Apa hasil manusia? Bagaimana Para Ilmuwan Membuka Kode Gula

Ketika Anda memikirkan gula, Anda mungkin memikirkan gula meja manis, putih, kristal yang Anda gunakan untuk membuat kue atau mempermanis kopi Anda. Tetapi tahukah Anda bahwa di dalam tubuh kita, molekul gula sederhana dapat dihubungkan bersama untuk menciptakan struktur yang kuat yang baru-baru ini ditemukan terkait dengan masalah kesehatan, termasuk kanker, penuaan, dan penyakit autoimun.

Rantai gula panjang yang menutupi setiap sel kita disebut glycan, dan menurut National Academy of Sciences, membuat peta lokasi dan strukturnya akan mengantar kita ke era baru kedokteran modern. Ini karena glycome manusia - seluruh kumpulan gula di dalam tubuh kita - menampung glycans yang belum ditemukan dengan potensi untuk membantu dokter dalam mendiagnosis dan merawat pasien mereka.

Berkat perhatian dunia yang dikumpulkan oleh penyelesaian Proyek Genom Manusia tahun 2003, kebanyakan orang telah mendengar tentang DNA, genomik, dan bahkan proteomik - studi tentang protein. Tetapi studi tentang glycans, juga dikenal sebagai glycomics, sekitar 20 tahun di belakang bidang lain. Salah satu alasan untuk kelambatan ini adalah bahwa para ilmuwan belum mengembangkan alat untuk mengidentifikasi dengan cepat struktur-struktur glcan dan tempat-tempat perlekatan mereka pada sel-sel manusia. "Mantel gula" agak menjadi misteri.

Sampai sekarang.

Sementara sebagian besar laboratorium fokus pada penelitian seluler atau molekuler, lab kami didedikasikan untuk mengembangkan teknologi untuk secara cepat mengkarakterisasi struktur-struktur glycan dan situs lampirannya. Tujuan utama kami adalah membuat katalog ratusan ribu gula dan lokasi mereka pada berbagai jenis sel, dan kemudian menggunakan informasi ini untuk menyesuaikan terapi medis untuk setiap individu.

Anda juga dapat menyukai video ini dari Terbalik:

Mengapa Kami Peduli Tentang Glycans?

Di masa depan, ada kemungkinan bahwa analisis glycans individu akan digunakan untuk memprediksi risiko kita untuk mengembangkan penyakit seperti rheumatoid arthritis, kanker, atau bahkan alergi makanan. Ini karena perubahan glisin dapat secara spesifik dikaitkan dengan keadaan penyakit tertentu. Juga, proses biologis seperti penuaan terkait dengan peradangan pada glisin kita. Masih harus diuji apakah membalikkan perubahan ini dapat membantu mencegah penyakit, atau bahkan memperlambat penuaan - suatu kemungkinan yang menarik.

Bersama dengan DNA, protein, dan lemak, glikans adalah salah satu dari empat makromolekul utama yang penting bagi kehidupan. Dari keempat ini, glycan adalah penengah terakhir tentang bagaimana sel kita berperilaku.

DNA mengatur bagaimana rupa kita, kemampuan kita untuk berpikir dan berperilaku, dan bahkan menentukan penyakit yang paling rentan bagi kita. Di dalam DNA kami terdapat segmen pendek, gen, yang sering berisi instruksi tentang cara mensintesis protein. Protein, pada gilirannya, adalah "workhorses" sel, menjalankan banyak fungsi yang diperlukan untuk kehidupan.

Namun, bagaimana protein berperilaku sering tergantung pada apa yang melekat glycans padanya. Dengan kata lain, molekul-molekul gula ini dapat sangat memengaruhi cara protein kita melakukan pekerjaannya, dan bahkan bagaimana sel-sel kita akan merespons rangsangan. Misalnya, jika Anda mengubah beberapa glycans di luar sel, itu mungkin memicu sel itu untuk bermigrasi ke lokasi berbeda di tubuh kita.

Tugas utama glycans adalah memodifikasi protein dan lemak yang ada di permukaan sel kita. Bersama-sama, mereka membuat lapisan gula tebal di sekitar sel. Jika kita menganggap permukaan sel sebagai tanah, maka glycans akan menjadi tanaman-kehidupan dan dedaunan yang sangat beragam yang tumbuh dan membawa warna dan identitas ke sel. Bahkan, jika Anda bisa melihat sel dengan mata telanjang Anda, itu akan terlihat sangat kabur. Bayangkan buah persik dengan bulu halus 10 kali lebih banyak.

Glycans Memberi Label pada Sel Kita Sendiri dan Mengidentifikasi Mereka sebagai “Diri Sendiri”

Bulu halus di sekitar sel adalah lapisan glikanya. Berada di luar sel kita, glycan adalah titik kontak pertama untuk sebagian besar interaksi seluler dan dengan demikian memengaruhi cara sel kita berkomunikasi satu sama lain. Anda juga dapat menganggap glycans sebagai "barcode" seluler yang unik. Dengan demikian, fuzz sel ginjal akan terlihat berbeda dari fuzz sel imun. Tetapi ada juga kesamaan. Faktanya, sel-sel kekebalan tubuh yang mensurvei tubuh kita yang mencari patogen tidak tahu untuk menyerang sel-sel "diri" kita sendiri karena fitur-fitur umum dalam "kode batang" glycan yang digunakan bersama oleh semua sel tubuh kita.

Sebaliknya, bakteri dan parasit seperti malaria memiliki "mantel gula" berbeda yang tidak terlihat pada sel manusia. Ketika gula bakteri ditandai sebagai "asing," sistem kekebalan seseorang menargetkan bakteri untuk dihancurkan. Namun, beberapa patogen bakteri berbahaya seperti grup B streptococcus, yang umumnya menyebabkan infeksi parah pada bayi, dapat menghindari deteksi kekebalan tubuh dengan meniru sel-sel manusia dengan membawa glycans yang sama sebagai penyamaran - seperti serigala yang mengenakan kulit domba.

Sayangnya, beberapa patogen juga dapat menggunakan glycans kami untuk membantu mereka menyebabkan penyakit. Virus mematikan seperti HIV dan Ebola telah berevolusi untuk meraih glycan spesifik yang kemudian mereka “kunci” ketika mereka menginfeksi sel manusia kita. Terapi yang memblokir virus-virus ini dari berinteraksi dengan glycans kami, atau yang menyerang glycan spesifik-virus, mungkin merupakan jalan baru untuk mengobati infeksi-infeksi ini.

Penelitian baru juga menunjukkan bahwa glycans memainkan peran besar dalam pengembangan penyakit autoimun seperti rheumatoid arthritis dan autoimun pankreatitis. Ini tidak mengejutkan karena glycans secara langsung mempengaruhi fungsi sel-sel kekebalan tubuh.

Biasanya, sel-sel kekebalan tubuh kita bertindak sebagai "sistem pertahanan" tubuh kita, dan mengidentifikasi dan menghancurkan penjajah asing seperti bakteri atau virus berbahaya. Tetapi ketika tubuh secara keliru memberi label sel kita sendiri sebagai musuh dan meluncurkan serangan internal pada dirinya sendiri, autoimunitas lahir. Menariknya, dalam kasus seperti itu, glikans hadir pada antibodi yang menyerang diri sendiri yang keliru yang akan menentukan kekuatan serangan pada tubuh. Respon imun abnormal ini bahkan dapat diarahkan melawan glycans. Sebagai contoh, sistem kekebalan tubuh dapat keliru glikans "diri" seolah-olah mereka adalah molekul "asing". Tim peneliti kami baru-baru ini menerbitkan sebuah artikel yang memperkenalkan teori autoimunitas glycan, yang menjelaskan beberapa hubungan ini.

Glycans dalam Makanan Kita Dapat Memicu Respons Kekebalan Tubuh

Ada banyak penelitian yang menghubungkan konsumsi daging merah dengan penyakit seperti atherosclerosis dan diabetes, tetapi mereka belum dapat menunjukkan mengapa atau bagaimana hal ini terjadi hingga saat ini. Satu studi yang menarik menunjukkan bahwa pelakunya adalah gula dengan nama yang sulit dipakai, asam sialic N-glycolylneuraminic nonhuman, atau singkatnya Neu5Gc. Neu5Gc ditemukan di semua mamalia kecuali manusia, karena manusia purba yang bisa membuat Neu5Gc mati dari parasit malaria purba.

Namun, meskipun sekarang kita tidak memiliki kemampuan untuk memproduksi Neu5Gc, tubuh kita masih memiliki kemampuan untuk memasukkannya ke dalam glycans pada sel kita jika kita mendapatkannya dengan makan daging merah. Setelah itu menjadi bagian dari lapisan glycan sel kita, sel kita kemudian memiliki zat “asing” - Neu5Gc - yang mengelilinginya. Ini dapat memicu peradangan di seluruh tubuh karena sistem kekebalan tubuh kita mengenali Neu5Gc sebagai "asing" dan menyerang itu. Peradangan kronis yang disebabkan oleh serangan internal ini dapat menyebabkan serangan jantung, stroke, dan bahkan kanker.

Tubuh kita mensintesis puluhan ribu glycans unik, seringkali dengan struktur bercabang yang dibentuk dari blok pembangun gula sederhana. Protein atau lemak juga dapat dimodifikasi oleh puluhan glycans unik. Kombinasi yang tak terhitung ini membuat pemetaan glycans menjadi tugas yang sulit karena kita membutuhkan cara yang praktis dan efisien untuk menganalisis ratusan ribu pola glycan.

Tim peneliti kami sekarang telah mengembangkan metode untuk memantau dengan cepat dan kuat perekat manusia. Dengan memanfaatkan kemajuan rekayasa dan perbaikan dalam pemrosesan sampel, teknik kami dapat memonitor ribuan glycan sekaligus, yang memungkinkan kami untuk mengkarakterisasi glycans dalam sel dari kontrol yang sehat dan pasien dengan berbagai penyakit yang berbeda. Tujuan kami adalah menggunakan data ini untuk mengembangkan model prediksi untuk membantu dokter mendiagnosis dan mengobati semua penyakit manusia. Kami percaya bahwa gelombang baru kemajuan medis akan tiba ketika kami membuka "kode gula."

Jenny Wang adalah penulis utama artikel ini.

Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation oleh Emanual Maverakis, Carlito Lebrilla, dan Jenny Wang. Baca artikel asli di sini.