggunakan biologi komputasional untuk menyelidiki genome dari ribuan mikroba, dan di tahun 2015 mereka melaporkan bahwa ternyata ada banyak enzim yang dapat diasosiasikan dengan CRISPR.

Di luar Cas9 dan Cas12 yang bekerja untuk menyasar DNA, mereka pun menemukan kelompok enzim yang menyasar RNA. Ini yang kemudian dinamakan Cas13.

Cas13 memiliki prilaku yang serupa dengan Cas12. Ketika menemukan sasarannya, ia langsung menjadi alat pemotong yang tidak hanya tertuju pada RNA yang disasar tapi juga RNA di sekitarnya.

Mirip dengan yang dilakukan Doudna, Zhang kemudian menggunakan molekul reporter bersama-sama dengan Cas13. Alat ini kemudian dinamakan SHERLOCK (specific high sensitivity enzymatic reporter unlocking), yang telah teruji bisa mendeteksi virus Zika dan Demam Berdarah.

Untuk itu Zhang meluncurkan perusahaan, bersama dua orang penelitinya, Omar Abudayyeh dan Jonathan Gootenberg, yang ia namakan Sherlock Biosciences.

Di akhir tahun 2020, perusahaan itu telah mampu memproduksi alat deteksi virus yang dapat memberikan hasil tes yang kredibel dalam waktu kurang dari satu jam.

Lebih Cepat dan Murah

Dibandingkan dengan alat tes konvensional seperti PCR, teknologi berbasis CRISPR yang dikembangkan oleh Mammoth dan Sherlock, tidak saja lebih cepat tapi juga lebih murah.

Tes berbasis CRISPR dapat mendeteksi keberadaan RNA virus segera setelah seseorang terinfeksi. Berbeda dengan tes antigen, yang mendeteksi keberadaan protein yang ada di permukaan virus secara akurat hanya setelah seseorang sudah terlanjur menjadi sangat menular pada orang lain.

Para saintis berusaha agar tes virus berbasis CRISPR pada akhirnya dapat menjadi sangat aksesibel, seperti halnya alat tes kehamilan yang dapat digunakan di rumah. Bisa dibeli di banyak toko obat dan digunakan di kamar mandi. Murah, sekali pakai, cepat dan sederhana.

Harrington dan Chen dari Tim Mammoth meluncurkan konsep mereka untuk perangkat semacam itu pada bulan Mei 2020 dan telah mengumumkan kemitraan dengan perusahaan farmasi multinasional yang berbasis di London, GlaxoSmithKline (pembuat Excedrin dan Tums) untuk memproduksinya.

Mereka berjanji alat deteksinya bisa memberikan hasil yang akurat dalam waktu 20 menit tanpa memerlukan peralatan khusus.

Zhang dan timnya pun terus berusaha mengembangkan cara untuk menyederhanakan sistem deteksi SHERLOCK – yang awalnya memerlukan dua langkah, menjadi proses yang hanya memerlukan reaksi satu langkah.

Satu-satunya peralatan yang diperlukan adalah panci untuk menjaga sistem tetap panas pada suhu 140 derajat Fahrenheit. Zhang menamakannya STOP, SHERLOCK testing in one pot.

Untuk mendeteksi Covid, Zhang menyebut metodenya sebagai STOP-COVID. Namun sesungguhnya, hal itu dapat diadaptasi untuk mendeteksi virus apapun.  Sehingga bisa menjadi STOP-flu, STOP-HIV dan sebagainya.

Terapi dan Vaksin

Vaksin tradisional bekerja dengan menstimulasi atau memicu sistem imunitas atau kekebalan yang ada dalam tubuh manusia.

Prosedur standarnya dimulai dengan memasukkan substansi yang berasal dari sebuah virus ke dalam tubuh. Substansi itu bisa berupa virus yang sudah “tidak aktif” atau bagian yang aman dari virus, atau instruksi genetik untuk menghasilkan fragmen dari virus saat sudah dimasukkan ke dalam tubuh.

Jika berjalan sesuai harapan, tubuh manusia akan menghasilkan antibodi yang akan berperan sebagai alat pertahanan saat virus yang sesungguhnya menyerang.

Vaksin Sinovac yang banyak digunakan di Indonesia untuk melawan virus Corona menggunakan cara yang dianggap lebih aman, yaitu menggunakan virus yang telah mati. Harapannya, vaksin jenis ini tetap bisa melatih kekebalan tubuh manusia.

Terapi Konvalesen

Mekanisme lain, yaitu terapi Convalescent Plasma, mencoba menggunakan jalan pintas yaitu dengan menggunakan darah dari orang yang telah sembuh dari suatu penyakit tertentu untuk membantu orang lain yang sedang sakit.

Food and Drug Administration (FDA) di Amerika Serikat telah mengesahkan terapi ini untuk digunakan dalam perang melawan virus Corona terutama karena belum ada obat yang disetujui di saat pandemi.

Darah orang-orang yang telah sembuh dari COVID-19 memiliki antibodi terhadap virus yang menyerangnya. Darah mereka diproses untuk menghilangkan sel darah, dan menyisakan cairan (plasma) dan antibodi untuk diberikan kepada orang yang masih sakit.

Kelemahan dari metode ini adalah kesulitan yang dihadapi untuk menghasilkannya dalam jumlah besar, karena membutuhkan banyak pendonor dan juga kesulitan untuk mengerjakan pemrosesannya di laboratorium.

Dendritic Cell

Terapi lain yang sempat ramai diberitakan di Indonesia – karena dinamakan “Vaksin Nusantara” – adalah dengan menggunakan dendritic cell (DC). Dinamakan demikian karena bentuknya yang seperti pohon atau dendritik, DC bertanggung jawab untuk menginisiasi respon imun secara adaptif dan karenanya berfungsi sebagai “penjaga” dari sistem kekebalan.

Metode terapi jenis ini dimulai dengan mengambil darah seseorang untuk diambil DC-nya dan diinkubasi bersama-sama dengan substansi dari virus Corona. Setelah dianggap mampu melawan virus, sel dendritik dari orang yang sama disuntikkan kembali ke dalam tubuhnya.

British Society for Immunology percaya bahwa DC sangat menjanjikan untuk pengobatan kanker, penyakit autoimun dan pencegahan penolakan dalam proses transplantasi. Kelemahan dari metode ini, seperti juga dengan terapi konvalesen, adalah prosesnya yang butuh waktu lama.

Vaksin Genetik

Berbeda dengan metode konvensional yang memasukkan bagian yang lemah atau bagian kecil dari virus yang berbahaya, vaksin genetik menginjeksi gen atau potongan kode genetik yang dapat memandu sel manusia untuk memproduksi sendiri komponen dari virus.

Tujuannya pun sama, yaitu untuk menstimulasi sistem kekebalan dalam tubuh pasien. Hal ini misalnya dikembangkan oleh Jenner Institute dari Oxford University yang dipimpin Sarah Gilbert (pada tahun 2014, mereka juga mengembangkan vaksin MERS, Middle-East Respiratory Syndrome).

Mekanisme yang sama juga dilakukan oleh Johnson & Johnson, yang menggunakan human adenovirus (yang dipercaya tidak akan menyebabkan penyakit apapun) untuk mengantarkan kode genetik tadi.

Atas bantuan Bill and Melinda Gates Foundation, Oxford bekerjasama dengan perusahaan Inggris-Swedia, AztraZeneca, untuk memproduksi vaksin jenis ini.

Vaksin DNA

Cara lain lagi – yang berbeda dengan cara merekayasa komponen gen untuk  menjadi virus – adalah dengan mengirimkan kode genetik, DNA, ke dalam sel manusia. Sel-sel tersebut kemudian yang berperan sebagai fasilitas pembuatan vaksin.

Idenya adalah jika dapat dimasukkan ke dalam inti sel, DNA bisa dengan sangat efisien mengeluarkan banyak untaian RNA sebagai pembawa pesan untuk mengawasi produksi bagian-bagian dari protein virus berujung runcing yang dapat menstimuli sistem kekebalan. DNA lebih murah untuk diproduksi dan kita tak harus berurusan dengan virus yang sesungguhnya serta tak perlu mengerami mereka agar bisa digunakan.

Salah satu tim yang diorganisir Doudna pada awal krisis virus corona pada Maret 2020 memusatkan perhatian mereka pada tantangan delivery atau pengantaran vaksin DNA ini. Tim ini dipimpin oleh mantan murid Doudna, yaitu Ross Wilson, yang kini menjalankan labnya sendiri di Berkeley, dan Alex Marson dari University of California, San Francisco.

Marson dan Wilson menemukan cara untuk mengatasi masalah pengantaran vaksin DNA menggunakan CRISPR-Cas9. Mereka mengumpulkan protein Cas9, sebagai RNA pemandu, untuk masuk ke dalam nukleus.

Hasilnya adalah semacam “pesawat ulang-alik” yang bisa memasukkan vaksin DNA ke dalam sel. DNA itu kemudian mengarahkan sel untuk membuat protein seperti dalam virus corona dan dengan demikian merangsang sistem kekebalan untuk menangkis virus yang sebenarnya.

Ini adalah ide cemerlang yang dapat digunakan untuk banyak jenis perawatan di masa depan, tetapi masih sulit untuk membuatnya benar-benar berhasil. Hingga awal 2021, mereka masih sedang menguji efektivitasnya.

Vaksin RNA

Dalam metode ini, RNA berperan sebagai pembawa pesan berisi instruksi genetik dari DNA yang disimpan dalam inti sel ke bagian pembuatan sel untuk dibuatkan proteinnya. Dalam konteks Covid, RNA memberi instruksi pada sel untuk membuat protein berujung runcing yang berada di permukaan virus.

Yang dianggap keunggulan dari vaksin RNA adalah karena ia tidak harus masuk pada inti sel yang merupakan “markas” dari DNA. Cukup di luarnya saja, yaitu cyptoplasma, yang merupakan tempat pembuatan protein.

Pada tahun 2020, dua perusahaan yang relatif baru telah memproduksi vaksin jenis ini. Pertama adalah Moderna yang berbasis di Cambridge, Massachusetts dan BioNTech, yang bekerjasama dengan Pfizer.

Sebagai mekanisme pengantaran menuju sel, Moderna menggunakan kapsul sintetik berukuran nano untuk melakukan tugas itu. Kabarnya, hal itu lebih stabil dan tak memerlukan tempat penyimpanan dengan sistem pendinginan ekstrem.

Di bulan Desember 2020, FDA sebagai otoritas pengobatan di AS telah memberikan lampu hijau bagi dua vaksin RNA tadi untuk melawan Covid setelah terbukti memiliki efikasi hingga 90 persen. 

Penyembuhan dengan CRISPR

Meskipun sudah banyak metode yang dikembangkan, solusi jangka panjang dalam perang melawan virus adalah dengan meniru mekanisme yang terjadi pada bakteri. Yaitu, menggunakan CRISPR sebagai enzim pemandu yang mirip dengan gunting untuk membelah materi genetik dari sebuah virus, tanpa harus memicu sistem kekebalan tubuh manusia.

Cameron Myhrvold and CARVER

Inilah yang digunakan oleh Cameron Myhrvold dari Princeton University.

Ia memakai CRISPR-Cas13 (lihat bagian tentang SHERLOCK di atas) untuk menemukan RNA dari virus Corona dan kemudian membelahnya.

Cameron Myrhrvold (Princeton University)

Sistem ini ia namakan CARVER (Cas13-assisted restriction of viral expression and readout). Myrhrvold dan timnya menggunakan analisis komputer dari 350an genome dari RNA virus yang sering menyerang manusia sebagai informasi awal untuk mereka. Mereka kemudian membuat “senjata” menggunakan RNA untuk mentarget beberapa virus tersebut.

Singkat cerita, CARVER mampu mengurangi jumlah virus tersebut secara signifikan dan menurut mereka, sistem itu akan memungkinkan pengembangan antivirus secara lebih cepat, yang dapat menyasar patogen atau agen biologis yang ada maupun yang baru teridentifikasi. Hal itu telah mereka publikasikan secara online di bulan Oktober 2019.

Stanley Qi and PAC-MAN

Penemuan yang mirip dengan CARVER juga dilakukan oleh Stanley Qi, asal China, dan Patrick Hsu, asal Taiwan, yang keduanya menjadi peneliti di laboratorium milik Doudna di Berkeley.

Stanley Qi (sciencenews.org)

Terinspirasi dari CRISPR-Cas9, keduanya menemukan varian enzim lain, yaitu Cas13d yang mampu membelah SARS-Cov-2 dengan sangat efektif, hingga 90 persen. Stanley Qi menamakan temuan mereka PAC-MAN (Prophylactic antiviral CRISPR in human cells) – sebagaimana karakter pemakan kue dalam sebuah video game yang sangat populer.

Dalam artikel ilmiah yang mereka publikasikan di bulan Maret 2020, keduanya menyimpulkan bahwa PAC-MAN merupakan strategi menjanjikan untuk “tidak saja memerangi virus Corona, termasuk yang menyebabkan COVID-19, tapi juga berbagai macam virus lainnya.”

Dengan cara kerjanya yang mampu langsung “memakan” virus yang menginvasi tubuh manusia, PAC-MAN  dan CARVER mempunyai potensi lebih efektif dibandingkan vaksin yang mengandalkan respon imunitas dari tubuh manusia – yang terkadang tidak berjalan sebagaimana diharapkan.

Tantangannya

Kendati metode penyembuhan berbasis CRISPR sangat menjanjikan, namun teknologi ini belum cukup matang untuk digunakan. Tantangan utamanya masih di soal pengantaran secara presisi.

Bagaimana cara mengantarkannya pada sel yang tepat dalam tubuh pasien dan kemudian melewati selaput dari sel tersebut? Ini sesuatu yang sulit, terutama jika melibatkan sel-sel di paru-paru – itu sebabnya CARVER dan PAC-MAN belum siap diterapkan pada manusia hingga awal tahun 2021 ini.

Salah satu metode yang menjanjikan adalah dengan membungkus sekumpulan CRISPR-Cas13 enzim ke dalam molekul sintetik yang disebut lipitoids, dengan ukuran yang mirip virus. Saat ini Tim PAC-MAN sedang bekerjasama dengan Biological Nanostructures Facility pada Lawrence Berkeley National Lab untuk menghasilkan lipitoids yang dapat mengantar PAC-MAN ke sel-sel di paru-paru.

Jika ini berhasil diatasi, maka PAC-MAN dan CARVER pun siap untuk digunakan.

Lebih dari itu, keduanya dapat diprogram untuk menyasar urutan-urutan penting dalam kode genetik virus sehingga mereka tidak mudah untuk dikalahkan oleh virus yang bermutasi. Keduanya juga mudah untuk diprogram-ulang ketika muncul virus yang baru.

Apa yang sedang dilakukan oleh para ilmuwan ini tentu merupakan hasil dari kerja keras dan telaten dalam waktu yang lama. Didukung oleh ekosistem riset dan pengembangan yang juga tidak dibangun dalam waktu yang singkat.

Mereka lebih sering bekerja dalam laboratorium yang senyap. Menggunakan metode saintifik yang tepat dan percaya pada hasil yang empirik. Tak banyak berargumen – apalagi beradu opini publik.

1 Comment

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout /  Ubah )

Foto Google

You are commenting using your Google account. Logout /  Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout /  Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout /  Ubah )

Connecting to %s