Bahkan Bentuk Kehidupan Sintetis Dengan Genom Kecil Bisa Berevolusi | Majalah Quanta

Tujuh tahun yang lalu, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat melucuti sel hingga ke dasar yang paling sederhana, menciptakan bentuk kehidupan dengan genom terkecil yang masih memungkinkannya untuk tumbuh dan membelah di laboratorium. Namun dengan melepaskan setengah dari beban genetiknya, sel "minimal" itu juga kehilangan sebagian dari ketangguhan dan kemampuan beradaptasi yang dikembangkan oleh kehidupan alami selama miliaran tahun. Hal itu membuat para ahli biologi bertanya-tanya apakah pengurangan itu mungkin merupakan perjalanan satu arah: Dalam memangkas sel hingga ke intinya, apakah mereka membiarkan sel tidak mampu berevolusi karena mereka tidak dapat bertahan dari perubahan bahkan pada satu gen lagi?

Sekarang kami memiliki bukti bahwa bahkan salah satu organisme yang mereplikasi diri paling lemah dan paling sederhana di planet ini dapat beradaptasi. Hanya dalam 300 hari evolusi di lab, setara dengan generasi 40,000 tahun manusia, sel yang sangat minim mendapatkan kembali semua kebugaran yang telah mereka korbankan, tim di Indiana University baru ini melaporkan dalam jurnal Alam. Para peneliti menemukan bahwa sel menanggapi tekanan seleksi serta bakteri kecil dari mana mereka berasal. Kelompok riset kedua di University of California, San Diego sampai pada kesimpulan serupa secara independen dalam karya yang telah diterima untuk dipublikasikan.

“Ternyata kehidupan, bahkan kehidupan lemah yang sederhana seperti sel minimal, jauh lebih kuat dari yang kita duga,” kata Kate Adamala, seorang ahli biokimia dan asisten profesor di University of Minnesota yang tidak terlibat dalam kedua studi tersebut. "Kamu bisa melemparinya dengan batu, dan itu masih akan bertahan." Bahkan dalam genom di mana setiap gen melayani suatu tujuan, dan perubahan tampaknya merugikan, evolusi membentuk organisme secara adaptif.

“Ini pencapaian yang menakjubkan,” kata Roseanna Zia, seorang fisikawan di University of Missouri yang penelitiannya bertujuan untuk membangun model sel minimal berbasis fisika dan tidak terlibat dalam penelitian tersebut. Pekerjaan baru menunjukkan bahwa bahkan tanpa cadangan sumber daya genom, katanya, sel minimal dapat meningkatkan kebugaran mereka dengan perubahan acak pada gen esensial.

Eksperimen evolusi baru mulai memberikan wawasan tentang bagaimana organisme terkecil dan paling sederhana dapat berevolusi - dan bagaimana prinsip evolusi menyatukan semua bentuk kehidupan, bahkan hal baru genetik yang dikembangkan di laboratorium. “Semakin banyak, kita melihat bukti bahwa [sel minimal] ini adalah organisme yang bukan sesuatu yang aneh dan tidak seperti sisa kehidupan di Bumi,” kata John Glass, seorang penulis di Alam studi dan pemimpin kelompok biologi sintetik di J. Craig Venter Institute (JCVI) di California yang pertama kali merekayasa sel minimal.

Bagaimana Jika Kita 'Melepaskannya'?

Sama seperti fisikawan abad ke-19 dan ke-20 yang menggunakan hidrogen, yang paling sederhana dari semua atom, untuk membuat penemuan penting tentang materi, ahli biologi sintetik telah mengembangkan sel minimal untuk mempelajari prinsip dasar kehidupan. Tujuan itu terwujud pada 2016 saat Glass dan rekan-rekannya menghasilkan sel minimal, JCVI-syn3.0. Mereka mencontohnya Mycoplasma mycoides, bakteri parasit penghuni kambing yang sudah hidup dengan genom yang sangat kecil. Pada tahun 2010, tim telah merekayasa JCVI-syn1.0, versi sintetis dari sel bakteri alami. Menggunakannya sebagai panduan, mereka menyusun daftar gen yang diketahui penting, menyusunnya dalam sel ragi dan kemudian memindahkan genom baru itu ke dalam sel bakteri yang terkait erat yang dikosongkan dari DNA aslinya.

Dua tahun kemudian pada sebuah konferensi di New England, Jay Lennon, seorang ahli biologi evolusi di Universitas Indiana Bloomington, mendengarkan ceramah dari Clyde Hutchison, seorang profesor emeritus di JCVI yang telah memimpin tim merekayasa sel minimal. Setelah itu, Lennon bertanya kepadanya, “Apa yang terjadi jika Anda melepaskan organisme ini?” Artinya, apa yang akan terjadi pada sel-sel minimal jika mengalami tekanan seleksi alam seperti bakteri di alam liar?

Bagi Lennon sebagai ahli biologi evolusioner, pertanyaannya sudah jelas. Tetapi setelah dia dan Hutchison merenungkannya selama beberapa menit, ternyata jawabannya tidak.

Sel minimal "adalah jenis kehidupan - ini adalah jenis kehidupan buatan, tetapi tetap hidup," kata Lennon, karena memenuhi definisi paling dasar dari kehidupan sebagai sesuatu yang dapat bereproduksi dan tumbuh. Oleh karena itu, ia harus menanggapi tekanan evolusi seperti yang dilakukan gorila, katak, jamur, dan semua organisme lainnya. Tetapi hipotesis menyeluruh adalah bahwa genom yang disederhanakan mungkin "melumpuhkan kemampuan organisme ini untuk berevolusi secara adaptif," kata Lennon.

Namun, tidak ada yang tahu apa yang sebenarnya akan terjadi, karena para peneliti umumnya sangat berhati-hati untuk menjaga agar sel minimal tidak berkembang. Ketika sampel sel didistribusikan oleh JCVI ke salah satu dari sekitar 70 laboratorium yang sekarang bekerja dengannya, sampel dikirim dalam keadaan murni dan dibekukan pada suhu minus 80 derajat Celcius. Saat Anda mengeluarkannya, itu seperti hari pertama mereka di Bumi, Lennon berkata: "Ini adalah sel-sel baru yang belum pernah melihat hari evolusi."

Tak lama setelah pertemuan mereka, Hutchison menghubungkan Lennon dengan Glass, yang membagikan sampel sel minimal timnya dengan lab Lennon di Indiana. Kemudian Lennon dan Roy Moger-Reischer, mahasiswa pascasarjananya saat itu, mulai bekerja.

Menguji Sel yang Dirampingkan

Mereka mulai dengan percobaan yang bertujuan untuk mengukur tingkat mutasi pada sel minimal. Mereka berulang kali memindahkan sepotong populasi sel minimal yang tumbuh ke dalam cawan petri, yang membebaskan sel untuk tumbuh tanpa membatasi pengaruh seperti persaingan. Mereka menemukan bahwa sel minimal bermutasi pada tingkat yang sebanding dengan yang direkayasa M.mycoides - yang merupakan tingkat mutasi bakteri tertinggi yang tercatat.

Mutasi pada kedua organisme cukup mirip, tetapi para peneliti memperhatikan bahwa bias mutasi alami dibesar-besarkan dalam sel minimal. Dalam M.mycoides sel, mutasi 30 kali lebih mungkin untuk mengganti A atau T dalam kode genetik untuk G atau C daripada sebaliknya. Di sel minimal, kemungkinannya 100 kali lebih besar. Penjelasan yang mungkin adalah bahwa beberapa gen yang dihilangkan selama proses minimalisasi biasanya mencegah mutasi tersebut.

Dalam percobaan seri kedua, alih-alih membawa sekelompok kecil sel, para peneliti mentransfer populasi sel yang padat selama 300 hari dan 2,000 generasi. Itu memungkinkan lebih banyak persaingan dan seleksi alam terjadi, mendukung mutasi yang menguntungkan dan munculnya varian genetik yang akhirnya berakhir di semua sel.

Untuk mengukur kebugaran sel, mereka menghitung tingkat pertumbuhan maksimumnya setiap 65 hingga 130 generasi. Semakin cepat sel tumbuh, semakin banyak sel anak yang mereka hasilkan untuk generasi berikutnya. Untuk membandingkan kebugaran sel minimal yang berevolusi dan yang tidak berevolusi, para peneliti membuat mereka bersaing dengan bakteri leluhur. Mereka mengukur seberapa banyak sel pada awal percobaan dan setelah 24 jam.

Mereka menghitung bahwa sel minimal asli telah kehilangan 53% kebugaran relatifnya bersama dengan gen nonesensialnya. Minimisasi telah "membuat sel sakit," kata Lennon. Namun pada akhir percobaan, sel-sel minimal telah berevolusi kembali. Mereka bisa melawan bakteri leluhur.

"Itu mengejutkan saya," kata Anthony Vecchiarelli, ahli mikrobiologi di University of Michigan yang tidak terlibat dalam penelitian ini. "Anda akan berpikir bahwa jika Anda hanya memiliki gen esensial, sekarang Anda benar-benar telah membatasi jumlah evolusi yang ... dapat menuju ke arah yang positif."

Namun kekuatan seleksi alam sudah jelas: Seleksi alam dengan cepat mengoptimalkan kecocokan bahkan pada organisme otonom yang paling sederhana, yang memiliki sedikit atau bahkan tidak ada fleksibilitas untuk mutasi. Ketika Lennon dan Moger-Reischer menyesuaikan dengan kebugaran relatif organisme, mereka menemukan bahwa sel minimal berevolusi 39% lebih cepat daripada sel sintetis. M.mycoides bakteri dari mana mereka berasal.

Trade-Off Ketakutan-Ketamakan

Studi ini merupakan langkah pertama yang "sangat menggugah pikiran", kata Vecchiarelli. Tidak pasti apa yang akan terjadi jika sel terus berevolusi: Apakah mereka akan mendapatkan kembali beberapa gen atau kompleksitas yang hilang dalam proses minimalisasi? Lagi pula, sel minimal itu sendiri masih menjadi misteri. Sekitar 80 gen penting untuk kelangsungan hidupnya tidak memiliki fungsi yang diketahui.

Temuan ini juga menimbulkan pertanyaan tentang gen mana yang perlu tetap berada di sel minimal agar seleksi alam dan evolusi dapat berlanjut.

Sejak 2016, tim JCVI telah menambahkan kembali beberapa gen nonesensial untuk membantu garis sel minimal tumbuh dan membelah seperti sel alami. Sebelum mereka melakukan itu, JCVI-syn3.0 tumbuh dan membelah menjadi bentuk-bentuk aneh, sebuah fenomena yang sedang diselidiki Glass dan timnya untuk melihat apakah sel minimal mereka membelah seperti yang dilakukan sel primordial.

Para peneliti menemukan bahwa sebagian besar mutasi menguntungkan yang disukai oleh seleksi alam dalam eksperimen mereka terdapat pada gen esensial. Tapi satu mutasi kritis ada pada gen nonesensial yang disebut ftsZ, yang mengkode protein yang mengatur pembelahan sel. Ketika itu bermutasi M.mycoides, bakteri tumbuh 80% lebih besar. Anehnya, mutasi yang sama pada sel minimal tidak meningkatkan ukurannya. Itu menunjukkan bagaimana mutasi dapat memiliki fungsi yang berbeda tergantung pada konteks seluler, kata Lennon.

Di sebuah studi pelengkap, yang telah diterima oleh iSains namun belum dipublikasikan, sebuah kelompok dipimpin oleh Bernhard Palsson di University of California, San Diego melaporkan hasil serupa dari eksperimen pada varian sel minimal yang sama. Mereka tidak menemukan ftsZ mutasi dalam sel minimal mereka yang berevolusi, tetapi mereka menemukan mutasi serupa pada gen lain yang mengatur pembelahan sel, menekankan titik bahwa ada banyak cara untuk mencapai hasil biologis, kata Palsson.

Mereka tidak melihat ukuran sel, tetapi mereka memeriksa gen mana yang diekspresikan sebelum, selama, dan setelah episode evolusi. Mereka mengamati "pertukaran rasa takut-keserakahan", kecenderungan yang juga terlihat pada bakteri alami untuk mengembangkan mutasi pada gen yang akan membantunya tumbuh daripada mutasi yang akan menghasilkan lebih banyak protein perbaikan DNA untuk memperbaiki kesalahan.

Di sini Anda dapat melihat bahwa “mutasi cenderung mencerminkan proses seluler yang diperlukan untuk meningkatkan suatu fungsi,” kata Palsson.

Mendemonstrasikan bahwa sel minimal dapat berevolusi seperti sel dengan genom yang lebih alami adalah penting karena memvalidasi "seberapa baik itu mewakili kehidupan secara umum," kata Zia. Bagi banyak peneliti, inti dari sel minimal adalah berfungsi sebagai panduan yang sangat berguna untuk memahami sel alami yang lebih kompleks dan aturan yang mereka ikuti.

Studi lain juga mulai menyelidiki bagaimana sel minimal merespons tekanan alami. Sebuah kelompok melapor masuk iSains pada tahun 2021 sel minimal dapat dengan cepat mengembangkan resistensi terhadap berbagai antibiotik, seperti halnya bakteri.

Mengetahui gen mana yang lebih mungkin bermutasi dan mengarah pada adaptasi yang bermanfaat suatu hari nanti dapat membantu para peneliti merancang obat yang menjadi lebih baik dalam fungsinya di dalam tubuh dari waktu ke waktu. Untuk membangun bentuk kehidupan sintetis yang kuat yang memiliki kemampuan yang sangat berbeda, ahli biologi evolusi dan ahli biologi sintetik harus bekerja sama, “karena tidak peduli seberapa banyak Anda merekayasa, itu tetap biologi, dan biologi berevolusi,” kata Adamala.