Salah satu pertanyaan terlama dalam biologi adalah bagaimana makhluk hidup yang dimulai sebagai gumpalan embrio sel seragam berubah dari waktu ke waktu menjadi organisme dengan jaringan yang beragam, masing-masing dengan pola dan karakteristik uniknya sendiri. Jawabannya akan menjelaskan bagaimana macan tutul mendapatkan bintiknya, zebra mendapatkan belangnya, pohon mendapatkan cabangnya dan banyak lagi misteri perkembangan pola dalam biologi. Selama lebih dari setengah abad, penjelasan yang disukai adalah model yang elegan berdasarkan sinyal kimia yang diusulkan oleh matematikawan Alan Turing, yang telah banyak keberhasilan.
Tetapi semakin banyak ilmuwan menduga bahwa teori Turing hanyalah bagian dari cerita. “Menurut pendapat saya, kita telah dibutakan seberapa luas harus diterapkan hanya karena keindahannya,” kata Amy Shyer, seorang ahli biologi perkembangan di Universitas Rockefeller. Dalam pandangannya, kekuatan fisik kontraksi dan kompresi yang bekerja pada sel saat mereka tumbuh dan membelah juga bisa memainkan peran sentral.
Dan sekarang dia punya buktinya. Di sebuah makalah yang diterbitkan di Sel pada bulan Mei, Shyer, rekan penulis seniornya dan sesama ahli biologi perkembangan Alan Rodrigues dan rekan mereka menunjukkan bahwa kekuatan mekanis dapat menginduksi kulit ayam embrionik untuk membuat folikel untuk menumbuhkan bulu. Sama seperti tegangan permukaan yang dapat menarik air ke dalam manik-manik bulat pada permukaan kaca, demikian juga tegangan fisik di dalam embrio membentuk pola yang memandu pertumbuhan dan aktivitas gen dalam jaringan yang sedang berkembang.
Ketika suatu organisme tumbuh dan berkembang, sel-sel dalam jaringannya menarik dan mendorong satu sama lain dan pada perancah protein pendukung (matriks ekstraseluler) tempat mereka terhubung secara rumit. Beberapa peneliti telah menduga bahwa kekuatan ini, ditambah dengan perubahan dalam tekanan dan kekakuan sel, mungkin mengarahkan pembentukan pola yang rumit. Sampai sekarang, bagaimanapun, tidak ada penelitian yang mampu memisahkan efek kekuatan fisik ini dari rebusan kimia di mana mereka mendidih.
Menarik Keluar Pola
Di laboratorium morfogenesis di Universitas Rockefeller yang mereka pimpin bersama, Shyer dan Rodrigues mengeluarkan kulit dari embrio ayam dan menghancurkan jaringan untuk memisahkan sel-selnya. Kemudian mereka menempatkan setetes larutan seluler ke dalam cawan petri dan membiarkannya tumbuh dalam kultur. Mereka menyaksikan sel-sel kulit mengatur dirinya sendiri menjadi sebuah cincin di lantai piring - seperti versi 2-D dari bola sel yang biasanya menjadi embrio. Berdenyut dan berkontraksi, sel-sel menarik serat kolagen dalam matriks ekstraseluler yang mereka kumpulkan di sekitar mereka. Selama 48 jam, serat-serat itu secara bertahap berputar, berkumpul bersama dan kemudian saling mendorong, membentuk kumpulan sel yang akan menjadi folikel bulu.
“Ini adalah pengaturan eksperimental yang bersih dan sederhana, di mana Anda bisa melihat pola yang indah keluar dan mengontrolnya secara kuantitatif,” kata Brian Camley, seorang ahli biofisika di Universitas Johns Hopkins yang tidak terlibat dalam penelitian ini.
Kemudian, dengan menyesuaikan tingkat kontraksi sel dan variabel lainnya, para peneliti menunjukkan bahwa ketegangan fisik dalam massa embrio secara langsung mempengaruhi pola tersebut. “Saya pikir kejutan terbesar adalah cara sel berinteraksi dengan matriks ekstraseluler dengan cara yang sangat dinamis ini, untuk menciptakan pola ini,” kata Rodrigues. “Kami menyadari bahwa itu adalah tarian timbal balik antara keduanya.”
"Ini menunjukkan bahwa kontraktilitas bisa cukup untuk mendorong pembentukan pola," kata Camley. "Itu bagian penting yang benar-benar baru."
Mekanika Dulu, Gen Nanti?
Ahli matematika D'Arcy Wentworth Thompson mengusulkan bahwa kekuatan fisik mungkin mengarahkan pembangunan sepanjang jalan kembali pada tahun 1917. Dalam bukunya Tentang Pertumbuhan dan Bentuk, Thompson menjelaskan bagaimana gaya torsi mengatur pembentukan tanduk dan gigi, bagaimana telur dan struktur berongga lainnya muncul, dan bahkan kesamaan antara ubur-ubur dan tetesan cairan.
Tapi ide Thompson kemudian dikalahkan oleh penjelasan Turing, yang lebih mudah terhubung dengan pemahaman gen yang muncul. Dalam sebuah makalah tahun 1952, “The Chemical Basis of Morphogenesis,” diterbitkan dua tahun sebelum kematiannya, Turing menyarankan bahwa pola seperti bintik-bintik, garis-garis dan bahkan bentuk pahatan tulang dalam kerangka adalah hasil dari gradien berputar-putar bahan kimia yang disebut morfogen yang berinteraksi satu sama lain karena mereka menyebar tidak merata ke seluruh sel. Bertindak sebagai cetak biru molekuler, morfogen akan menendang program genetik yang menyebabkan jari, deretan gigi atau bagian lain berkembang.
Teori Turing disukai di kalangan ahli biologi karena kesederhanaannya, dan segera menjadi prinsip inti biologi perkembangan. “Masih ada pandangan molekuler dan genetik yang kuat dari sebagian besar mekanisme biologi,” kata Rodrigues.
Tetapi ada sesuatu yang hilang dari solusi itu. Jika morfogen kimia mendorong perkembangan, kata Shyer, maka para ilmuwan harus dapat menunjukkan bahwa yang satu mendahului yang lain — pertama-tama bahan kimia, lalu polanya.
Dia dan Rodrigues tidak pernah bisa menunjukkan ini di lab. Pada tahun 2017, mereka mengambil irisan kecil kulit embrio ayam dan mengamati dengan cermat saat jaringan tersebut berkumpul untuk membentuk folikel. Sementara itu, mereka melacak aktivasi gen yang terlibat dalam pembentukan folikel. Apa yang mereka temukan adalah bahwa ekspresi gen terjadi sekitar waktu yang sama ketika sel-sel berkumpul – tetapi tidak sebelumnya.
“Alih-alih 'ekspresi gen dulu, lalu mekanika nanti,' itu seperti mekanik yang menghasilkan bentuk-bentuk ini,” kata Shyer. Kemudian, mereka menunjukkan bahwa bahkan menghilangkan beberapa bahan kimia pengatur gen tidak mengganggu prosesnya. "Itu membuka pintu untuk mengatakan, 'Hei, sesuatu yang lain mungkin terjadi di sini,'" katanya.
Materi Lunak Aktif Biologi
Shyer dan Rodrigues berharap bahwa pekerjaan dan penyelidikan mereka di masa depan akan membantu menjelaskan peran fisika dan interaksinya dengan bahan kimia dan gen selama pengembangan.
“Kami menyadari bahwa semua ekspresi gen molekuler, pensinyalan, dan produksi kekuatan dalam pergerakan sel hanya terkait erat satu sama lain,” kata Edwin Munro, seorang ahli biologi molekuler di University of Chicago yang tidak terlibat dalam penelitian ini.
Munro berpendapat bahwa peran matriks ekstraseluler lebih penting daripada yang disadari para ilmuwan saat ini, meskipun pengakuan akan perannya yang lebih sentral dalam pembangunan sedang dibangun. Penelitian terbaru telah mengaitkan kekuatan dalam matriks ekstraseluler dengan perkembangan telur lalat buah, misalnya.
Rodrigues setuju. “Ini seperti sel dan matriks ekstraseluler yang membentuk materi dengan sendirinya,” katanya. Dia menggambarkan penggabungan sel kontraktil dan matriks ekstraseluler ini sebagai "materi lunak aktif" dan berpikir bahwa ini menunjukkan cara berpikir baru tentang regulasi perkembangan embrio yang terjadi melalui kekuatan ekstraseluler. Dalam pekerjaan di masa depan, dia dan Shyer berharap untuk menjelaskan lebih detail kekuatan fisik dalam pengembangan dan menggabungkannya dengan pandangan molekuler.
“Dulu kami berpikir jika kami hanya mempelajari genom dengan lebih dalam dan lebih teliti, semua ini akan menjadi jelas,” kata Shyer, tetapi “jawaban atas pertanyaan penting mungkin tidak pada tingkat genom.” Dulu tampaknya keputusan perkembangan dibuat melalui interaksi gen dan produk mereka di dalam sel, tetapi kebenaran yang muncul adalah bahwa "pengambilan keputusan dapat terjadi di luar sel, melalui interaksi fisik sel satu sama lain."
