Pemahaman Holistic Ilmu-ilmu Hayati Melalui Pendekatan Complexity Science dan Nanobiologi

Sutiman B. Sumitro
Guru Besar Biologi Sel dan Molekuler Dosen Program Doktor Biologi dan Biomedik, Universitas Brawijaya

 

Ringkasan
Selama ini, menurut kaidah Fisika, pendekatan Biologi diklasifikasikan sebagai cara berfikir Newtonian. Maksudnya, seluruh fakta Biologi hanya dikembangkan dari fenomena yang dapat diikuti dan diamati melalui indera dan atau dengan instrumentasi yang membantu keterbatasan indera. Basis berfikir Newtonian ini menuntut seluruh proses hidup perlu digambarkan dan divisualisasikan baik tentang struktur, bentuk, posisi (spatial) maupun kecepatan gerakan dan perubahan dalam konteks tautan antara ruang dan waktu. Dengan demikian ketika berfikir Newtonian ini, sistem kehidupan terlihat sebagai obyek kajian yang sangat rumit. Akibat dari rumitnya obyek, maka kajian di bidang Biologi dan life sciences pada umumnya, cenderung dilakukan dengan pendekatan analitik yang bertujuan mengurai kerumitan sehingga memudahkan pembicaraan dalam pengembangan konsep dan simpulan (gambar 1). Namun demikian, tetap saja kita dihadapkan pada kenyataan rumitnya sistem serta banyaknya data sehingga cenderung untuk memilih maupun memilah yang pada akhirnya melakukan penyederhanaan dan pembatasan pada hal-hal yang dianggap penting atau utama sesuai dengan kapasitas kemampuan manusiawi yang kita miliki.
Kompleksitas tubuh direduksi menjadi untaian DNA

Gambar 1: Tubuh manusia diasumsikan sebagai sebuah organisasi, tujuannya agar dapat dikembangkan konsep atas dasar bagian-bagian dari sebuah sistem kehidupan. Dari pandangan sebagai sebuah sistem organisasi, muncul kemudian konsep Biologi Sel sampai dengan Biologi Molekuler. Saat ini Individu manusia seringkali cukup dipandang sebagai set genom yang merupakan set untaian basa purine dan pyrimidine

Aktivitas penyederhanaan (reduksionistik) di atas merupakan jalan mencari pengetahuan yang selama kurun waktu puluhan sampai ratusan tahun belakangan ini dianggap sebagai jalan berfikir yang dapat diandalkan untuk pengembangan ilmu-ilmu hayati. Melalui pendekatan reduksionistik seperti tersebut ini sudah banyak pengetahuan dan rahasia sistem kehidupan diperoleh dan menjadi pengetahuan ummat berupa khasanah keilmuan. Namun demikian di sisi lain, masih sangat banyak pula hal yang menjadi misteri dan terasa tidak akan pernah dapat dipahami bila dikaji dengan cara pendekatan yang selama ini dilakukan. Dominasi jalan berfikir analitik dan reduksionistik ini menjadikan khasanah ilmu hayati bersifat parsial dan bahkan terasa hanya menjadi tumpukan pengetahuan- pengetahuan yang sulit dirajut menjadi pengetahuan untuk memahami hakekat yang memerlukan pendekatan yang lebih komprehensif. Kecenderungan penyerderhanaan obyek kajian umumnya disertai dengan memilih bagian yang dianggap strategis dan penting. Sebagai konsekuensinya banyak sekali asumsi dan sekaligus juga pengabaian fakta, Akibat dari jalan berfikir selama ini terlihat nyata pada Ilmu Kedokteran ketika melakukan upaya-upaya mengatasi permasalahan penyakit-penyakit yang memiliki ketidak-jelasan antara sebab dan akibat. Upaya pengembangan teknologi pengobatan di bidang Kedokteran yang sering memiliki efek samping yang tidak dikehendaki memerlukan bahasan dengan sudut pandang baru untuk mengatasinya.

Gambar 2: Kecenderungan penyerderhanaan obyek kajian umumnya disertai dengan memilih bagian yang dianggap strategis dan penting. Gambar di atas adalah contoh penyederhanaan konsep metabolisme dengan mengasumsikan adanya jalur utama dalam sistesis NO dan TNFα dalam sel glia

Untuk memberikan kajian yang lebih komprehensif terhadap konsep-konsep dalam Biologi yang selama ini cenderung bersifat linearistik serta analitik- reduksionistik, maka dalam kajian Ilmu-ilmu Hayati termasuk Kedokteran perlu memanfaatan konsep-konsep Fisika Modern. Hal ini berarti Biologi harus menyentuh aspek diskusi sampai pada sistem kerja atomik maupun partikel. Dengan demikian sebuah makro molekul tidak cukup hanya didiskusikan strukturnya ataupun dibahas hanya dengan bahasa Kimia, namun juga harus ada bahasan tentang karakter makro molekul tersebut di aspek medan gaya energi serta fenomena-fenomena gerakan sangat cepat yang tidak berjalan atas asas ruang dan waktu.

Ceramah kali ini berbicara tentang pemanfaatan pandangan Nano Biology dalam bidang Ilmu-ilmu Hayati dengan ilustrasi kajian-kajian yang menyentuh aspek molekul dan unit penyelenggara kehidupan yang berukuran antara 1 sampai 100 nm dengan memakai konsep fisika modern (gambar 3). Unit-unit berukuran nano tersebut selama ini hanya didekati melalui perspektif hukum kimia dan Biologi dalam kajian-kajian Biokimia dan Biologi Sel. Unit-unit ini umumnya berupa makro molekul bersifat susunan komplek tersusun dari beberapa komponen monomer, mereka bekerja sangat spesifik bahkan dianggap memiliki kecerdasan. Mereka tahu kapan, bagaimana, dimana dan dengan siapa mereka harus bekerja. Namun demikian bagaimana mekanismenya, medan gaya apa yang bekerja, dan mengapa dapat tetap bekerja dengan respon sangat cepat (dalam ukuran mikro sampai piko detik) sampai saat ini tidak dibahas. Selain itu sistem kehidupan mustinya juga dipandang sebagai aliran kontinu energi dan materi yang sedang menyelenggaraan keteraturan tubuh yang dinamis. Dengan diasumsikan bahwa rancangan atau konsep hidup sudah ada pada molekul-molekul makro ukuran nanomener ini, maka pendekatan Fisika Modern diharapkan dapat lebih membuka tabir rahasia atom- atom atau molekul-molekul ketika mereka menyelenggarakan sifat hidup. Pemikiran baru ini terdukung oleh perkembangan Ilmu Komputer dan Sistem Informasi, yang memungkinkan penerapan Complexity Science dan sedapat mungkin menghindarkan pengabaian karena semua keberadaan dianggap memiliki peranan.

Gambar 3: Komponen penyelenggara kehidupan dalam sel berukuran antara 10 sampai 100nm, tidak lagi sepenuhnya mengikuti kaidah Newton. Mekanisme kerja enzim, DNA, lipid komponen membran yang melibatkan medan gaya energi, magnetik maupun listrik serta partikel atomik mengharuskan bahasan mengindahkan kaidah Fisika Modern dan Fisika Kuantum

Dalam sistem biologis setiap nano partikel baik berupa enzim, DNA, dan komponen-komponen penyelenggara hidup lainnya bekerja menyelenggarakan sistem aliran energi dan materi membangun keteraturan normal, mereka melaksanakan mekanisme transfer energi dalam skala milliVolt dengan tingkat efisiensi yang sangat tinggi. Dengan pemanfaatan Complexity Science dan nanobiologi, pembahasan rahasia kehidupan tidak lagi berhenti di tahapan analitik dan reduksionistik. Semua akumulasi hasil pengetahuan selama ini dapat dilanjutkan untuk memahami sistem kehidupan secara lebih komprehensif dengan mempertimbangkan mekanisme kerja komponen-komponen baik berupa atom maupun molekul dalam bentuk konfigurasi cara kerja alamiah mereka. Kita juga dapat memanfaatkan konsep-konsep Fisika Modern, Fisika Quantum maupun hukum-hukum kekekalan energi agar kesimpulan ilmiah dapat lebih menggambarkan mekanisme kerja alamiah secara utuh dan dapat menghindari pengabaian. Sistem kehidupan dapat dipikirkan sebqagai sebuah aliran energi dan materi yang bersifat kontinu membangun keteraturan yang bersifat dinamis. Dapat dicontohkan misalnya Chlorophyll dan Cytocrome (gambar 4) yang akan memperoleh posisi kerja yang efisien bila dalam bentuk kerjasama dengan komponen lain baik dalam bentuk interaksi molekuler komplek. Energi masuk dalam sistem Fisiologi diawali dengan asupan makanan berupa materi yang kemudian dicerna dan masuk ke dalam sistem metabolisme sel (pada organisme heterotop termasuk manusia), maupun berupa gelombang cahaya yang dirubah menjadi sistem energi listrik untuk menggerakkan metabolisme pada organisme autotrop seperti tanaman.

Mekanisme kerja dan kasiat bahan Herbal termasuk jamoe, salah satunya dapat dipikirkan dalam konteks sistem energi ini. Mereka digunakan secara tradisional dalam bentuk ekstrak kasar (crude extract). Upaya untuk mengisolasi serta memanfaatkannya secara parsial bertumpu pada komponen aktif, dan mekanisme aksi dengan asumsi target khusus disertai anggapan adanya jalur-jalur utama sistem metabolisme, tidak sesuai dengan fakta pemanfaatan Jamoe yang selalu dalam bentuk ekstrak kasar, bersifat multi target dan holistik. Dalam Jamoe ada pemikiran sinergitas komponen dalam mekanisme kerjanya yang bersifat multi target dapat dibahas dengan pemanfaatan Complexity Science dan Nano Biologi dalam upaya membangun konsep Jamoe.

Secara alamiah komponen-komponen kimia sering membentuk struktur gabungan (macromolekular structures) berupa komplek molekul dengan memanfaatkan kapasitas fisikawi mereka selain sifat-sifat kimiawinya. Upaya merekonstruksi makromolekul ini secara in silico dapat dilakukan dengan memanfaatkan adanya sifat biradikal seperti yang yang diusulkan oleh Kosower (1967). Komponen-komponen molekul organik maupun non organik, dalam bentuk alamiahnya baik berupa komponen Biokimiawi dalam sel, bentuk ekstrak kasar (crude extract) maupun dalam bentuk asap, secara prinsip selalu membangun sinergi dan mampu membentuk macromolekular structures seperti dicontohkan di bawah ini (Gambar 4):

Gambar 4: Ilustrasi model makro molekul dalam bentuk konfigurasi struktur komplek dalam situasi alamiah ketika mereka memberikan efeknya ke dalam sistem biologis. Nano Molecular Complex Structure of di-HO•-Phenanthrenedienyl bersama nikotin serta Fe dan logam lainnya ketika membentuk partikulasi (butuiran-butiran ukuran skala nanometer)

Dalam asap Kretek, Nano Molecular Complex Structure dimotori oleh di-HO•- Phenanthrenedienyl bersama nikotin dan Fe dan logam-logam lainnya membentuk partikulasi (butiran-butiran asap ukuran nanomemeter) seperti diilustrasikan dalam gambar di atas. Partikulasi komplek molekul ini, pada situasi suhu tinggi (400-600o C) memungkinkan terbentuknya struktur komplek yang saling berinteraksi atas dasar kompetensi Fisikami mereka berupa gaya magnetik, dan bukan melalui potensi ikatan kimiawinya.. Struktur komplek ini relatif stabil serta memiliki posisi potensial listrik tinggi (tereksitasi). Di permukaannya akan banyak awan elektron dalam posisi yang cukup stabil sehingga bila ada komplek senyawa lain yang memiliki potensial listrik lebih rendah, komplek ini diperkirakan mampu mendonasikan elektronnya pada jenjang tegangan listrik skala milli Volt yang merupakan tegangan listrik dalam sistem Fisiologis normal. Nano Molecular Complex Structure ini secara teoritis tidak akan menjadi radikal bila kehilangan atau ketambahan elektron. Mereka akan hanya bergorang dari situasi diamagnetik menjadi paramagnetik bila kegilangan elektron atau sebaliknya bila ketambahan elektron. Dengan demikian komplek senyawa ini sekaligus juga berfungsi sebagai scavenger dengan kemampuan berlipat dibandingkan anti oksidan yang umumnya berupa single component, seperti vitamin C.

Untuk meningkatkan jumlah partikulasi serta kinerja /fungsi asap sebagai scavenger, dan skali gus juga sumber energi penggerak sistem metabolisme, perlu penambahan senyawa-senyawa biradikal. Hasil eksperimen yang telah kita lakukan dengan menambahkan asam-asam amino aromatis , sperti Phenyl Alanine atau Trypthopan, mampu meningkatkan jumlah partikel asal (gambar 5).

Gambar 5: Pelapisan beberapa asam amino aromatik pada permukaan luar filter menggantikan filter rokok Kretek komersial yang dipakai percobaan menunjukkan kenaikan nyata jumlah partikulasi asapnya

Nano Molecular Complex Structure seperti ini sangat mirip dengan komplek-komplek molekul yang secara alami ada dalam sistem Fisiologi Sel seperti Chlorophyll maupun Cytochrome yang diketahui merupakan komplek molekul yang bertanggung jawab dalam sistem transfer energi (gambar 6 dan 7).

Gambar 6: Chlorophyll a dan b

Gambar 7: Nano Sized Molecular Complex Structure of Cytochrome

Satu hal yang perlu dicatat di sini adalah, ketika kita berbicara sistem energi, maka kita akan berada pada posisi bahasan yang bersifat holistik. Energi dapat dibahas dengan memakai hukum-hukum Fisika Thermodinamika maupun dalam konteks Fisika Kuantum. Karena ini menyangkut sebuah aliran elektron, dengan demikian juga akan melibatkan bahasan tentang medan gaya magnetik yang berada dalam lingkup Fisika Modern. Alat-alat yang dipakai antara lain adalah Electron Spin Resonance (ESR), Fluorencence Resonance Energy Transfer (FRET). Bahasan aspek Fisikawi ini akan memberikan bahasan yang lebih komprehensif karena melengkapi hasil-hasil kajian reduksionistik dan analitik yang selama ini dipakai. Dengan demikian simpulan dan teknologi yang dikembangkan pun akan lebih berdaya guna, murah dan lebih dekat dengan alam karena apabila berhubungan dengan pemanfaatan bahan alam, kita tidak perlu melakukan isolasi atau purifikasi dengan latar belakang target khusus.

 

Kosower, E.M. (1967): “An Introduction to Physical Organic Chemistry. Garland Pub. Co., New York.
Page6

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *