Di tahun 2021 akhir dan 2022 awal, di saat waktu itu masih di periode COVID-19, saya menyadari sesuatu. Waktu itu, saya menyadari bahwa bioinformatika dan biologi komputasi, bakal jadi solusi buat saya bisa neliti banyak hal yang mana biasanya terbatas karena biaya. Well, oke lah bahwa buat mendapatkan data primer bioinformatika aja mahal. Tapi alhamdulillah saya dapat kesempatan buat bisa belajar dan jadi praktisi kayak sekarang. Dulu, saya pengen banget belajar biologi sintetik, tapi saya terlalu telat buat belajar itu dan mempraktekkan itu karena di ITB dan UGM, alma mater saya, keduanya baru ada biologi sintetik setelah saya lulus. Tapi beruntung, saya sekarang jadi anggota iGEM dan udah banyak terlibat sama proses-proses internalnya (mungkin saya akan cerita soal ini di lain kesempatan). Di 2022 awal, saya diskusi sama salah seorang teman dekat saya, Reza.
“Za, akan ada waktu di mana urang akan kehabisan bahan penelitian buat Rafflesia dan familinya. Bukan karena ga tertarik lagi, tapi meski penting mempelajari itu buat konservasi, urang mau belajar ilmu yang sustain. Bioinformatika tetap jadi alat. Mungkin urang akan pindah ke ngerjain tanaman pangan dan tanaman model (Arabidopsis thaliana). Ketika sekarang urang belajar bioinformatika Rafflesia, urang mungkin akan unlock gen-gen penting buat biologi sintetik. Tapi ada satu ilmu yang urang tertarik pengen belajar”
“Apa tuh kak?” – tanya balik Reza

“Biologi kuantum“
…dan somehow, tahun itu bertepatan dengan merebaknya istilah multisemesta atau multiverse dan kuantum. Thanks buat Marvel Cinematic Universe waktu itu.
Nontonin kanal YouTube-nya Sciencephile The AI dan Up and Atom, kemudian baca papernya Jim Al Khalili (McFadden & Al Khalili, 2018), sisi curious saya bangkit.
Apa yang saya pikirkan?
“Ketika kita ke memperkecil pandangan kita, dari individu… populasi… komunitas… ekosistem… bioma… sampai akhirnya biosfer, kita tiba di batas atas kehidupan. Ya, mungkin biosfer kita adalah kesatuan terbesar kehidupan. Apakah biosfer bumi berkomunikasi dengan biosfer lain bila ada kehidupan di luar sana? Itu hal yang masih misteri, masih dikaji secara astrobiologi dan xenobiologi. Sejauh ini, ini ujung mentok kita buat makrobiota. Tapi… apa batas terkecil fungsional dari mekanika kehidupan?”
Yuk kita bahas dari apa yang udah saya tekuni!
Mengenal Biologi Kuantum dari Kacamata Awam
Di bawah sel, sesuatu yang merupakan unit fungsional terkecil yang hidup, masih banyak molekul-molekul yang berkontribusi, layaknya organ kita bisa bekerja. Tapi, seperti yang kita tahu, semakin kecil dunia yang kita jelajah, semua akan mengalami transisi dari aturan mekanika klasik ke mekanika kuantum, di mana dalam mekanika kuantum ini, semua tidak akan tepat atau eksak, tapi hanya bisa diduga posisinya, sifatnya, dan kejelasan atasnya – sesuatu yang mungkin kita pernah dengar sebagai Azas Ketidakpastian Heisenberg.
Ketika kita menggunakan alat komputasi kita, kayak PyMOL, Discovery Studio, atau Autodock Vina dan perangkat buat penambatan molekuler (molecular docking), kita paham bagaimana konstruk atau struktur asam nukleat dan protein kita, serta bagaimana proses interaksi substrat-enzim dan inhibisi enzimatis bisa terjadi. Protein dan asam nukleat adalah molekul raksasa (makromolekul) yang membentuk kehidupan. Protein membentuk enzim atau struktur fungsional lainnya. Asam nukleat, berupa nukleozim (biasanya ribozim, dari RNA) juga bisa berperan sebagai enzim atau katalisator. Tapi, kayak pelajaran SMA, di sini semua akan stuck. DNA bisa rusak dan bermutasi karena sinar ultra violet (UV), enzim bisa denaturasi, enzim bisa non-aktif di suhu rendah, reaksi terang fotosintesis merupakan proses jungkat-jungkit antara foton (partikel cahaya) dan elektron di protein fotosistem II (PSII) dan fotosistem I (PSI), dan lainnya. Interaksi yang mengikuti kaidah mekanika kuantum pada umumnya ini, disebut fenomena trivial, hubungannya adalah tentang interaksi antar atom di protein atau makromolekul lain, interaksi antar makromolekul sendiri. Interaksi ini misalnya gaya regang antar atom di molekul, gaya rotasi atom, gaya torsi molekul, interaksi antar atom, sampai gaya elektrostatik (Hukum Coulomb) antara molekul bermuatan dan gaya van der Waals, antar molekul tak bermuatan.
Tapi tau ga kalian, bahwa kayak yang tadi saya sebutkan bahwa dunia kuantum itu aneh, ternyata fenomena biomolekul di dalamnya juga bisa aneh?
Enzim bisa bekerja secara “otomatis” karena substratnya seolah bisa “teleport” ke sisi aktif dan mengalami proses enzimatik.
Proton di ujung pasangan nukleotida bisa “teleport” ke sisi pasangannya, membuat molekulnya berubah dan dampaknya pas direplikasi, bisa membuat DNA mutasi.
Elektron bisa “membuat dirinya seolah banyak” dan tiba di pusat reaksi fotosintesis tanpa nyasar dan kekurangan energi.
Cuma gara-gara dua molekul radikal bebas di kriptokrom, burung bisa membaca medan magnet.
Fenomena ini ga umum. Fenomena ini disebut fenomena non-trivial di mekanika kuantum. Misalnya penerowongan kuantum (quantum tunneling), superposisi dan koherensi kuantum (quantum superposition and coherence), dan penautan kuantum (quantum entanglement). Ketika kita mempelajari fenomena non-trivial dari sistem dan mekanika kerja komponen biologi molekuler, di sinilah… biologi kuantum bisa kita pelajari.
Saya akan cerita detailnya lebih banyak di bawah, tapi saya ga bakal pake rumus. Jujur yak, kalo saya bisa paham fisika dan kemampuan matematis saya lebih jago, jujur saya pengen jadi fisikawan partikel atau kuantum dari dulu. Sayangnya, saya ga sejago itu, jadi saya masih di biologi, sampai pelan-pelan bisa belajar biologi kuantum. Kuy lah kita lanjut!
Penerowongan Kuantum (Quantum Tunneling)
Analogi tergampang: Teleport atau menembus tembok.
Singkat cerita, ternyata, selama ada jarak, suatu partikel itu bisa berpindah dari satu titik ke titik lain, meski ada penghalang yang membatasi. Nah, tapi… probabilitas proses ini tergantung sama berapa besar jaraknya, berapa besar energi penghalangnya, dan berapa besar massa partikelnya. Fenomena ini disebut quantum tunneling. Di biologi kuantum, fenomena ini bisa terjadi antara dua nukleotida yang berpasangan dan enzim yang substratnya kecil (misal proton).
Jadi, 2 nukleotida berpasangan itu bisa saling menransfer proton. Ya, kalian inget kan? Guanin dan sitosin punya 3 ikatan hidrogen, dan adenin dan timin punya 2 ikatan hidrogen. Nah, kalo hidrogen atau protonnya pindah, dia bisa merubah bentuk nukleotida, dan akhirnya berefek kesalahan replikasi DNA. Sebelumnya, percobaan juga udah dilakukan dengan mengganti hidrogen (di air, H2O) dengan deuterium yang lebih berat. Ternyata ketika diganti deuterium (di air deuterium, D2O), probabilitas mutasi bisa lebih kecil (Lu et al. 2013).
Selain mutasi, tunneling juga bisa terjadi pada enzim dehidrogenase. Pada suhu dingin (-150 °C), katalisasi transfer hidrogen bisa terjadi secara tunneling karena energi pembatasnya jadi rendah dan peluang tunneling jadi meningkat (De Vault and Chance, 1966; Pusuluk et al. 2018).
Gampangnya, liat deh gambar di bawah ini:

Selain dua contoh ini, ada juga tunneling yang diduga terjadi pada proses penciuman (olfaktori). Nah, cuma untuk ini saya belum tau pembahasannya.
Secara filosofi, di dunia kuantum, probabilitas itu bisa ada dan mendekati nol, tapi ga nol sempurna. Kamu bisa membayangkan gini: Calon pasangan ideal kamu bisa aja tiba-tiba muncul di depan kamu. Probabilitas itu ada dengan hitungan kompleks peluang kependudukan (rasio jenis kelamin vs rasio di jenis kelamin itu yang umurnya sesuai pilihanmu vs rasio di kumpulan barusan yang punya ciri fisik yang kamu suka vs rasio yang mau sama kamu) vs peluang mekanika kuantum (probabilitas tunneling berbanding terbalik dengan massa dan jarak). Jadi itu mungkin, tapi peluangnya lebih kecil dari 1 per 1 miliar. Jadi, mending cari sana!
Superposisi dan Koherensi Kuantum (Quantum superposition and coherence)
Analogi gampangnya: Elektron itu bisa jurus seribu bayangan (JP: Kage bunshin no jutsu) dan ber”perilaku” layaknya gelombang yang bisa ada di semua posisi.
Pas SMA, kita selalu dikasih tau kan, bahwa di PSII dan PSI di reaksi terang, elektron bisa loncat karena sentakan oleh foton, terus elektron bisa loncat dari satu klorofil ke klorofil lain.

Nyatanya ga gitu. Ada puluhan molekul klorofil di fotosistem, dan kalau elektron nyasar, fotosintesis ga bisa terjadi karena elektron bakal kehilangan energi. Nyatanya, elektron bisa sampe ke pusat reaksi tanpa kehilangan energi, karena dia bisa “menjelma” menjadi versi gelombangnya (ya, elektron bisa punya wujud dualisme: Gelombang dan partikel) dan sampai seketika ke pusat reaksi (Engel et al. 2007).
Fenomena ini disebut superposisi, fenomena di mana suatu entitas pada tingkat kuantum bisa menempati semua kondisi dan akan tetap pada kondisi tersebut (koheren) hingga diobservasi/menyentuh sesuatu, dan ia akan kembali ke wujud partikel (dekoheren).
Di dunia kuantum, partikel bisa berada pada posisi/status bersamaan. Lagi, sampai dia diobservasi.

Hal ini nyambung sama salah satu interpretasi mekanika kuantum yang disebut interpretasi Coppenhagen. Di dunia kuantum, segala probabilitas itu bisa ada. Tapi, sekalinya diobservasi, probabilitas itu akan runtuh ke hanya satu kondisi. Simpelnya, di tingkat kuantum, ada probabilitas kamu bakal berjodoh ama gebetan kamu dari A sampe Z. Tapi begitu kamu memilih, segala probabilitas itu akan runtuh ke alur waktu di mana kamu memilih gebetan kamu yang jadi pasangan kamu. Sama halnya dengan elektron yang bisa ke segala probabilitas posisi bersamaan, dan saat dia sampe di pusat reaksi, segala probabilitas posisi lain akan hilang.
Di sisi lain, ada interpretasi lain disebut interpretasi banyak dunia atau many-world interpretation. Beda ama interpretasi Coppenhagen, di mana ketika kita memilih, opsi lain akan runtuh, interpretasi banyak dunia menginterpretasikan bahwa pilihan lain akan bercabang ke semesta lain. Jadi pilihan tadi ga hilang, tapi bercabang.
Penautan kuantum (Quantum entanglement)
Analogi gampangnya: Dua orang yang sangat dekat, ntah itu orang tua dan anaknya, atau antara dua pasangan, meski terpisah jarak, mereka akan saling merasakan satu sama lain.
Kalian tau ga sih? Medan magnet Bumi itu, kekuatannya kecil. Tapi gimana caranya ini dideteksi? Kita punya kompas, bertenaga magnet. Tapi burung migrasi seperti Robin Eropa (Erithacus rubecula) punya kriptokrom yang berperan sebagai kompas molekuler. Gimana caranya kriptokrom bekerja mendeteksi magnet Bumi?
Gimana caranya kita menggerakkan batu yang super berat hanya dengan sentuhan? Jawabannya, itu bisa terjadi kalo si batu itu udah ga stabil, jadi disentuh aja dia udah gerak/jatuh. Kriptokrom punya 2 komponen radikal bebas: Asam amino triptofan (di kriptokrom) dan molekul FAD di dalamnya. Singkat cerita, elektron di kedua radikal ini ketika superposisi, mereka antara memiliki spin atas dan bawah bersamaan. Ketika kena intervensi magnetik Bumi, elektron di kedua radikal ini akan menjadi konfigurasi singlet (kedua elektron terluar berlawanan, atas dan bawah; kondisi stabil) atau triplet (kedua elektron terluar search; radikal) (Ritz et al. 2000; Solov’yov and Schulten, 2009; Solov’yov et al. 2010; Solov’yov and Schulten, 2012; Solov’yov et al. 2014). Probabilitas dan kombinasi kemunculan antara singlet dan triplet di akhir superposisi kuantum antara triptofan dan FAD inilah yang membuat si burung membaca medan magnet seolah ada kompas.
Lah, di mana penautannya?
Ada jarak antara triptofan dan FAD di kriptokrom. Ketika 1 diobservasi atau menyentuh/diintervensi sesuatu, superposisinya akan kolaps menjadi kondisi spin elektron yang beda kan? Tapi ini terjadi serentak antara kedua radikal tadi. Dan menurut Azas Larangan Pauli, ketika satu elektron berada pada spin atas, yang satu akan bawah.

Pusing ya? Bagi saya pun, quantum entanglement ini adalah yang paling susah buat saya pahami. Intinya, fenomena ini adalah fungsi korelasi antara 2 status yang sifatnya terpaut. Posisi spin elektron yang hanya bisa kolaps ke atas atau bawah aja padahal ada jarak yang memisahkan (ga ada yang ngasih tau bahwa yang satu udah runtuh superposisinya, tapi yang lainnya langsung runtuh juga di posisi berlawanan) sejauh apapun jaraknya. Konsep non-lokalitas ini yang dulu sempet ga dipercaya Einstein. Sampe ada percobaan yang memisahkan 2 partikel terpaut sejauh jarak yang memungkinkan informasi kolapsnya status superposisi antara 2 partikel itu memerlukan kecepatan lebih dari kecepatan cahaya, dan ternyata ketika kolaps, mereka tetap di kondisi berbeda – tanpa ada yang ngebuat keduanya saling tahu posisi masing-masing.
Logikanya, kamu dan pasangan kamu yang kamu sayangin banget (anjay). Ketika ada sesuatu yang terjadi, karena kalian udah deket banget, terpaut secara nasib (anjay lagi), kalian bisa saling ngerasain jika ada sesuatu.
Perpaduan dengan omik dan biologi sintetik
Sekarang adalah era multi-omik, era yang muncul karena teknologi sekuensing asam nukleat generasi lanjut (Next Generation Sequencing atau NGS) dan kromatografi kimia dan spektrometri semakin canggih. Kita jadi tau protein-protein termasuk enzim-enzim yang bisa aja menggunakan fenomena kuantum non-trivial tadi sebagai mekanisme kerjanya. Menariknya, bisa aja antara dua organisme, ga semuanya memiliki efisiensi yang sama atau bahkan ga bekerja dengan mekanisme yang sama, sehingga satu bisa lebih lambat, dan yang lain lebih cepat. Atau untuk kriptokrom, di organisme satu bisa membantu untuk deteksi medan magnet Bumi, yang lain hanya berfungsi sebagai indikator cahaya. Menggabungkan omiks dan biologi kuantum kayaknya bisa ngebuat kita belajar bagaimana mekanisme ini diwariskan di evolusi. Bayangin, se-detail itu Tuhan merancang protein, sampe di evolusi fenomena kuantum ini bisa diteruskan dan terkonservasi!
Nah, dengan kita tau mana protein atau enzim yang lebih efisien, kita bisa pindahkan ke organisme lain deh dengan teknologi transgenik. Terus, dengan kita gabungkan mekanismenya satu sama lain, kita bisa membuat sistem biologi sintesis di organisme yang berbeda.
Kebayang ga… tumbuhan yang magnetotropik?
Enzim yang super efisien?
Fotosintesis dengan pigmen yang berbeda dari klorofil biasa dan lebih efisien?
Kayaknya itu bisa didapat, kalo kita bisa mengintegrasikan si biologi kuantum dengan omik, dan nantinya… dengan biologi sintetik.
Wow… selamat datang di era biologi, versi kuantum-mania!
-AW-
Referensi
De Vault, D. and Chance, B., 1966. Studies of photosynthesis using a pulsed laser: I. Temperature dependence of cytochrome oxidation rate in chromatium. Evidence for tunneling. Biophysical Journal, 6(6), pp.825-847.
Engel, G.S., Calhoun, T.R., Read, E.L., Ahn, T.K., Mančal, T., Cheng, Y.C., Blankenship, R.E. and Fleming, G.R., 2007. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature, 446(7137), pp.782-786.
Lu, M.F., Zhang, Y.J. and Zhang, H.Y., 2013. Isotope effects on cell growth and sporulation, and spore heat resistance, survival and spontaneous mutation of Bacillus cereus by deuterium oxide culture. African Journal of Microbiology Research, 7(8), pp.604-611.
McFadden, J. and Al-Khalili, J., 2018. The origins of quantum biology. Proceedings of the Royal Society A, 474(2220), p.20180674.
Pusuluk, O., Farrow, T., Deliduman, C., Burnett, K. and Vedral, V., 2018. Proton tunnelling in hydrogen bonds and its implications in an induced-fit model of enzyme catalysis. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 474(2218), p.20180037.
Ritz, T., Adem, S. and Schulten, K., 2000. A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophysical Journal, 78(2), pp.707-718.
Solov’yov, I.A. and Schulten, K., 2009. Magnetoreception through cryptochrome may involve superoxide. Biophysical Journal, 96(12), pp.4804-4813.
Solov’Yov, I.A., Mouritsen, H. and Schulten, K., 2010. Acuity of a cryptochrome and vision-based magnetoreception system in birds. Biophysical Journal, 99(1), pp.40-49.
Solov’yov, I.A. and Schulten, K., 2012. Reaction kinetics and mechanism of magnetic field effects in cryptochrome. The Journal of Physical Chemistry B, 116(3), pp.1089-1099.
Solov’yov, I.A., Domratcheva, T. and Schulten, K., 2014. Separation of photo-induced radical pair in cryptochrome to a functionally critical distance. Scientific Reports, 4(1), pp.1-8.





















