Ketika Anda memikirkan medan listrik, Anda mungkin berpikir tentang listrik — benda yang memungkinkan kehidupan modern dengan menggerakkan segala sesuatu mulai dari peralatan rumah tangga hingga telepon seluler. Para peneliti telah mempelajari prinsip kelistrikan sejak tahun 1600-an. Benjamin Franklin, yang terkenal dengan eksperimen layang-layangnya, menunjukkan bahwa petir memang bersifat listrik.
Listrik juga memungkinkan kemajuan besar dalam biologi. Sebuah teknik yang disebut elektroforesis memungkinkan para ilmuwan menganalisis molekul kehidupan – DNA dan protein – dengan memisahkannya berdasarkan muatan listriknya. Elektroforesis tidak hanya diajarkan secara umum di biologi sekolah menengah, tetapi juga merupakan pekerjaan keras di banyak laboratorium klinis dan penelitian, termasuk laboratorium saya.
Saya seorang profesor teknik biomedis yang bekerja dengan sistem elektroforesis mini. Bersama-sama, saya dan siswa mengembangkan versi portabel dari perangkat ini yang dapat mendeteksi patogen dengan cepat dan membantu peneliti melawannya.
Apa itu Elektroforesis?
Para peneliti menemukan elektroforesis pada abad ke-19 dengan menerapkan tegangan listrik pada partikel tanah liat dan mengamati bagaimana mereka bermigrasi melalui lapisan pasir. Setelah kemajuan lebih lanjut pada abad ke-20, elektroforesis menjadi standar di laboratorium.
Untuk memahami cara kerja elektroforesis, pertama-tama kita perlu menjelaskan medan listrik. Ini adalah gaya tak kasat mata yang ditimbulkan oleh partikel bermuatan listrik, seperti proton dan elektron, satu sama lain. Partikel yang bermuatan listrik positif, misalnya, akan tertarik ke arah partikel yang bermuatan negatif. Hukum “tarik-menarik yang berlawanan” berlaku di sini. Molekul juga dapat mempunyai muatan; lebih positif atau negatifnya tergantung pada jenis atom yang menyusunnya.
Dalam elektroforesis, medan listrik dihasilkan antara dua elektroda yang terhubung ke catu daya. Satu elektroda bermuatan positif, dan elektroda lainnya bermuatan negatif. Mereka ditempatkan di sisi berlawanan dari wadah berisi air dan sedikit garam, yang dapat menghantarkan listrik.
Ketika molekul bermuatan seperti DNA dan protein terdapat di dalam air, elektroda menciptakan medan gaya di antara keduanya yang mendorong partikel bermuatan menuju elektroda yang bermuatan berlawanan. Proses ini disebut migrasi elektroforesis.
Peneliti menyukai elektroforesis karena cepat dan fleksibel. Elektroforesis dapat membantu menganalisis berbagai jenis partikel, dari molekul hingga mikroba. Selanjutnya elektroforesis dapat dilakukan dengan bahan seperti kertas, gel, dan tabung tipis.
Pada tahun 1972, fisikawan Stanislav Dukhin dan rekan-rekannya mengamati jenis migrasi elektroforesis lain yang disebut elektroforesis nonlinier yang dapat memisahkan partikel tidak hanya berdasarkan muatan listriknya tetapi juga berdasarkan ukuran dan bentuknya.
Medan listrik dan patogen
Kemajuan lebih lanjut dalam elektroforesis menjadikannya alat yang berguna untuk melawan patogen. Secara khusus, revolusi mikrofluida memungkinkan laboratorium kecil yang memungkinkan peneliti mendeteksi patogen dengan cepat.
Pada tahun 1999, para peneliti menemukan bahwa sistem elektroforesis kecil ini juga dapat memisahkan patogen utuh berdasarkan perbedaan muatan listriknya. Mereka menempatkan campuran beberapa jenis bakteri dalam kapiler kaca yang sangat tipis yang kemudian dikenai medan listrik. Beberapa bakteri keluar dari perangkat lebih cepat dibandingkan bakteri lain karena muatan listriknya yang berbeda, sehingga mikroba dapat dipisahkan berdasarkan jenisnya. Mengukur kecepatan migrasi mereka memungkinkan para ilmuwan mengidentifikasi setiap spesies bakteri yang ada dalam sampel melalui proses yang memakan waktu kurang dari 20 menit.
Mikrofluida meningkatkan proses ini lebih jauh lagi. Perangkat mikrofluida cukup kecil untuk muat di telapak tangan Anda. Ukurannya yang mini memungkinkannya melakukan analisis jauh lebih cepat dibandingkan peralatan laboratorium konvensional karena partikel tidak perlu melakukan perjalanan sejauh itu melalui perangkat untuk dianalisis. Artinya, molekul atau patogen yang dicari peneliti lebih mudah dideteksi dan kecil kemungkinannya hilang selama analisis.
Misalnya, sampel yang dianalisis menggunakan sistem elektroforesis konvensional perlu melewati tabung kapiler yang panjangnya sekitar 11 hingga 31 inci (30 hingga 80 sentimeter). Prosesnya memerlukan waktu 40 hingga 50 menit dan tidak portabel. Sebagai perbandingan, sampel yang dianalisis dengan sistem elektroforesis kecil bermigrasi melalui saluran mikro yang panjangnya hanya 0,4 hingga 2 inci (1 hingga 5 sentimeter). Ini berarti perangkat kecil dan portabel dengan waktu analisis sekitar dua hingga tiga menit.
Elektroforesis nonlinier telah memungkinkan perangkat yang lebih canggih dengan memungkinkan peneliti memisahkan dan mendeteksi patogen berdasarkan ukuran dan bentuknya. Saya dan rekan lab saya menunjukkan bahwa menggabungkan elektroforesis nonlinier dengan mikrofluida tidak hanya dapat memisahkan jenis sel bakteri yang berbeda tetapi juga sel bakteri hidup dan mati.
Sistem elektroforesis kecil dalam kedokteran
Elektroforesis mikrofluida mempunyai potensi untuk berguna di berbagai industri. Terutama, sistem kecil ini dapat menggantikan metode analisis konvensional dengan hasil yang lebih cepat, kemudahan yang lebih baik, dan biaya yang lebih rendah.
Misalnya, saat menguji kemanjuran antibiotik, perangkat kecil ini dapat membantu peneliti dengan cepat mengetahui apakah patogen mati setelah pengobatan. Hal ini juga dapat membantu dokter memutuskan obat mana yang paling tepat untuk pasien dengan membedakan dengan cepat antara bakteri normal dan bakteri yang resisten terhadap antibiotik.
Laboratorium saya juga sedang mengembangkan sistem mikroelektroforesis untuk memurnikan virus bakteriofag yang dapat digunakan untuk mengobati infeksi bakteri.
Dengan pengembangan lebih lanjut, kekuatan medan listrik dan mikrofluida dapat mempercepat cara peneliti mendeteksi dan melawan patogen.
Artikel ini pertama kali diterbitkan di The Conversation oleh Blanca H. Lapizco-Encinas di Rochester Institute of Technology. Baca artikel aslinya di sini.