Teknologi DNA

Tiga puluh putaran PCR mengubah satu potong DNA menjadi sekitar satu miliar salinan.

Menyalin DNA di dalam tabung

Kebanyakan cara meneliti DNA memerlukan DNA jauh lebih banyak daripada yang ada dalam setetes darah atau sehelai rambut. Reaksi berantai polimerase, atau PCR, mengatasi masalah itu. NHGRI menyebutnya fotokopi molekuler: cara cepat dan murah untuk menyalin segmen DNA kecil yang dipilih. PCR memakai aturan pasangan basa yang sama dengan sel. Sampel dipanaskan agar kedua untai berpisah, lalu didinginkan agar potongan pemula pendek yang disebut primer dapat menempel di kedua sisi target. Setelah itu DNA polimerase yang tahan panas membangun untai pasangan baru pada setiap cetakan. Itulah satu siklus.

Setiap siklus dapat menggandakan jumlah salinan, sehingga jumlahnya naik dengan cepat. Setelah 10 siklus, satu molekul bisa menjadi 2¹⁰ = 1024 salinan, setelah 20 siklus 1 048 576, dan setelah 30 siklus 1 073 741 824, sekitar satu miliar. Reaksi sungguhan sedikit di bawah penggandaan sempurna, tetapi gagasannya tetap berlaku. Kary Mullis, yang merancang PCR pada 1983, menerima Hadiah Nobel Kimia pada 1993. NHGRI mencatat kegunaannya: sebagian besar pekerjaan pemetaan dalam Proyek Genom Manusia, sidik jari DNA, pendeteksian bakteri dan virus, serta diagnosis kelainan genetik.

Memilah potongan menurut ukuran

Untuk melihat hasil suatu reaksi, laboratorium sering memakai elektroforesis gel. OpenStax menjelaskan caranya. Selembar gel agarosa, yang dibuat dari zat yang terdapat dalam rumput laut, direndam dalam larutan garam, lalu sampel DNA dimasukkan ke sumur-sumur kecil di salah satu ujungnya. DNA bermuatan negatif karena gugus fosfatnya. Karena itu, ketika arus listrik dialirkan melalui gel, DNA bergerak ke arah elektrode positif. Gel bekerja seperti jalinan kusut: potongan kecil menyelinap dengan cepat, sedangkan potongan besar tertinggal. Setelah beberapa saat, fragmen terkecil berada paling jauh dari sumur. Pewarna kemudian membuat pita-pitanya terlihat.

Membaca huruf-hurufnya dan seluruh genom

Membaca urutan basa disebut sekuensing. Frederick Sanger mengembangkan metode terminasi rantai. Metode ini memakai nukleotida yang sedikit diubah sehingga untai yang sedang tumbuh berhenti di tempat nukleotida itu masuk. Potongan-potongan yang berhenti itu lalu dipilah menurut ukuran sehingga urutannya terbaca satu basa demi satu basa. Sanger menerima Hadiah Nobel Kimia pada 1980, dan metodenya dipakai dalam Proyek Genom Manusia. Proyek itu resmi dimulai pada Oktober 1990 dan selesai pada April 2003, lebih dari dua tahun sebelum jadwal. Hasilnya mencakup sekitar 92 persen genom, sejauh teknologi saat itu memungkinkan. Sisa 8 persen yang penuh pengulangan diselesaikan oleh konsorsium Telomere-to-Telomere pada 2022, sehingga diperoleh urutan lengkap 3.055 miliar pasangan basa.

Membandingkan genom menunjukkan betapa miripnya manusia satu sama lain. NHGRI mencatat bahwa genom dua orang sering disebut sekitar 99.9 persen identik. Dengan sekitar 3 miliar basa, 0.1 persen tetap berarti sekitar 3 juta perbedaan, cukup untuk membuat pola DNA setiap orang khas.

Menyunting DNA

Alat penyuntingan genom bekerja seperti gunting yang memotong DNA di titik yang dipilih; setelah itu ilmuwan dapat membuang, menambah, atau mengganti DNA di sana. NHGRI menggambarkan CRISPR sebagai cara yang lebih sederhana, lebih cepat, lebih murah, dan lebih akurat daripada metode penyuntingan lama, dan kini banyak ilmuwan penyunting genom memakainya. Emmanuelle Charpentier dan Jennifer Doudna berbagi Hadiah Nobel Kimia 2020 "atas pengembangan metode penyuntingan genom". Peneliti memakainya untuk mematikan satu gen pada hewan seperti mencit dan ikan zebra agar tahu fungsi gen itu. Pengobatan sedang dikembangkan, tetapi NHGRI menunjukkan masalah yang belum terpecahkan: alat ini kadang memotong di tempat yang salah, dan suntingan pada sel telur, sperma, atau embrio akan diturunkan ke generasi berikutnya. Banyak negara membatasi penyuntingan semacam itu, dan NIH tidak mendanai penelitian untuk menyunting embrio manusia.