Para Ilmuwan Mengungkap Asal Usul Gerakan Berputar-putar yang Penuh Misteri di Beberapa Sel Terbesar di Alam
Penelitian terbaru mengungkap mekanisme alami di balik aliran ‘seperti twister’ dalam sel telur, yang penting untuk distribusi nutrisi yang efisien. Temuan ini, yang dicapai melalui pemodelan tingkat lanjut dan pendekatan eksperimental, menawarkan wawasan baru mengenai transportasi seluler dan dapat berdampak pada penelitian biologi yang lebih luas. Cuplikan dari simulasi bagaimana mikrotubulus membengkokkan dan mengarahkan material dalam sel telur yang matang menjadi aliran seperti angin puting beliung. Kredit: S.Dutta dkk.
Penelitian baru yang dilakukan oleh para ilmuwan di Flatiron Institute telah mengungkap asal mula gerakan berputar-putar yang penuh teka-teki di beberapa sel terbesar di alam.
Sel telur adalah sel tunggal terbesar di planet ini. Ukurannya – seringkali beberapa hingga ratusan kali ukuran sel pada umumnya – memungkinkan mereka tumbuh menjadi organisme utuh, namun juga mempersulit pengangkutan nutrisi dan molekul lain ke sekitar sel. Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa sel telur yang matang, yang disebut oosit, menghasilkan aliran cairan internal seperti twister untuk mengangkut nutrisi, namun bagaimana aliran tersebut muncul masih menjadi misteri.
Kini, penelitian yang dipimpin oleh ilmuwan komputasi di Flatiron Institute, bersama dengan kolaborator di universitas Princeton dan Northwestern, telah mengungkapkan bahwa aliran ini – yang terlihat seperti tornado mikroskopis – muncul secara organik dari interaksi beberapa komponen seluler. Karya mereka, diterbitkan pada edisi April Fisika Alam, menggunakan teori, pemodelan komputer tingkat lanjut, dan eksperimen dengan sel telur lalat buah untuk mengungkap mekanisme angin puting beliung. Hasilnya membantu para ilmuwan lebih memahami pertanyaan mendasar tentang perkembangan sel telur dan transportasi seluler.
“Temuan kami mewakili lompatan besar dalam bidang ini,” kata rekan penulis Michael Shelley, direktur Pusat Biologi Komputasi (CCB) di Institut Flatiron. “Kami mampu menerapkan teknik numerik tingkat lanjut dari penelitian lain yang telah kami kembangkan selama bertahun-tahun, yang memungkinkan kami melihat masalah ini dengan lebih baik dibandingkan sebelumnya.”
Peran Arus Twister dalam Distribusi Nutrisi
Dalam sel manusia pada umumnya, hanya diperlukan waktu 10 hingga 15 detik bagi molekul protein untuk berpindah dari satu sisi sel ke sisi sel lainnya melalui difusi; dalam sel bakteri kecil, perjalanan ini bisa terjadi hanya dalam satu detik. Namun pada sel telur lalat buah yang diteliti di sini, difusi saja akan memakan waktu satu hari penuh – terlalu lama agar sel dapat berfungsi dengan baik. Sebaliknya, sel-sel telur ini telah mengembangkan ‘aliran memutar’ yang mengelilingi bagian dalam oosit untuk mendistribusikan protein dan nutrisi dengan cepat, seperti halnya tornado yang dapat membawa dan memindahkan materi lebih jauh dan lebih cepat daripada angin saja.
Dalam video perulangan sel oosit ini, terlihat materi bersirkulasi dan membantu mendistribusikan nutrisi ke seluruh sel yang sedang tumbuh. Kredit: S.Dutta dkk.
“Setelah dibuahi, oosit akan menjadi hewan masa depan,” kata Sayantan Dutta, salah satu penulis studi, seorang peneliti di Princeton dan CCB. “Jika Anda menghancurkan aliran oosit, embrio yang dihasilkan tidak akan berkembang.”
Para peneliti menggunakan paket perangkat lunak biofisika sumber terbuka canggih yang disebut SkellySim yang dikembangkan oleh para peneliti Flatiron Institute. Dengan SkellySim, mereka memodelkan komponen seluler yang terlibat dalam pembuatan twister. Ini termasuk mikrotubulus – filamen fleksibel yang melapisi bagian dalam sel – dan motor molekuler, yang merupakan protein khusus yang berfungsi sebagai pekerja seluler, membawa kelompok molekul khusus yang dikenal sebagai muatan. Para ilmuwan tidak begitu yakin terbuat dari apa muatan ini, namun mereka memainkan peran penting dalam menghasilkan aliran tersebut.
Para peneliti mensimulasikan gerakan ribuan mikrotubulus saat mereka merespons gaya yang diberikan oleh motor molekuler pembawa muatan. Dengan bolak-balik antara eksperimen dan simulasi, para peneliti dapat memahami struktur aliran puting beliung dan bagaimana aliran tersebut muncul dari interaksi antara cairan seluler dan mikrotubulus.
“Pekerjaan teoretis kami memungkinkan kami memperbesar dan mengukur serta memvisualisasikan angin puting beliung ini dalam 3D,” kata rekan penulis studi dan ilmuwan peneliti CCB, Reza Farhadifar. “Kami melihat bagaimana mikrotubulus ini dapat menghasilkan aliran skala besar hanya melalui pengorganisasian mandiri, tanpa isyarat eksternal apa pun.”
Dalam video perulangan sel oosit ini, terlihat materi bersirkulasi dan membantu mendistribusikan nutrisi ke seluruh sel yang sedang tumbuh. Kredit: S.Dutta dkk.
Implikasi dan Penelitian Masa Depan
Model tersebut mengungkapkan bahwa di dalam oosit, mikrotubulus tertekuk di bawah kekuatan motor molekuler. Ketika mikrotubulus tertekuk atau tertekuk di bawah beban ini, hal itu menyebabkan cairan di sekitarnya bergerak, yang dapat mengubah orientasi mikrotubulus lainnya. Dalam kelompok mikrotubulus pembengkokan yang cukup besar, semua mikrotubulus membengkok ke arah yang sama, dan aliran fluida menjadi ‘kooperatif’. Dengan mikrotubulus yang tertekuk secara kolektif, muatan yang bergerak menciptakan pusaran air atau aliran seperti angin puting beliung di seluruh sel telur, membantu molekul menyebar ke seluruh sel. Dengan twister, molekul dapat melakukan perjalanan melintasi sel dalam 20 menit, bukan 20 jam.
“Model ini menunjukkan bahwa sistem memiliki kapasitas luar biasa untuk mengatur dirinya sendiri guna menciptakan aliran fungsional ini,” kata Shelley. “Dan Anda hanya memerlukan beberapa bahan – hanya mikrotubulus, geometri sel, dan motor molekuler yang membawa muatan.”
Temuan baru ini meletakkan dasar bagi pemahaman yang lebih baik tentang perkembangan sel telur. Hasilnya juga dapat membantu demistifikasi transportasi material pada tipe sel lain.
“Sekarang setelah kita mengetahui bagaimana puting beliung ini terbentuk, kita dapat mengajukan pertanyaan yang lebih dalam, seperti bagaimana mereka mencampurkan molekul di dalam sel?” kata Farhadifar. “Ini membuka dialog baru antara teori dan eksperimen.”
Pekerjaan baru ini memberikan pandangan baru pada mikrotubulus, kata Dutta. Mikrotubulus memainkan peran sentral dalam berbagai jenis sel dan fungsi sel – seperti pembelahan sel – di hampir semua organisme eukariotik, seperti tumbuhan dan hewan. Hal ini menjadikan mereka “bagian yang sangat penting dari kotak peralatan sel,” kata Dutta. “Dalam memahami mekanismenya dengan lebih baik, saya pikir model kami akan membantu mendorong perkembangan banyak masalah menarik lainnya dalam biofisika seluler.”
Referensi: “Pelintiran intraseluler yang diatur sendiri” oleh Sayantan Dutta, Reza Farhadifar, Wen Lu, Gokberk Kabacaoğlu, Robert Blackwell, David B. Stein, Margot Lakonishok, Vladimir I. Gelfand, Stanislav Y. Shvartsman dan Michael J. Shelley, 25 Januari 2024, Fisika Alam.
DOI: 10.1038/s41567-023-02372-1
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
