Para peneliti telah mengembangkan metode baru untuk mengontrol ekspresi gen dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya menggunakan cahaya. Kemajuan ini, yang diterbitkan di Nature Chemistry, memperkenalkan fotoswitch reversibel yang menargetkan DNA G-quadruplex [gee-quad-ru-plex]. Inovasi molekuler ini dapat mengarah pada teknologi regulasi gen dinamis dan non-invasif.
Penelitian ini berfokus pada struktur DNA G-quadruplex (G4), konfigurasi empat untai unik yang ditemukan dalam urutan kaya guanin di dalam genom. G4 terlibat dalam proses seluler utama seperti transkripsi dan replikasi. Para ilmuwan merancang molekul yang dapat diubah fotoswitch yang secara selektif mengikat struktur G4 ini.
Fotoswitch ini memodulasi konformasi G4 sebagai respons terhadap panjang gelombang cahaya tertentu. Ini memungkinkan kontrol spasial dan temporal atas ekspresi gen. Para peneliti dapat secara efektif 'menghidupkan' atau 'mematikan' aktivitas gen dalam sel hidup dengan menyinari cahaya dengan warna yang sesuai.
Fotoswitch didasarkan pada turunan azobenzene [azo-ben-zene], molekul yang dikenal karena isomerisasi reversibel yang diinduksi cahaya. Tim mengoptimalkan kerangka kimia untuk memastikan afinitas pengikatan dan spesifisitas untuk DNA G4. Panjang gelombang cahaya dalam rentang yang terlihat mendorong transformasi struktural tanpa menyebabkan fotodamage signifikan pada sel.
Validasi eksperimental menunjukkan bahwa iradiasi dengan satu panjang gelombang cahaya menstabilkan struktur G4, menghambat pengikatan faktor transkripsi dan menurunkan ekspresi gen target. Sebaliknya, paparan panjang gelombang alternatif menginduksi isomerisasi fotoswitch, mengendurkan konformasi G4 dan memulihkan transkripsi gen. Kontrol panjang gelombang ganda ini memungkinkan regulasi gen yang tepat.
Kemampuan untuk memodulasi gen spesifik dari jarak jauh dan reversibel menjanjikan untuk mengembangkan terapi gen generasi berikutnya. Gen yang terkait penyakit dapat ditargetkan dan dibungkam bila perlu dan diaktifkan kembali seiring perkembangan kondisi pasien. Ini dapat dicapai melalui pulsa cahaya yang diterapkan secara eksternal.
Tim merekayasa fotoswitch yang responsif terhadap cahaya merah dan dekat inframerah, panjang gelombang yang menembus lebih dalam ke jaringan. Pengujian toksisitas ekstensif mengkonfirmasi bahwa senyawa fotoswitch dan siklus aktivasi cahayanya tidak menginduksi sitotoksisitas atau ketidakstabilan genom. Ini memastikan sistem dapat digunakan dengan aman dalam pengaturan eksperimen dan klinis.
Strategi desain modular memfasilitasi fungsionalisasi dan penyetelan lebih lanjut dari fotoswitch. Iterasi mendatang dapat menggabungkan ligan penargetan atau reporter fluoresen. Para penulis membayangkan teknologi ini diintegrasikan dengan pendekatan optogenetik dan nanoteknologi yang ada untuk modulasi genetik yang ditingkatkan.