oleh: Wahono*
Otak merupakan pusat sistem saraf yang melangsungkan fungsi-fungsi vital seperti proses pembelajaran, emosi, dan gerak motorik. Dalam prosesnya, sel saraf sebagai penyusun otak dengan jumlah sekitar 50-100 miliar berkomunikasi satu dengan yang lainnya melalui sinyal kimia dengan perantara yang disebut dengan neurotransmitter. Neurotransmitter utama yang paling umum ditemukan di mamalia adalah glutamat dan asetilkolin.
Gambar 1. Struktur asam l-glutamat
Sekitar tahun 1930-an, telah ditemukan bahwa jaringan dalam otak menunjukkan aktivitas glutamat yang tinggi, dan juga ditemukan bahwa glutamat terlibat dalam metabolisme utama pada pasien yang mengidap kelainan mental [Krebs, 1935]. Dalam 10 tahun terakhir ini, disimpulkan bahwa glutamat memegang peranan penting dalam banyak aktivitas otak seperti perkembangan otak itu sendiri, pembentukan daya ingat, dan seringkali dikaitkan dengan beberapa kelainan atau kerusakan dalam saraf seperti stroke, epilepsi, dan schizophrenia [Tian et.al, 2009].
Untuk mempelajari tentang metabolisme dan berbagai peranan glutamat dalam otak, dalam banyak studi digunakan model tikus.
Beberapa metode telah dikembangkan untuk memonitoring kadar glutamat dalam otak. Saat ini, ada dua metode umum yang masih eksis yaitu : mikrodialisis dan biosensor. Mikrodialisis adalah metode analitik yang paling umum digunakan. Dengan teknik ini, analit dalam cairan ekstraselular berdifusi melalui membran semipermeabel dan diukur dengan kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC). Kekurangan dari metode ini adalah ukuran probe/perangkat yang ditanam dalam otak terlampau besar (d = 150 mikron) sehingga dapat menimbulkan kerusakan dalam jaringan otak yang besar. Kekurangan lainnya adalah waktu koleksi sampel yang lama, sekitar 10-20 menit, ini menjadi penting karena tidak merefleksikan perubahan dinamis kadar glutamat dalam area otak. Sebagai alternatif, biosensor menawarkan pengukuran secara online, merefleksikan kadar glutamat secara langsung. Di sisi lain, perangkat pendeteksian yang digunakan memiliki diameter yang berkisar antara 10-25 mikron sehingga dapat meminimalisir kerusakan dalam jaringan otak.
Biosensor terdiri atas dua bagian penting, yaitu elemen pengenalan dan transducer. Elemen pengenalan yang biasanya digunakan adalah enzim, antibodi, protein, asam nukleat, dan dapat juga mikroorganisme [Schuhmann, 2002]. Transducer yang dimaksud adalah tempat elemen pengenal ini terikat yang dapat mengubah sinyal kimia menjadi sinyal elektrik yang terkuantivikasi.
Gambar 2 berikut adalah contoh dari desain sensor yang umum digunakan
Gambar 2 Desain mikrosensor dengan platina dan serat karbon sebagai transducer
Transducer yang umum digunakan adalah platina dan serat karbon. Dalam kaitannya dengan biosensor glutamat, enzim glutamat oksidase (Glu-Ox) ditautkan pada platina atau serat karbon. Enzim ini akan mengenali substratnya yang tak lain adalah glutamat dan mengubahnya menjadi produk, asam alpha-ketoglutarat. Reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut :
Saat Glu-Ox mengubah glutamat menjadi alpha-ketoglutarat, Glu-Ox berada dalam keadaan tereduksi. Glu-Ox dalam keadaan tereduksi ini dapat teroksidasi kembali dengan adanya oksigen. Hidrogen peroksida (H2O2) yang dihasilkan dari proses inilah yang akhirnya terukur dengan memberikan beda potensial positif pada sel. Sehingga dengan demikian, arus yang terukur merefleksikan jumlah glutamat yang teramati.
Kini yang menjadi tantangan dari biosensor ini adalah sensitivitas dan selektivitas. Sejak aplikasi biosensor ini in vivo, kehadiran biomolekul lain dalam lingkungan ekstraselular menjadi tidak terelakkan, diantaranya adalah asam askorbat, dopamin, sistein, dihidoksifenil asam asetat (DOPAC), dan uric acid. Konsekuensinya adalah terganggunya pengukuran kadar glutamat dengan dapat teroksidasinya beberapa biomolekul pada potensial kerja pengukuran glutamat. Ada dua hal yang dapat dilakukan untuk mengurangi gangguan ini. Yang pertama adalah memberikan beda potensial yang jauh lebih rendah sehingga molekul lainnya tidak dapat teroksidasi pada potensial ini. Di sisi lain, glutamat pun menjadi rendah sensitivitasnya. Hal ini dapat ditanggulangi dengan menggunakan mediator yang dapat bekerja pada potensial rendah dan dapat meningkatkan transfer elektron pada permukaan transducer. Hal lain yang dapat dilakukan adalah melapisi sensor dengan membran selektif yang hanya meloloskan hidrogen peroksida dan oksigen.
Pengembangan biosensor glutamat ini masih berlangsung sampai sekarang terutama dalam hal pemilihan material dan membran selektif untuk mengeliminasi biomolekul pengganggu.
* Penulis adalah Mahasiswa S3 di Biomonitoring and Sensoring Group
Groningen University, Belanda
Referensi :
Faming Tian, Alexander V, Gourine, Robert T. R. Huckstepp, Nicholas Dale. Anal. Chim. Acta. 645 (2009) 86
H. Schuhmann. Oxford University Press. (2002) 187
H.A. Krebs. Journal of Biochem. 29 (1935) 1951
