Aplikasi baru alat fisika dan matematika untuk biologi

Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi kini kian canggih. Saat ini sebuah ilmu pengetahuan tidak lagi berdiri sendiri. Setiap ilmu pengetahuan saling bekerja sama secara sinergi dalam memecahkan masalah di setiap ilmu pengetahuan itu sendiri.

Permasalahan di bidang biologi saat ini adalah molekul DNA dibungkus dua kali di sekitar octamer histon, protein struktural utama dari kromosom. Studi baru menunjukkan bahwa mereka memainkan peran dalam melestarikan memori biologis ketika sel membelah.

Molekul DNA ini dibungkus dua kali sekitar octamer histon, protein struktural utama dari kromosom. Studi baru menunjukkan bahwa mereka memainkan peran dalam melestarikan memori biologis ketika sel membelah. Gambar milik Memorial University of Newfoundland.

Kredit: Gambar milik DOE / Lawrence Livermore National Laboratory

Seorang fisikawan Lawrence Livermore National Laboratory dan rekan-rekannya telah menemukan sebuah aplikasi baru berupa alat matematika yang biasa digunakan dalam fisika untuk membantu memecahkan masalah biologi ini.

Alat itu bernama mekanika statistik dan pemodelan matematika untuk menjelaskan sesuatu yang dikenal sebagai memori epigenetic. Memori epigenetic merupakan kemampuan suatu organisme yang dapat membuat memori biologis dalam beberapa kondisi variabel, seperti kualitas gizi atau suhu.

Untuk mempelajari sifat interdisipliner biologi molekuler modern inilah, alat dan model dari matematika dan fisika itu digunakan. Menurut Ken Kim, seorang ahli fisika LLNL, menyatakan bahwa tidak semua karakteristik organisme hidup dapat dijelaskan oleh gen mereka sendiri. Proses epigenetik terjadi melalui reaksi yang sangat sensitif  antara gen dengan lingkungan biokimia secara langsung dan selanjutnya, melewati reaksi-reaksi tersebut ke generasi berikutnya.

Protein histon yang pernah dianggap statis, merupakan komponen struktural dalam kromosom, tetapi menurut studi terbaru menunjukkan bahwa histon memainkan peran penting dalam dinamika mesin yang bertanggung jawab atas regulasi epigenetik. Ketika histon mengalami perubahan kimia (modifikasi histon) sebagai hasil dari beberapa stimulus eksternal, mereka memicu stimulus memori biologis jangka pendek bahwa sel dalam dapat diwariskan kepada sel anak. Memori ini juga dapat dikembalikan setelah terjadi siklus pembelahan sel beberapa saat.

Modifikasi epigenetik sangat penting dalam pengembangan fungsi sel, tetapi juga memainkan peran kunci dalam kanker. Menurut Jianhua Xing (2014), seorang mantan Postdoc LLNL dan profesor di Virginia Tech menyatakan bahwa perubahan epigenome dapat menyebabkan aktivasi atau deaktivasi jalur sinyal yang dapat menyebabkan pembentukan tumor.

Mekanisme yang mendasari memori epigenetik molekuler melibatkan interaksi kompleks antara histon, DNA dan enzim. Interaksi ini  menghasilkan pola modifikasi yang disebut sel. Untuk mendapatkan informasi tentang sistem yang kompleks, tim membangun model matematika yang menangkap fitur penting dari memori epigenetik histon-diinduksi. Model ini menantang sel terus-menerus selama pembentukan molekul. Hal ini sejalan dengan memulihkan gambar dengan bagian yang hilang. Sifat molekul spesies telah evolusioner dipilih untuk memungkinkan mereka memberi "alasan" ada bagian yang hilang didasarkan pada pola informasi yang tidak lengkap yang diwariskan dari sel induk.

Sumber

DOE/Lawrence Livermore National Laboratory