Penentuan Struktur Biomolekul Menangkan Nobel Kimia 2017

Hadiah Nobel Kimia tahun 2017 baru saja diberikan kepada Jacques  Dubochet, Joachim Frank, dan Richard Henderson atas kontribusi mereka dalam mengembangkan teknik mikroskopi elektron suhu rendah (kriogenik)  untuk menentukan struktur molekul biologis dalam larutan.

Penentuan struktur biomolekul seperti protein, DNA, dan RNA memang  menantang. Dengan ukuran hanya berkisar dalam skala nanometer, penentuan  struktur tersebut membutuhkan gelombang yang lebih pendek daripada  jarak antar atom pada molekul tersebut untuk menghasilkan struktur  resolusi tinggi. Artinya, atom-atom pada molekul dapat terlihat secara  individual.

Selama puluhan tahun, metode difraksi sinar-x menjadi teknik utama  dalam menentukan struktur biomolekul. Alasannya sederhana, panjang gelombang sinar-x berada pada rentang yang sama dengan jarak antar-atom  sehingga dapat menentukan struktur secara akurat. Hanya saja, keberadaan  molekul lain selain biomolekul yang ingin dipelajari, seperti molekul  pelarut misalnya, membuat sinar-x terhambur dan menghasilkan sinyal  pengganggu. Walhasil, metode ini membutuhkan sampel dalam kemurnian  tingkat tinggi tanpa pelarut, sehingga kristal menjadi sampel yang ideal  untuk teknik ini.

Berbeda dengan difraksi sinar-x (atau kristalografi sinar-x, karena  metode ini membutuhkan sampel dalam bentuk kristal), mikroskopi elektron  kriogenik tidak membutuhkan kristal dan hanya memerlukan sampel murni  dalam larutan. Bagi yang merasa asing dengan metode ini, pada dasarnya  teknik ini serupa dengan mikroskop cahaya. Hanya saja, sumber gelombang  elektromagnetik yang digunakan adalah elektron ketimbang cahaya tampak.

Salah satu kelebihan utama elektron adalah ia dapat dipercepat.  Percepatan elektron akan meningkatkan energi dan frekuensi gelombang  yang dihasilkan (sifat gelombang pada materi seperti elektron dapat  diamati pada pada massa dan kecepatan relatif tertentu). Frekuensi  gelombang yang meningkat akan mengurangi panjang gelombang. Hasilnya,  panjang gelombang elektron dapat diatur hingga lebih pendek daripada  jarak antar-atom pada suatu molekul. Berdasarkan prinsip inilah,  elektron dapat digunakan untuk menentukan struktur suatu makromolekul (molekul yang terdiri dari ribuan atom yang saling terikat).

Namun, penggunaan elektron berenergi tinggi menimbulkan masalah baru.  Apabila elektron bertumbukan dengan atom-atom pada sampel biomolekul,  ikatan kimia di antaranya dapat putus dan merusak struktur yang tentu  tidak diinginkan. Hal ini kemudian ini diatasi dengan menyiapkan sampel  dalam kondisi kriogenik, yaitu pada temperatur pada puluhan hingga  ratusan derajat Celsius di bawah nol.

Pada awal pengembangan metode ini terdapat masalah utama. Biomolekul  di antara larutan memiliki tingkat kontras yang kecil sehingga sulit untuk dideteksi di antara gangguan (noise) dari pelarut.  Akibatnya, struktur dengan resolusi tinggi sulit didapat dengan kondisi  ini. Masalah lain lebih kepada kendala perangkat, antara lain  sensitivitas sensor dalam menangkap sinyal hamburan elektron.

Inovasi yang dimotori oleh Dubochet, Frank, dan Henderson pada grup  riset mereka masing-masing telah membuka kemungkinan penggunaan metode  mikroskopi elektron kriogenik untuk karakterisasi biomolekul dengan  resolusi atomik.

Dubochet dan kolega berkontribusi mengembangkan teknik preparasi  sampel di dalam larutan berair dengan menggunakan etana cair pada suhu  hingga -190C. Melalui teknik ini, sampel berada pada kondisi yang mirip  dengan kondisi biologis, namun pada suhu kriogenik yang mampu  melindunginya dari radiasi elektron dan kondisi vakum pada mikroskop  elektron. Sementara itu, Frank dan grupnya berkontribusi untuk teknik  ini dari segi pendekatan geometris untuk menjawab pertanyaan bagaimana  membangun suatu struktur yang utuh dari ribuan hasil pencitraan elektron  dengan beragam orientasi. Sedangkan Henderson dan timnya berhasil  mendemonstrasikan bahwa teknik ini dapat digunakan untuk menentukan  struktur biomolekul dengan ukuran relatif kecil dan resolusi tinggi.

Kontribusi mereka berhasil membawa mikroskopi elektron ke tingkatan  yang sama sekali baru. Jika sebelumnya mikroskop elektron hanya digunakan untuk menentukan struktur non-biologis seperti kristal  mineral, kini teknik yang serupa dapat digunakan untuk molekul biologis yang "hidup". Hingga saat ini, mikroskopi elektron kriogenik telah  digunakan untuk menentukan berbagai struktur biologis mulai dari virus utuh hingga hemoglobin.

Penentuan struktur biomolekul membawa banyak kemungkinan untuk  aplikasi di berbagai area. Bukan tidak mungkin, teknik ini menjadi metode utama dalam menentukan struktur molekul biologis dan memberi  pengetahuan baru akan fungsi dan interaksi molekul-molekul pada makhluk  hidup.