Ilmuwan Menciptakan Kembali Kondisi yang Memicu Kehidupan Kompleks

Versi aslinya dari cerita ini muncul di Majalah Kuanta.

Jauh dari menjadi operator tunggal, kebanyakan bersel tunggal mikroba berada dalam hubungan yang kompleks. Di laut, di tanah, dan di perut Anda, mereka mungkin akan bertempur dan memakan satu sama lain, saling bertukar DNAbersaing untuk mendapatkan nutrisi, atau memakan produk sampingan satu sama lain. Terkadang mereka menjadi lebih intim: Satu sel mungkin menyelinap ke dalam yang lain dan membuat dirinya nyaman. Jika kondisinya tepat, hal ini mungkin akan tetap ada dan disambut baik, sehingga memicu hubungan yang dapat bertahan selama beberapa generasi—atau miliaran tahun. Fenomena satu sel hidup di dalam sel lain, yang disebut endosimbiosis, telah memicu evolusi kehidupan yang kompleks.

Contoh endosimbiosis ada dimana-mana. Mitokondria, pabrik energi di sel Anda, dulunya adalah bakteri yang hidup bebas. Tumbuhan fotosintesis berutang gula yang dipintal matahari ke kloroplas, yang pada mulanya juga merupakan organisme independen. Banyak serangga mendapatkan nutrisi penting dari bakteri yang hidup di dalamnya. Dan peneliti tahun lalu menemukan “nitroplas,” endosimbion yang membantu beberapa alga memproses nitrogen.

Banyak kehidupan bergantung pada hubungan endosimbiotik, namun para ilmuwan masih kesulitan memahami bagaimana hal itu terjadi. Bagaimana sel yang terinternalisasi menghindari pencernaan? Bagaimana cara ia belajar bereproduksi di dalam inangnya? Apa yang menjadikan penggabungan acak dua organisme independen menjadi kemitraan yang stabil dan langgeng?

Kini, untuk pertama kalinya para peneliti menyaksikan koreografi pembuka tarian mikroskopis ini oleh menginduksi endosimbiosis di laboratorium. Setelah menyuntikkan bakteri ke dalam jamur—sebuah proses yang memerlukan pemecahan masalah secara kreatif (dan pompa sepeda)—para peneliti berhasil memicu kerja sama tanpa membunuh bakteri atau inangnya. Pengamatan mereka memberikan gambaran sekilas tentang kondisi yang memungkinkan hal serupa terjadi di mikroba liar.

Sel-sel tersebut bahkan menyesuaikan diri satu sama lain lebih cepat dari yang diperkirakan. “Bagi saya, ini berarti organisme ingin benar-benar hidup bersama, dan simbiosis adalah hal yang lumrah,” katanya Vasilis Kokkorisseorang ahli mikologi yang mempelajari biologi sel simbiosis di VU University di Amsterdam dan tidak terlibat dalam studi baru ini. “Jadi itu adalah berita yang sangat besar bagi saya dan dunia ini.”

Upaya awal yang gagal mengungkapkan bahwa sebagian besar hubungan cinta seluler tidak berhasil. Namun dengan memahami bagaimana, mengapa, dan kapan organisme menerima endosimbion, para peneliti dapat lebih memahami momen-momen penting dalam evolusi, dan juga berpotensi mengembangkan sel sintetis yang direkayasa dengan endosimbion berkekuatan super.

Terobosan Dinding Sel

Julia Vorholtseorang ahli mikrobiologi di Institut Teknologi Federal Swiss Zurich di Swiss, telah lama bingung dengan keadaan endosimbiosis. Para peneliti di lapangan berteori bahwa begitu bakteri menyelinap ke dalam sel inang, hubungan antara infeksi dan keharmonisan menjadi terhuyung-huyung. Jika bakteri berkembang biak terlalu cepat, hal ini berisiko menghabiskan sumber daya inang dan memicu respons imun, yang mengakibatkan kematian tamu, inang, atau keduanya. Jika ia bereproduksi terlalu lambat, ia tidak akan berkembang biak di dalam sel. Hanya dalam kasus yang jarang terjadi, menurut mereka, bakteri tersebut mencapai tingkat reproduksi Goldilocks. Kemudian, untuk menjadi endosimbion sejati, ia harus menyusup ke siklus reproduksi inangnya untuk menumpang ke generasi berikutnya. Terakhir, tuan rumah genom pada akhirnya harus bermutasi untuk mengakomodasi bakteri tersebut—memungkinkan keduanya berevolusi sebagai satu kesatuan.

“Mereka menjadi kecanduan satu sama lain,” kata Vorholt.

Ide-ide ini masuk akal, tetapi belum ada seorang pun yang pernah menyaksikan langkah awal endosimbiosis mikroba. Jadi Vorholt memutuskan untuk mencoba mewujudkannya di laboratorium. Daripada menciptakan kembali roda endosimbiotik, dia berpikir timnya akan melakukan yang terbaik jika mereka menciptakan kembali kemitraan yang sudah terjadi di alam.

Hawar bibit padi adalah penyakit yang disebabkan oleh produk sampingan beracun dari proses endosimbiotik liar. Pada titik tertentu dalam sejarah evolusinya, jamur Mikrosporus Rhizopus mengadopsi bakteri tersebut Mycetohabitans rhizoxinica. Penghuni bakteri menghasilkan racun, yang digunakan jamur untuk menginfeksi tanaman padi; kedua pasangan mendapatkan keuntungan dengan menyerap nutrisi dari sel tanaman yang mati dan sekarat. Dari generasi ke generasi, pasangan tersebut menjadi begitu saling terkait sehingga kini jamur tidak dapat bereproduksi tanpa endosimbionnya.

Namun, ada strain jamur yang hidup tanpa endosimbion. Vorholt mengira dia bisa menggunakannya untuk menciptakan kembali kemitraan yang beracun. Namun, sebelum ia sampai ke langkah yang lebih sulit dalam pencocokan seluler, timnya harus mengatasi kendala fisik dasar: Bagaimana Anda secara fisik menekan bakteri melalui dinding sel jamur yang kaku?

Gabriel Giger, penulis utama makalah tersebut dan mahasiswa pascasarjana Vorholt, memulai dengan memasak campuran enzim untuk melunakkan dinding. Kemudian dia menggunakan mikroskop kekuatan atom yang dilengkapi dengan teknologi yang dikenal sebagai FluidFM, yang digunakan sebagai jarum suntik kecil. Ketika Giger menusuk sel jamur dengan jarum mikro, sitoplasma keluar seperti air dari bendungan yang pecah.

“Kami mengalami begitu banyak arus balik,” kata Giger. “[The cell fluid] baru saja datang menembak ke arahmu.”

Dia membutuhkan sesuatu yang lebih kuat untuk menahan tekanan intraseluler dan mendorong bakteri masuk. Giger membuat koneksi antara pompa sepedanya dan mikroskop. Ini berhasil: Pompa sepeda meningkatkan tekanan dan memaksa bakteri melewati dinding sel dan masuk ke sitoplasma.

Setelah mengutak-atik jumlah tekanan yang berbeda, mereka menyempurnakan sistemnya. “Cara mereka mengadaptasi teknologi untuk menyuntikkan bakteri ke dalam jamur sungguh keren,” katanya Thomas Richardsseorang ahli biologi evolusi yang mempelajari endosimbiosis di Universitas Oxford dan tidak terlibat dalam penelitian tersebut. “Mereka harus menggunakan jarum tajam khusus dan tekanan ban tiga kali lipat dari tekanan ban mobil untuk mendorong bakteri tersebut ke dalam. Ini mewakili langkah maju yang besar dalam teknologi.”

Giger dan Vorholt pertama kali menyuntikkan jamur tersebut Escherichia coliorganisme laboratorium bakteri standar. Begitu masuk, E.coli direproduksi dengan cepat karena memakan nutrisi di dalam sel. Bakteri ini tumbuh sangat cepat sehingga sistem kekebalan jamur menyadarinya—dan dengan mudah menguncinya untuk dibuang.

Kemudian para peneliti melanjutkan ke M. rhizoxinicabakteri sudah terbentuk di dalam yang lain R. mikrosporus strain. Begitu masuk, ia membelah dengan kecepatan yang dapat diterima dan menghindari respons imun. Yang terpenting, tidak ada pasangan yang meninggal. “Sangat menarik melihat jamur dan bakteri tumbuh setelah penyuntikan,” kata Giger

Pasangan ini awalnya menerima satu sama lain, tapi itu hanya langkah pertama. Giger menunggu dengan sabar, lalu dia melihat apa yang dia cari di bawah mikroskop: Bakteri telah masuk ke dalam spora jamur untuk menumpang ke generasi berikutnya.

“Saya harus memastikan sinyalnya benar-benar nyata, dan Anda tidak akan tidur nyenyak sampai Anda mengetahuinya,” katanya. “Kegembiraan itu berlangsung cukup lama.”

Giger dan timnya memilih spora dan menumbuhkan 10 generasi jamur berturut-turut. Semakin banyak bakteri yang bertahan dalam setiap putaran reproduksi, dan spora menjadi lebih sehat dan efisien. Untuk pertama kalinya, para peneliti mengamati mikroba endosimbiotik dan inang beradaptasi satu sama lain. “Tak satu pun dari organisme ini yang meracuni satu sama lain, dan tingkat pertumbuhan mereka kira-kira sesuai dengan spektrum kelangsungan hidup keduanya,” kenang Giger. Bakteri tersebut bertahan hidup, dilindungi dan diberi makan oleh jamur—dan jamur tersebut menjadi pasangan yang beracun.

Untuk mengonfirmasi kemitraan mikroba, laboratorium mengisolasi kedua pihak untuk menganalisis genom mereka. Genom jamur telah mengalami mutasi untuk mengakomodasi bakteri. Jelasnya, hubungan ini dapat stabil dengan cepat, menurut para peneliti. Segera kedua spesies tidak dapat hidup tanpa satu sama lain.

Mencapai Keseimbangan yang Tepat

Dengan menciptakan kembali hubungan alami, Vorholt dan Giger telah “menjalankan kembali rekaman evolusi tersebut,” kata Richards, untuk mengambil pelajaran tentang bagaimana endosimbiosis terjadi. Mereka menyimpulkan bahwa proses tersebut tidak dapat terjadi jika terdapat ketidaksesuaian antara inang dan endosimbion pada titik mana pun dalam proses adaptasi. “Itu mungkin yang sering terjadi di alam,” kata Vorholt. “Mungkin titik awal mereka berhasil, tapi entah kenapa pilihannya tidak ada, atau ada kerugiannya daripada manfaatnya. Dan kemudian Anda kehilangan sistemnya, dan sistemnya tidak menjadi stabil.”

Mereka juga belajar bahwa dalam pasangan yang berhasil, kedua pasangan beradaptasi satu sama lain—sebuah fenomena yang sering diabaikan. Bukan hanya bakteri yang beradaptasi dengan lingkungan baru; tuan rumah juga berubah, bahkan di tahap awal. “Itu adalah pertanyaan mendasar yang penting yang diabaikan orang-orang,” kata Richards. “Ini membuka pintu bagi kemajuan nyata.”

Meskipun menjelaskan, pasangan bakteri-jamur ini hanyalah salah satu contoh proses yang mungkin memiliki sejumlah mekanisme atau kondisi. “Saya dapat membayangkan bahwa pada protista dan kelompok lain yang belum diteliti dengan baik, kita akan menemukan banyak pola baru tentang bagaimana simbiosis didukung,” kata Laila Partida Martínezsiapa yang menemukan endosimbiosis bibit padi-penyakit busuk daun dan sekarang menjadi direktur Cinvestav Irapuato, sebuah lembaga penelitian ilmu tanaman di Meksiko.

Penelitian lebih lanjut pada berbagai sistem endosimbiotik akan mengungkap kondisi mana yang berlaku secara umum dan mana yang spesifik untuk pasangan tertentu. Lebih jauh lagi, temuan ini dapat mengarah pada jenis biologi sintetik baru, yang menampilkan hubungan endosimbiotik yang dikembangkan di laboratorium, yang dapat menjadi “jalan menarik untuk mengeksplorasi inovasi biologis,” kata Vorholt.

Alih-alih mengedit gen organisme untuk menciptakan sifat-sifat baru, laboratorium dapat merekayasa bakteri untuk melakukan fungsi tertentu dan kemudian memasukkannya ke dalam inang. “Banyak fitur baru dapat disatukan dalam sistem simbiosis dengan melakukan hal ini dan menjadikannya berkembang bersama,” kata Partida Martínez. Dengan menginduksi endosimbiosis, para peneliti berpotensi merekayasa tanaman untuk memetabolisme polutan atau memproduksi obat-obatan. “Perlu waktu untuk merancang dan menyempurnakan sistemnya,” tambahnya. “Saya pikir imajinasi kita sebenarnya adalah batasnya.”

Apakah itu berarti suatu hari nanti kita bisa memperoleh kloroplas dan melakukan fotosintesis? Giger berpendapat akan sulit bagi kloroplas untuk stabil di dalam sel mamalia. Sekalipun hal ini berhasil, fotosintesis saja tidak akan menghasilkan bahan bakar bagi kita—kebutuhan energi kita terlalu tinggi. “Anda mungkin mendapatkan kulit hijau yang indah dan sedikit menggunakan fotovoltaik Anda sendiri, namun perolehan energi yang dapat Anda peroleh dari matahari akan minimal,” katanya. “Anda akan sering merasa lapar dan perlu menambah makanan pokok lainnya, seperti pizza.”

Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Majalah Kuanta, publikasi editorial independen dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman masyarakat terhadap sains dengan meliput perkembangan dan tren penelitian di bidang matematika serta ilmu fisika dan kehidupan.