Pengantar
Tutup mata Anda dan bayangkan bakteri. Mungkin Anda membayangkan usus kita Escherichia coli, atau bola-bola staphylococcus yang keemasan, atau ikal-ikal pembuka botol spirochetes penyakit Lyme. Terlepas dari spesies dan bentuknya, kemungkinan mata pikiran Anda membayangkan satu sel, atau mungkin beberapa sel yang hidup bebas.
Masalah dengan gambar ini, kata ahli mikrobiologi Julia Schwartzman, adalah bahwa itu tidak mencerminkan bagaimana sebagian besar bakteri cenderung hidup. Seringkali, bakteri menggunakan molekul lengket untuk menambatkan diri ke permukaan, tumbuh di kolektif besar dan stabil disebut biofilm. Plak pada gigi Anda adalah biofilm; begitu juga infeksi pada kateter, kotoran hijau berlendir dan kotoran yang menyumbat saluran bak mandi Anda.
Tapi karya terbaru Schwartzman, yang dia lakukan sebagai rekan postdoctoral di lab Otto Cordero di Massachusetts Institute of Technology, menunjukkan bahwa bahkan bakteri yang mengambang di laut terbuka, yang tidak memiliki titik jangkar untuk membentuk konglomerat besar, ada dalam bentuk multiseluler.
“Kami melihat struktur ini sangat luar biasa,” katanya.
Seperti yang ditunjukkan Schwartzman, Cordero dan rekan-rekan mereka di makalah terbaru di Sekarang Biologi, bentuk multiseluler ini muncul karena bakteri mengembangkan siklus hidup yang jauh lebih kompleks daripada yang biasanya terlihat pada organisme uniseluler.
Perusahaan untuk Makan Malam
Schwartzman sampai pada penemuan tentang multiseluleritas pada bakteri laut saat mencoba mempelajari sesuatu yang lebih mendasar: cara mereka makan.
Di laut terbuka, seringkali satu-satunya sumber energi untuk mikroba laut adalah karbohidrat agar-agar yang disebut alginat. Tidak seperti glukosa, fruktosa, dan gula sederhana lainnya yang dapat dengan mudah melintasi membran sel, alginat terdiri dari untaian panjang melingkar yang seringkali lebih besar daripada bakteri yang memakannya. Schwartzman ingin tahu lebih banyak tentang bagaimana bakteri itu berpesta secara efisien, karena enzim pencernaan yang mereka keluarkan untuk memecah alginat dapat dengan mudah diencerkan dan hanyut di perairan laut terbuka.
Itu sebabnya dia dan Ali Ebrahimi, postdoc lain di lab Cordero, mulai mengukur pertumbuhan bakteri laut luminescent. Vibrio splendidus dalam termos kaldu hangat yang sarat dengan alginat. Dalam banyak percobaan mikrobiologi, para ilmuwan menyediakan mikroba dengan hamparan nutrisi untuk mendorong sel membelah secepat mungkin, tetapi labu Schwartzman dan Ebrahimi memaksa Vibrio bakteri untuk hidup dengan jumlah yang relatif kecil dari polimer alginat berukuran besar, seperti yang mereka lakukan di laut.
Namun ketika Schwartzman mulai mengumpulkan data, dia pikir dia telah membuat kesalahan pemula. Saat bakteri berkembang biak, mereka mengubah kaldu kultur berwarna kuning cerah menjadi rebusan keruh. Dengan mengukur kekeruhan, Schwartzman dapat memperkirakan jumlah mikroba dalam labu dan membuat kurva pertumbuhan untuk memperkirakan seberapa cepat sel membelah. Ahli bakteriologi telah memperkirakan tingkat pertumbuhan dengan cara ini selama beberapa dekade. Sebagai seorang postdoc, Schwartzman telah kehilangan hitungan berapa kali dia melakukan ini selama bertahun-tahun.
Kurva pertumbuhan untuknya Vibrio budaya, bagaimanapun, tidak menunjukkan garis naik mulus biasa melainkan coretan bergelombang seperti trek roller coaster. Tidak peduli berapa kali dia mengulangi prosesnya, bakteri tidak menghasilkan kekeruhan yang diharapkan dalam kaldu.
Bola Salju Mikroskopis
Untuk memeriksa apa yang terjadi, Schwartzman meletakkan setetes larutan kultur pada slide mikroskop kaca dan mengintip melalui lensa pada perbesaran 40 kali. Apa yang dia dan Ebrahimi lihat bukanlah kumpulan individu Vibrio tetapi lebih indah, bola berlapis yang terdiri dari ratusan atau ribuan bakteri yang hidup bersama.
"Itu bukan hanya gumpalan bakteri," kata Schwartzman. “Ini adalah benda bulat, dan Anda dapat melihat sel-sel bercampur di tengahnya.”
Pekerjaan lebih lanjut menunjukkan bahwa bola berongga adalah Vibrio's solusi untuk tantangan rumit makan di laut. Sebuah bakteri individu hanya dapat menghasilkan begitu banyak enzim; memecah alginat berjalan jauh lebih cepat ketika Vibrio dapat mengelompok bersama. Ini adalah strategi kemenangan, kata Schwartzman - sampai titik tertentu. Jika terlalu banyak Vibrio, jumlah bakteri melebihi alginat yang tersedia.
Bakteri memecahkan teka-teki dengan mengembangkan siklus hidup yang lebih kompleks. Bakteri hidup dalam tiga fase yang berbeda. Pada awalnya, sel individu membelah berulang kali dan sel anak berkumpul dalam rumpun yang tumbuh. Pada fase kedua, sel-sel yang menggumpal mengatur ulang diri mereka sendiri menjadi bola berongga. Sel-sel terluar merekatkan diri mereka sendiri, membentuk sesuatu seperti bola salju mikroskopis. Sel-sel di dalamnya menjadi lebih mobile, berenang saat mereka mengkonsumsi alginat yang terperangkap. Pada fase ketiga, lapisan luar yang rapuh pecah, melepaskan sel-sel dalam yang cukup makan untuk memulai siklus baru.
Sebenarnya, Vibrio menjadi campuran sel yang heterogen, dengan bakteri menggunakan gen yang berbeda untuk mengontrol perilaku mereka di setiap fase. Ketika sel-sel berinteraksi dengan tetangga mereka dalam struktur, apa yang muncul adalah "jumlah kompleksitas yang mengejutkan," kata Schwartzman, yang meluncurkan labnya sendiri di University of Southern California pada Januari. “Bakteri terus-menerus mengambil informasi dari lingkungan mereka, dan terkadang mereka merespons dengan cara yang mengubah lingkungan.”
Kompleksitas ini terbayar untuk Vibrio dalam beberapa cara. Dengan mengubah siklus hidup mereka untuk memasukkan tahap multiseluler, bakteri dapat mencerna alginat secara efisien: Jumlah mereka meningkat, dan cangkang berongga membantu mengkonsentrasikan enzim. Sementara itu, struktur komunitas mencegah terlalu banyak sel untuk dilahirkan. Sel-sel dalam cangkang kehilangan kesempatan untuk bereproduksi, tetapi DNA mereka tetap hidup pada generasi berikutnya, karena semua sel di dalam bola adalah klon.
Seberapa Umumkah Multiseluleritas?
Karya itu adalah "kertas yang indah," menurut Jordi van Gestel, yang mempelajari evolusi perkembangan mikroba di Laboratorium Biologi Molekuler Eropa dan tidak terlibat dalam penelitian tersebut. Van Gestel mengatakan bahwa hasil mendukung gagasan bahwa, jauh dari pengecualian, kelompok mikroba hidup adalah norma.
“Ini dengan indah menggambarkan kompleksitas siklus hidup bakteri sederhana seperti itu,” katanya.
Anahit Penesyan, seorang ahli mikrobiologi di Macquarie University di Australia, mengatakan bahwa karya Schwartzman dan Cordero menawarkan tantangan yang berguna untuk prasangka tentang bakteri. "Ini terukir dalam pemahaman kita bahwa mikroba hanyalah sel tunggal," katanya, dan sebagai konsekuensinya, para peneliti sering tidak mencari perilaku kompleks yang mungkin mendominasi kehidupan mikroba. "Ini seperti melihat benih atau spora tanaman dan mencoba menyimpulkan seperti apa seluruh tanaman itu."
Baru Vibrio Temuan ini menambah daftar mikroba yang terus bertambah yang dapat menjadi multiseluler setidaknya selama sebagian dari kehidupan mereka. Tahun lalu, para peneliti di Institut Teknologi Georgia melaporkan bahwa ragi uniseluler di laboratorium mereka berevolusi sebagai bentuk multiseluler besar hanya dalam dua tahun. Dan pada bulan Oktober, para peneliti di Jepang mengumumkan penemuan mereka bakteri yang tumbuh menjadi struktur multiseluler di dinding gua; ketika batu tenggelam oleh aliran bawah tanah, struktur mengeluarkan sel-sel khusus seperti benih untuk menjajah lokasi lain.
Schwartzman dan van Gestel sama-sama percaya bahwa kapasitas multiseluleritas berkembang di awal sejarah kehidupan dan dimiliki oleh sepupu purba bakteri, archaea, yang juga tampak uniseluler. Mereka pikir itu hanya masalah waktu sampai peneliti menemukan spesies lain dengan sifat serupa - dan Schwartzman sudah mulai mencari.
James Shapiro, pensiunan ahli mikrobiologi dari University of Chicago, memiliki sedikit keraguan bahwa dia akan menemukannya.
Dimulai pada 1980-an, Shapiro dan tokoh mikrobiologi lainnya seperti Bonnie Bassler di Universitas Princeton menunjukkan bahwa gaya hidup sel tunggal dari bakteri yang dipelajari dengan baik sering kali merupakan artefak dari lingkungan labu buatan tempat mereka tumbuh. Di artikel 1998 dalam Tinjauan Tahunan Mikrobiologi, Shapiro berpendapat bahwa bakteri bukanlah penyendiri uniseluler. “Saya sampai pada kesimpulan bahwa pada dasarnya semua bakteri adalah organisme multiseluler,” katanya.
Selama empat dekade karirnya, Shapiro melihat hipotesisnya berubah dari hampir sesat menjadi tak terbantahkan. “Awalnya saya hanya mendapat perhatian yang dibuat-buat, tapi sekarang sudah menjadi kearifan konvensional,” ujarnya. “Multiseluleritas adalah sifat yang melekat pada bakteri.”
Catatan editor: Cordero adalah co-director dari Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. Penelitian oleh Schwartzman, Cordero dan rekan-rekan mereka didukung melalui kerjasama oleh Yayasan Simons, yang juga mensponsori majalah independen editorial ini.
