Selama beberapa dekade, para ilmuwan percaya bahwa pola listrik kompleks yang muncul saat DNA melewati nanopore adalah tanda bahwa molekul tersebut membentuk simpul. Namun, penelitian terbaru mengungkapkan fakta yang mengejutkan: apa yang selama ini dianggap sebagai simpul ternyata adalah struktur yang jauh lebih rumit dan menarik, yaitu plectoneme.

Penemuan ini, yang dipublikasikan dalam jurnal Physical Review X, tidak hanya menggugurkan pemahaman lama tentang perilaku DNA, tetapi juga membuka jalan baru dalam memahami mekanisme biologis dan pengembangan teknologi berbasis nanopore. Mari kita gali lebih dalam tentang temuan revolusioner ini.

Dari Simpul ke Plectoneme: Mengubah Paradigma Lama

Dalam penelitian sebelumnya, para ilmuwan sering membandingkan perilaku DNA dengan memasukkan tali sepatu ke lubang sempit. Jika tali tersebut kusut, gerakannya akan berubah secara signifikan. Berdasarkan analogi ini, sinyal listrik yang tidak teratur saat DNA melewati nanopore dianggap sebagai bukti bahwa molekul tersebut membentuk simpul.

Namun, penelitian terbaru menunjukkan bahwa interpretasi ini tidak sepenuhnya akurat. Bukannya membentuk simpul seperti tali yang kusut, DNA sebenarnya membentuk plectoneme—struktur di mana molekul DNA melilit dirinya sendiri dalam bentuk spiral, mirip dengan kabel telepon yang terpelintir. Berbeda dengan simpul yang bersifat sementara dan mudah lepas, plectoneme lebih stabil dan dapat bertahan lebih lama selama proses translokasi DNA melalui nanopore.

Bagaimana Plectoneme Terbentuk?

Menurut Dr. Fei Zheng dari Cavendish Laboratory, pembentukan plectoneme dipicu oleh aliran elektroosmosis di dalam nanopore. Aliran air ini menghasilkan torsi pada molekul DNA heliks, memutar strand DNA hingga membentuk lilitan atau plectoneme. Torsi ini kemudian diteruskan ke bagian DNA di luar nanopore, menyebabkan mereka melilit dan membentuk struktur spiral.

Untuk menguji hipotesis ini, para peneliti menggunakan nanopore yang terbuat dari kaca dan silikon nitrida. Mereka melakukan eksperimen dengan berbagai tegangan listrik dan panjang molekul DNA yang berbeda. Hasilnya menunjukkan bahwa peristiwa “kusut”—di mana lebih dari satu bagian DNA muncul di dalam nanopore secara bersamaan—terjadi jauh lebih sering daripada yang dapat dijelaskan oleh pembentukan simpul saja. Bahkan, frekuensi peristiwa ini meningkat seiring dengan tingginya tegangan dan panjang molekul DNA.

Eksperimen dan Simulasi: Membuktikan Keberadaan Plectoneme

Untuk memastikan temuan mereka, para peneliti juga melakukan simulasi komputer dengan memodelkan DNA di bawah pengaruh gaya dan torsi realistis. Hasil simulasi ini mengonfirmasi bahwa plectoneme terbentuk akibat gerakan memutar yang dihasilkan oleh aliran elektroosmosis dalam nanopore. Selain itu, pembentukan plectoneme sangat bergantung pada kemampuan DNA untuk mentransmisikan torsi sepanjang molekulnya.

Dalam langkah inovatif lainnya, para peneliti menggunakan DNA yang telah dimodifikasi secara khusus, yaitu DNA “nicked”—molekul DNA yang dipotong pada interval tertentu sehingga mencegah propagasi torsi. Hasilnya, pembentukan plectoneme berkurang drastis. Temuan ini tidak hanya memperkuat bukti keberadaan plectoneme tetapi juga membuka peluang baru untuk mendeteksi kerusakan DNA menggunakan teknologi nanopore.

Membedakan Simpul dan Plectoneme

Salah satu keunggulan utama dari temuan ini adalah kemampuan untuk membedakan antara simpul dan plectoneme berdasarkan pola sinyal listrik yang dihasilkan. Menurut Prof. Ulrich F. Keyser, salah satu penulis penelitian ini, simpul menghasilkan sinyal yang singkat dan cepat berlalu—seperti sebuah “benturan” kecil dalam data. Sebaliknya, plectoneme menciptakan sinyal yang lebih panjang dan bertahan lebih lama.

Kemampuan untuk membedakan kedua struktur ini memiliki implikasi besar bagi penelitian biologi dan teknologi. Dengan memahami pola-pola sinyal ini, para ilmuwan dapat memperoleh wawasan yang lebih mendalam tentang organisasi DNA, integritas genomik, dan bahkan potensi kerusakan pada molekul DNA.

Dampak Luas bagi Biologi dan Teknologi

Penemuan tentang plectoneme ini memiliki dampak yang jauh melampaui eksperimen laboratorium sederhana. Dalam dunia biologi, pemahaman baru tentang entanglement atau lilitan DNA dapat membantu menjelaskan bagaimana enzim-enzim tertentu memengaruhi stabilitas genom dan organisasi DNA di dalam sel. Hal ini penting karena lilitan seperti plectoneme sering kali muncul secara alami dalam proses biologis seperti replikasi dan transkripsi DNA.

Di sisi lain, dalam bidang teknologi, kemampuan untuk mendeteksi dan mengontrol struktur twist seperti plectoneme dapat membuka jalan bagi pengembangan biosensor generasi baru. Biosensor ini bisa menjadi lebih sensitif terhadap perubahan halus pada struktur DNA, memungkinkan deteksi dini kerusakan DNA yang terkait dengan penyakit tertentu.

Selain itu, penelitian ini juga menunjukkan potensi nanopore sebagai alat manipulasi biopolimer. Dengan memanfaatkan aliran elektroosmosis untuk menghasilkan torsi pada molekul DNA, para ilmuwan dapat mengembangkan teknik baru untuk mempelajari sifat-sifat fisik biopolimer lainnya.

Penemuan Revolusioner di Dunia Nanopore

Penelitian ini telah mengubah cara kita memahami perilaku DNA selama analisis nanopore. Apa yang sebelumnya dianggap sebagai simpul ternyata adalah struktur plectoneme yang jauh lebih kompleks dan menarik. Temuan ini tidak hanya memperluas wawasan kita tentang mekanisme biologis tetapi juga membuka peluang baru dalam pengembangan teknologi diagnostik dan biosensor.

Dengan kemampuan untuk membedakan antara simpul dan plectoneme berdasarkan pola sinyal listriknya, para ilmuwan kini memiliki alat baru untuk mempelajari organisasi genomik dan mendeteksi kerusakan DNA secara lebih akurat. Selain itu, pemahaman tentang pembentukan plectoneme juga dapat memberikan wawasan baru tentang bagaimana molekul-molekul biologis berinteraksi di tingkat nanoskopik.

Penelitian ini adalah contoh sempurna bagaimana ilmu pengetahuan terus berkembang, menantang asumsi lama, dan membuka pintu menuju penemuan-penemuan baru yang tidak hanya relevan bagi dunia akademis tetapi juga memiliki dampak langsung pada kehidupan sehari-hari. Di masa depan, siapa tahu apa lagi rahasia yang akan terungkap dari heliks ganda DNA kita?

Referensi

Zheng, F., et al. (2026). Electrohydrodynamic torque induces plectoneme formation during DNA translocation through nanopores. Physical Review X.

Keyser, U. F., et al. (2006). Direct force measurements on DNA in a solid-state nanopore. Nature Physics, Vol. 2.

Branton, D., et al. (2008). The potential and challenges of nanopore sequencing. Nature Biotechnology, Vol. 26.