Sejak freezer ditemukan, industri ilmu hayati telah bergantung pada freezer. Hal ini karena banyak sampel pasien, kandidat obat, dan bahan biologis lainnya harus disimpan dan diangkut dalam freezer yang kuat atau dikelilingi oleh es kering agar tetap stabil.
Permasalahan ini terlihat jelas selama pandemi Covid-19, ketika truk berisi vaksin harus dibuang karena telah mencair selama pengangkutan. Saat ini, taruhannya bahkan lebih tinggi. Pengobatan yang presisi, mulai dari terapi sel CAR-T hingga pengurutan DNA tumor yang memandu pengobatan kanker, bergantung pada sampel biologis murni. Namun pemadaman listrik, keterlambatan pengiriman, atau kegagalan peralatan dapat menghancurkan sampel pasien yang tidak dapat tergantikan, menunda pengobatan selama berminggu-minggu atau menghentikan pengobatan sama sekali. Di daerah-daerah terpencil dan negara-negara berkembang, kurangnya fasilitas penyimpanan pendingin yang dapat diandalkan secara efektif menghalangi seluruh masyarakat dari kemajuan yang dapat menyelamatkan jiwa ini.
Simpan DNA ingin membebaskan industri dari freezer. Di MIT, para pendiri perusahaan menciptakan cara baru untuk menyimpan dan mengawetkan molekul DNA pada suhu kamar. Kini perusahaan ini sedang membangun teknologi pengawetan biomolekul yang dapat digunakan dalam aplikasi di seluruh layanan kesehatan, mulai dari tes darah rutin dan skrining kanker hingga penelitian penyakit langka dan kesiapsiagaan menghadapi pandemi.
“Kami ingin menantang paradigma tersebut,” kata salah satu pendiri Cache DNA dan mantan postdoc MIT James Banal. “Bioteknologi telah bergantung pada rantai dingin selama lebih dari 50 tahun. Mengapa hal itu tidak berubah? Sementara itu, biaya pengurutan DNA telah anjlok dari $3 miliar untuk genom manusia pertama menjadi di bawah $200 saat ini. Dengan pengurutan dan sintesis DNA menjadi begitu murah dan cepat, penyimpanan dan transportasi telah menjadi hambatan utama. Ini seperti memiliki superkomputer yang masih memerlukan kartu berlubang untuk input data.”
Ketika perusahaan berupaya melestarikan biomolekul selain DNA dan meningkatkan produksi peralatannya, salah satu pendiri Banal dan Profesor Mark Bathe dari MIT yakin bahwa teknologi mereka berpotensi membuka wawasan kesehatan baru dengan membuat penyimpanan sampel dapat diakses oleh para ilmuwan di seluruh dunia.
“Bayangkan jika setiap manusia di bumi dapat berkontribusi pada biobank global, bukan hanya mereka yang tinggal di dekat fasilitas freezer yang bernilai jutaan dolar,” kata Banal. “Itu berarti 8 miliar cerita biologis, bukan hanya segelintir cerita istimewa. Obat yang kita lewatkan mungkin tersembunyi di dalam biomolekul seseorang yang belum pernah bisa kita jangkau.”
Dari komputasi kuantum hingga “Jurassic Park”
Banal datang ke MIT dari Australia untuk bekerja sebagai postdoc di bawah bimbingan Bathe, seorang profesor di Departemen Teknik Biologi MIT. Banal terutama belajar di MIT-Harvard Center for Excitonics, di mana ia berkolaborasi dengan para peneliti dari seluruh MIT.
“Saya mengerjakan beberapa hal yang sangat aneh, seperti nanoteknologi DNA dan persimpangannya dengan komputasi kuantum dan fotosintesis buatan,” kenang Banal.
Proyek lain berfokus pada penggunaan DNA untuk menyimpan data. Meskipun komputer menyimpan data dalam bentuk 0 dan 1, DNA dapat menyimpan informasi yang sama menggunakan nukleotida A, T, G, dan C, sehingga memungkinkan penyimpanan data yang sangat padat: Diperkirakan, 1 gram DNA dapat menampung hingga 215 petabyte data.
Setelah tiga tahun bekerja, pada tahun 2021, Banal dan Bathe menciptakan sistem yang menyimpan data berbasis DNA dalam partikel kaca kecil. Mereka mendirikan Cache DNA pada tahun yang sama, mengamankan kekayaan intelektual dengan bekerja sama dengan Kantor Lisensi Teknologi MIT, menerapkan teknologi tersebut untuk menyimpan sampel asam nukleat klinis serta data DNA. Namun, teknologi ini masih terlalu baru untuk digunakan pada sebagian besar aplikasi komersial pada saat itu.
Profesor kimia Jeremiah Johnson mempunyai pendekatan berbeda. Penelitiannya menunjukkan bahwa plastik dan karet tertentu dapat didaur ulang dengan menambahkan ikatan molekul yang dapat dibelah. Johnson berpikir teknologi Cache DNA bisa lebih cepat dan lebih dapat diandalkan dengan menggunakan polimer mirip amber miliknya, serupa dengan cara para peneliti dalam film “Jurassic Park” memulihkan DNA dinosaurus purba dari resin amber yang menjadi fosil pohon.
“Pada dasarnya ini dimulai sebagai percakapan yang menyenangkan di sepanjang aula Gedung 16,” kenang Banal. “Dia telah melihat karya saya, dan saya mengetahui inovasi di labnya.”
Banal segera melihat potensinya. Dia akrab dengan beban rantai dingin. Untuk eksperimennya di MIT, dia menyimpan sampel di freezer besar yang disimpan pada suhu -80 derajat Celcius. Sampel terkadang hilang di dalam freezer atau terkubur dalam penumpukan es yang tak terhindarkan. Bahkan ketika sampel tersebut diawetkan dengan sempurna, sampel dapat terdegradasi saat dicairkan.
Sebagai bagian dari kolaborasi antara Cache DNA dan MIT, Banal, Johnson, dan dua peneliti di lab Johnson mengembangkan polimer yang menyimpan DNA pada suhu kamar. Sebagai bentuk inspirasi mereka, mereka mendemonstrasikan pendekatan tersebut dengan mengkodekan urutan DNA dengan lagu tema “Jurassic Park”.
Polimer para peneliti dapat mencakup suatu bahan sebagai cairan dan kemudian membentuk balok padat seperti kaca ketika dipanaskan. Untuk melepaskan DNA, para peneliti dapat menambahkan molekul yang disebut cysteamine dan deterjen khusus. Para peneliti menunjukkan proses tersebut dapat bekerja untuk menyimpan dan mengakses 50.000 pasangan basa genom manusia tanpa menyebabkan kerusakan.
“Amber asli tidak bagus dalam pengawetan. Ia berpori dan memungkinkan masuknya kelembapan dan udara,” kata Banal. “Apa yang kami bangun benar-benar berbeda: jaringan polimer padat yang membentuk penghalang yang tidak dapat ditembus di sekitar DNA. Anggap saja seperti penyegelan vakum, tetapi pada tingkat molekuler. Polimer tersebut sangat hidrofobik sehingga air dan enzim yang biasanya menghancurkan DNA tidak dapat menembusnya.”
Saat penelitian tersebut mulai terbentuk, Cache DNA mengetahui bahwa penyimpanan sampel merupakan masalah besar di rumah sakit dan laboratorium penelitian. Di negara-negara seperti Florida dan Singapura, para peneliti mengatakan bahwa menghadapi dampak kelembapan pada sampel adalah hal yang selalu membuat pusing kepala. Peneliti lain di seluruh dunia ingin mengetahui apakah teknologi ini dapat membantu mereka mengumpulkan sampel di luar laboratorium.
“Rumah sakit memberi tahu kami bahwa mereka kehabisan ruang,” kata Banal. “Mereka harus membuang sampel, membatasi pengumpulan sampel, dan sebagai skenario terakhir, mereka akan menggunakan teknologi penyimpanan berusia puluhan tahun yang akan menyebabkan degradasi dalam waktu singkat. Teknologi ini menjadi bintang utara bagi kami untuk memecahkan masalah tersebut.”
Alat baru untuk kesehatan presisi
Tahun lalu, Cache DNA mengirimkan lebih dari 100 peralatan pelestarian DNA alfa pertamanya kepada para peneliti di seluruh dunia.
“Kami tidak memberi tahu peneliti untuk apa menggunakannya, dan pikiran kami terpesona oleh kasus penggunaannya,” kata Banal. “Beberapa menggunakannya untuk mengumpulkan sampel di lapangan di mana pengiriman dingin tidak memungkinkan. Yang lain mengevaluasi penyimpanan arsip jangka panjang. Penerapannya berbeda-beda, namun masalahnya bersifat universal: Semua memerlukan penyimpanan yang andal tanpa kendala pendinginan.”
Cache DNA telah mengembangkan seluruh rangkaian teknologi pelestarian yang dapat dioptimalkan untuk berbagai skenario penyimpanan. Perusahaan ini juga baru-baru ini menerima hibah dari National Science Foundation untuk memperluas teknologinya guna melestarikan biomolekul yang lebih luas, termasuk RNA dan protein, yang dapat menghasilkan wawasan baru mengenai kesehatan dan penyakit.
“Inovasi penting ini membantu menghilangkan rantai dingin dan berpotensi membuka jutaan sampel genetik secara global untuk Cache DNA guna memberdayakan pengobatan yang dipersonalisasi,” kata Bathe. “Menghilangkan rantai dingin adalah setengah dari upaya yang dilakukan. Setengah lainnya adalah meningkatkan skala dari ribuan menjadi jutaan atau bahkan miliaran sampel asam nukleat. Secara keseluruhan, hal ini dapat memungkinkan setara dengan ‘Google Books’ untuk asam nukleat yang disimpan pada suhu kamar, baik untuk sampel klinis di lingkungan rumah sakit dan wilayah terpencil di dunia, atau sebagai alternatif untuk memfasilitasi penyimpanan dan pengambilan data DNA dalam skala besar.”
“Freezer telah menentukan di mana ilmu pengetahuan bisa terjadi,” kata Banal. “Hilangkan kendala tersebut, dan Anda akan mulai membuka kemungkinan: negara-negara kepulauan mempelajari genetika unik mereka tanpa sampel meninggal saat transit; setiap pasien penyakit langka di seluruh dunia berkontribusi pada penelitian, tidak hanya mereka yang berada di dekat rumah sakit besar; 2 miliar orang yang tidak memiliki listrik yang dapat diandalkan akhirnya mengikuti studi kesehatan global. Penyimpanan pada suhu ruangan bukanlah jawaban yang tepat, namun setiap penyembuhan dimulai dengan sampel yang bertahan dalam perjalanan.”
