Biologi sintetis

Biologi sintetis (bahasa Inggris: Synthetic biology, SynBio) adalah cabang antar bidang biologi dan teknik. Bidang ini menggabungkan disiplin ilmu dari dalam domain ini, seperti bioteknologi, rekayasa genetika, biologi molekuler, teknik molekuler, biologi sistem, ilmu membran, biofisika, teknik kimia dan biologi, teknik elektronika, teknik komputer, teknik kendali dan biologi evolusi. Biologi sintetis menerapkan disiplin-disiplin ilmu ini untuk membangun sistem biologis buatan untuk penelitian, teknik, dan aplikasi medis.^[1]

Definisi

Biologi sintetis dilihat secara berbeda oleh ahli biologi dan insinyur. Awalnya dilihat sebagai bagian dari biologi, dalam beberapa tahun terakhir peranan teknik elektro dan kimia menjadi lebih penting. Sebagai contoh, satu deskripsi menunjuk biologi sintetis sebagai "disiplin yang muncul yang menggunakan prinsip-prinsip teknik untuk merancang dan merakit komponen biologi".^[2] Yang lain menggambarkannya sebagai "bidang ilmiah baru yang muncul di mana TIK, bioteknologi dan nanoteknologi bertemu dan saling menguatkan".^[3]

Definisi biologi sintetis juga diperdebatkan dalam ilmu manusia, seni dan politik.^[4] Satu definisi populer:^[5]

"merancang dan membangun modul biologis,^[6] sistem biologis, dan mesin biologis, atau merancang ulang sistem biologis yang telah ada untuk tujuan yang berguna".

Aspek fungsional dari definisi ini berakar pada biologi molekular dan bioteknologi.^[7]

Sebagai penggunaan istilah yang telah berkembang, biologi sintetis baru-baru ini didefinisikan sebagai desain buatan dan rekayasa sistem biologis dan organisme hidup untuk tujuan meningkatkan aplikasi untuk industri atau penelitian biologi.^[8]

Biologi sintetis secara tradisional telah dibagi menjadi dua pendekatan yang berbeda. Biologi sintetis atas-bawah melibatkan penggunaan teknik-teknik rekayasa metabolik dan genetika untuk memberikan fungsi-fungsi baru pada sel-sel hidup. Biologi sintetis bawah-atas melibatkan penciptaan sistem biologis baru secara in vitro dengan menyatukan komponen biomolekuler 'tidak hidup',^[9] sering kali dengan tujuan membangun sel buatan. Sistem biologis dengan demikian dirakit modul-demi-modul. Sistem ekspresi protein bebas sel sering digunakan,^[10]^[11]^[12] seperti halnya mesin molekuler berbasis membran. Ada upaya yang meningkat untuk menjembatani kesenjangan antara pendekatan ini dengan membentuk hibrida/sel sintetis,^[13] dan rekayasa komunikasi antara sel sintetis dan sel asli.^[14]

Sejarah

Penggunaan pertama yang dapat diidentifikasi dari istilah "biologi sintetis" adalah dalam publikasi Stéphane Leduc dari Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées (1910) ^[15] dan La Biologie Synthétique (1912).^[16]

Sebuah interpretasi kontemporer dari biologi sintetis diberikan oleh ahli genetika Polandia Wacław Szybalski dalam diskusi panel selama Konferensi Biologis "OHOLO" Kedelapan Belas tentang Strategi untuk Pengendalian Ekspresi Gen pada tahun 1973 Zichron Yaakov, Israel.^[17]^[18]

Pada tahun 1978, Arber, Nathans dan Smith memenangkan Hadiah Nobel dalam bidang Fisiologi atau Kedokteran untuk penemuan enzim restriksi, membuat Szybalski menawarkan komentar editorial dalam jurnal Gene:^[19]

Pekerjaan pada restriksi nukleasi tidak hanya memungkinkan kita untuk dengan mudah membangun molekul DNA rekombinan dan menganalisis gen individu, tetapi juga telah membawa kita ke era baru biologi sintetis di mana tidak hanya gen yang ada dijelaskan dan dianalisis tetapi juga pengaturan gen baru dapat dibangun dan dievaluasi.

Kemajuan penting dalam biologi sintetis terjadi pada tahun 2000, ketika dua artikel di Nature membahas penciptaan perangkat sirkuit biologis sintetis dari sakelar-sakelar genetik dan jam biologis dengan menggabungkan gen dalam sel E. coli.^[20]^[21]

Pada bulan April 2019, para ilmuwan di ETH Zurich melaporkan penciptaan genom bakteri pertama di dunia, bernama Caulobacter ethensis-2.0, yang seluruhnya dibuat oleh komputer, meskipun bentuk yang layak dari C. ethensis-2.0 belum ada.^[22]^[23]

Pada Mei 2019, para peneliti, dalam upaya tonggak sejarah, melaporkan penciptaan bentuk sintetis baru (mungkin buatan) dari kehidupan yang layak, varian dari bakteri Escherichia coli, dengan mengurangi jumlah alami 64 kodon dalam genom bakteri menjadi 59 kodon sebagai gantinya, untuk mengkodekan 20 asam amino.^[24]^[25]

Perspektif

Insinyur melihat biologi sebagai sebuah teknologi (dengan kata lain, bioteknologi atau rekayasa hayati dari suatu sistem).^[26] Biologi sintetis mencakup redefinisi luas dan perluasan bioteknologi, dengan tujuan akhir untuk dapat merancang dan membangun sistem biologi rekayasa yang memproses informasi, memanipulasi bahan kimia, membuat bahan dan struktur, menghasilkan energi, menyediakan makanan, dan memelihara serta meningkatkan kesehatan manusia (lihat rekayasa biomedis) dan lingkungan manusia.^[27]

Studi dalam biologi sintetis dapat dibagi lagi menjadi klasifikasi yang luas sesuai dengan pendekatan yang mereka ambil untuk masalah yang dihadapi: standardisasi bagian biologis, teknik biomolekular, rekayasa genom. Rekayasa biomolekular mencakup pendekatan yang bertujuan untuk menciptakan toolkit unit fungsional yang dapat diperkenalkan untuk menghadirkan fungsi teknologi baru dalam sel hidup. Rekayasa genetika mencakup pendekatan untuk membangun kromosom sintetis untuk organisme utuh atau minimal. Desain biomolekul mengacu pada gagasan umum desain de novo dan kombinasi aditif komponen biomolekul. Masing-masing pendekatan ini memiliki tugas yang sama: mengembangkan entitas yang lebih sintetis pada tingkat kompleksitas yang lebih tinggi dengan memanipulasi bagian yang lebih sederhana di tingkat sebelumnya.^[28]

Di sisi lain, "penulis ulang" (rewriter) adalah ahli biologi sintetis yang tertarik untuk menguji ireduksibilitas sistem biologi. Karena kompleksitas dari sistem biologis alami, akan lebih mudah untuk membangun kembali sistem alami yang diminati melalui pendekatan dari bawah ke atas untuk menyediakan rekayasa pengganti sistem yang lebih mudah dipahami, dikendalikan, dan dimanipulasi.^[29]

Lihat pula

Referensi

^ Smolke, Christina D.,. Synthetic biology : parts, devices and applications. Weinheim, Germany. ISBN 9783527688081. OCLC 1025341188.
^ IEEE Xplore Abstract - Intellectual Property and the Commons in Synthetic Biology: Strategies to Facilitate an Emerging Tec...
^ W97 binnenwerk-8 - Rathenau Constructing Life 2006.pdf^{[pranala nonaktif permanen]}
^ "Salinan arsip". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-06-18. Diakses tanggal 2019-07-09.
^ Nakano T, Eckford AW, Haraguchi T (12 September 2013). Molecular Communication. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-02308-6.
^ "Registry of Standard Biological Parts". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2018-03-23. Diakses tanggal 2014-09-11.
^ "Synthetic-biology firms shift focus". Nature. 505 (7485): 598. January 2014. Bibcode:2014Natur.505..598C. doi:10.1038/505598a. PMID 24476868.
^ "Synthetic biology. 4th New Phytologist Workshop, Bristol, UK, June 2012". The New Phytologist. 196 (3): 671–7. November 2012. doi:10.1111/j.1469-8137.2012.04374.x. PMID 23043589.
^ "Bottom-up synthetic biology: engineering in a tinkerer's world". Science. 333 (6047): 1252–4. September 2011. Bibcode:2011Sci...333.1252S. doi:10.1126/science.1211701. PMID 21885774.
^ "A vesicle bioreactor as a step toward an artificial cell assembly". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (51): 17669–74. December 2004. Bibcode:2004PNAS..10117669N. doi:10.1073/pnas.0408236101. PMC 539773 . PMID 15591347.
^ "Cell-free synthetic biology: thinking outside the cell". Metabolic Engineering. 14 (3): 261–9. May 2012. doi:10.1016/j.ymben.2011.09.002. PMC 3322310 . PMID 21946161.
^ "Protein synthesis in artificial cells: using compartmentalisation for spatial organisation in vesicle bioreactors". Physical Chemistry Chemical Physics. 17 (24): 15534–7. June 2015. Bibcode:2015PCCP...1715534E. doi:10.1039/C4CP05933F. PMID 25932977.
^ "Constructing vesicle-based artificial cells with embedded living cells as organelle-like modules". Scientific Reports. 8 (1): 4564. March 2018. Bibcode:2018NatSR...8.4564E. doi:10.1038/s41598-018-22263-3. PMC 5852042 . PMID 29540757.
^ "Two-Way Chemical Communication between Artificial and Natural Cells". ACS Central Science. 3 (2): 117–123. February 2017. doi:10.1021/acscentsci.6b00330. PMC 5324081 . PMID 28280778.
^ Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées, S. Leduc, 1910
^ Leduc, Stéphane (1912). La biologie synthétique, étude de biophysique. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2016-09-27. Diakses tanggal 2019-07-09.
^ Dirk Stemerding, Virgil Rerimassie (2013). Discourses on Synthetic Biology in Europe. The Hague: Rathenau Instituut. hlm. 4. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2017-01-07. Diakses tanggal 2019-07-09.
^ "Panel discussion". Proceedings of the Eighteenth Annual "OHOLO" Biological Conference on Strategies for the Control of Gene Expression held March 27·30, 1973, at Zichron Yaakov, Israel. Advances in Experimental Medicine and Biology. Advances in Experimental Medicine and Biology, v. 44. 1974. hlm. 405. doi:10.1007/978-1-4684-3246-6. ISBN 978-1-4684-3248-0.
^ "Nobel prizes and restriction enzymes". Gene. 4 (3): 181–2. November 1978. doi:10.1016/0378-1119(78)90016-1. PMID 744485.
^ "A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators". Nature. 403 (6767): 335–8. January 2000. doi:10.1038/35002125. PMID 10659856.
^ "Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli". Nature. 403 (6767): 339–42. January 2000. doi:10.1038/35002131. PMID 10659857.
^ ETH Zurich (1 April 2019). "First bacterial genome created entirely with a computer". EurekAlert!. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-10-08. Diakses tanggal 2 April 2019.
^ Venetz, Jonathan E.; et al. (1 April 2019). "Chemical synthesis rewriting of a bacterial genome to achieve design flexibility and biological functionality". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. doi:10.1073/pnas.1818259116. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-04-06. Diakses tanggal 2 April 2019.
^ Zimmer, Carl (15 May 2019). "Scientists Created Bacteria With a Synthetic Genome. Is This Artificial Life? - In a milestone for synthetic biology, colonies of E. coli thrive with DNA constructed from scratch by humans, not nature". The New York Times. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-07-09. Diakses tanggal 16 May 2019.
^ Fredens, Julius; et al. (15 May 2019). "Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome". Nature. doi:10.1038/s41586-019-1192-5. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-07-16. Diakses tanggal 16 May 2019.
^ Zeng, Jie (Bangzhe). "On the concept of systems bio-engineering". Coomunication on Transgenic Animals, June 1994, CAS, PRC. 6.
^ Chopra, Paras; Akhil Kamma. "Engineering life through Synthetic Biology". In Silico Biology. 6.
^ "Synthetic biology through biomolecular design and engineering". Current Opinion in Structural Biology. 18 (4): 491–8. August 2008. doi:10.1016/j.sbi.2008.06.006. PMID 18644449.
^ Stone, M (2006). "Life Redesigned to Suit the Engineering Crowd" (PDF). Microbe. 1 (12): 566–570. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2018-06-12. Diakses tanggal 2019-07-09.

[1] Smolke, Christina D.,. Synthetic biology : parts, devices and applications. Weinheim, Germany. ISBN 9783527688081. OCLC 1025341188.

[2] IEEE Xplore Abstract - Intellectual Property and the Commons in Synthetic Biology: Strategies to Facilitate an Emerging Tec...

[3] W97 binnenwerk-8 - Rathenau Constructing Life 2006.pdf^{[pranala nonaktif permanen]}

[4] "Salinan arsip". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-06-18. Diakses tanggal 2019-07-09.

[NakanoEckford2013-5] Nakano T, Eckford AW, Haraguchi T (12 September 2013). Molecular Communication. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-02308-6.

[6] "Registry of Standard Biological Parts". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2018-03-23. Diakses tanggal 2014-09-11.

[7] "Synthetic-biology firms shift focus". Nature. 505 (7485): 598. January 2014. Bibcode:2014Natur.505..598C. doi:10.1038/505598a. PMID 24476868.

[8] "Synthetic biology. 4th New Phytologist Workshop, Bristol, UK, June 2012". The New Phytologist. 196 (3): 671–7. November 2012. doi:10.1111/j.1469-8137.2012.04374.x. PMID 23043589.

[9] "Bottom-up synthetic biology: engineering in a tinkerer's world". Science. 333 (6047): 1252–4. September 2011. Bibcode:2011Sci...333.1252S. doi:10.1126/science.1211701. PMID 21885774.

[10] "A vesicle bioreactor as a step toward an artificial cell assembly". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (51): 17669–74. December 2004. Bibcode:2004PNAS..10117669N. doi:10.1073/pnas.0408236101. PMC 539773 . PMID 15591347.

[11] "Cell-free synthetic biology: thinking outside the cell". Metabolic Engineering. 14 (3): 261–9. May 2012. doi:10.1016/j.ymben.2011.09.002. PMC 3322310 . PMID 21946161.

[12] "Protein synthesis in artificial cells: using compartmentalisation for spatial organisation in vesicle bioreactors". Physical Chemistry Chemical Physics. 17 (24): 15534–7. June 2015. Bibcode:2015PCCP...1715534E. doi:10.1039/C4CP05933F. PMID 25932977.

[13] "Constructing vesicle-based artificial cells with embedded living cells as organelle-like modules". Scientific Reports. 8 (1): 4564. March 2018. Bibcode:2018NatSR...8.4564E. doi:10.1038/s41598-018-22263-3. PMC 5852042 . PMID 29540757.

[14] "Two-Way Chemical Communication between Artificial and Natural Cells". ACS Central Science. 3 (2): 117–123. February 2017. doi:10.1021/acscentsci.6b00330. PMC 5324081 . PMID 28280778.

[15] Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées, S. Leduc, 1910

[16] Leduc, Stéphane (1912). La biologie synthétique, étude de biophysique. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2016-09-27. Diakses tanggal 2019-07-09.

[17] Dirk Stemerding, Virgil Rerimassie (2013). Discourses on Synthetic Biology in Europe. The Hague: Rathenau Instituut. hlm. 4. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2017-01-07. Diakses tanggal 2019-07-09.

[18] "Panel discussion". Proceedings of the Eighteenth Annual "OHOLO" Biological Conference on Strategies for the Control of Gene Expression held March 27·30, 1973, at Zichron Yaakov, Israel. Advances in Experimental Medicine and Biology. Advances in Experimental Medicine and Biology, v. 44. 1974. hlm. 405. doi:10.1007/978-1-4684-3246-6. ISBN 978-1-4684-3248-0.

[19] "Nobel prizes and restriction enzymes". Gene. 4 (3): 181–2. November 1978. doi:10.1016/0378-1119(78)90016-1. PMID 744485.

[:0-20] "A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators". Nature. 403 (6767): 335–8. January 2000. doi:10.1038/35002125. PMID 10659856.

[:1-21] "Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli". Nature. 403 (6767): 339–42. January 2000. doi:10.1038/35002131. PMID 10659857.

[EA-20190401-22] ETH Zurich (1 April 2019). "First bacterial genome created entirely with a computer". EurekAlert!. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-10-08. Diakses tanggal 2 April 2019.

[PNAS20190401-23] Venetz, Jonathan E.; et al. (1 April 2019). "Chemical synthesis rewriting of a bacterial genome to achieve design flexibility and biological functionality". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. doi:10.1073/pnas.1818259116. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-04-06. Diakses tanggal 2 April 2019.

[NYT-20190515-24] Zimmer, Carl (15 May 2019). "Scientists Created Bacteria With a Synthetic Genome. Is This Artificial Life? - In a milestone for synthetic biology, colonies of E. coli thrive with DNA constructed from scratch by humans, not nature". The New York Times. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-07-09. Diakses tanggal 16 May 2019.

[NAT-20190515-25] Fredens, Julius; et al. (15 May 2019). "Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome". Nature. doi:10.1038/s41586-019-1192-5. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-07-16. Diakses tanggal 16 May 2019.

[26] Zeng, Jie (Bangzhe). "On the concept of systems bio-engineering". Coomunication on Transgenic Animals, June 1994, CAS, PRC. 6.

[27] Chopra, Paras; Akhil Kamma. "Engineering life through Synthetic Biology". In Silico Biology. 6.

[28] "Synthetic biology through biomolecular design and engineering". Current Opinion in Structural Biology. 18 (4): 491–8. August 2008. doi:10.1016/j.sbi.2008.06.006. PMID 18644449.

[29] Stone, M (2006). "Life Redesigned to Suit the Engineering Crowd" (PDF). Microbe. 1 (12): 566–570. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2018-06-12. Diakses tanggal 2019-07-09.

[1]