Tahun di Biologi

Kenangan kita adalah landasan identitas kita. Pentingnya penyakit ini adalah penyebab utama penyakit Alzheimer dan bentuk demensia lainnya begitu kejam dan memilukan. Itu sebabnya kita sangat berharap agar ilmu pengetahuan dapat menyembuhkan penyakit Alzheimer, dan mengapa hal ini sangat membuat frustrasi dan tragis sehingga pengobatan yang bermanfaat lambat muncul. Oleh karena itu, kegembiraan besar menyelimuti pengumuman pada bulan September bahwa obat baru, lecanemab, memperlambat perkembangan penyakit dalam uji klinis. Jika disetujui oleh Food and Drug Administration, lecanemab akan menjadi pengobatan Alzheimer kedua yang melawan protein amiloid-beta, yang secara luas dianggap sebagai penyebab penyakit tersebut. 

Namun efek lecanemab sangat kecil sehingga para peneliti memperdebatkan apakah obat tersebut benar-benar akan memberikan perbedaan praktis bagi pasien. Fakta bahwa lecanemab menonjol sebagai titik terang menunjukkan betapa suramnya sejarah penelitian pengobatan Alzheimer. Sementara itu, pemahaman yang lebih mendalam mengenai faktor biologi memicu minat terhadap teori-teori alternatif terkemuka mengenai penyebab penyakit ini.

Spekulasi tentang cara kerja ingatan setidaknya sama tuanya dengan Plato, yang dalam salah satu dialog Sokratesnya menulis tentang “anugerah Memori, ibu dari Muses,” dan membandingkan cara kerjanya dengan cap lilin di dalam jiwa. Kita bisa bersyukur bahwa ilmu pengetahuan telah jauh meningkatkan pemahaman kita tentang ingatan sejak zaman Plato - dengan stempel lilin, dengan “engram” perubahan pada neuron kita. Dalam setahun terakhir saja, para peneliti telah membuat langkah menarik dalam mempelajari bagaimana dan di mana berbagai aspek ingatan kita berada di otak. Yang lebih mengejutkan lagi, mereka bahkan menemukan mekanisme biokimia yang membedakan ingatan baik dari ingatan buruk.

Karena kita adalah makhluk yang memiliki otak, kita sering berpikir tentang ingatan dalam istilah neurologis semata. Namun penelitian yang diterbitkan pada awal tahun 2022 oleh para peneliti di California Institute of Technology menunjukkan bahwa bahkan sel-sel individual dalam jaringan yang sedang berkembang mungkin memiliki beberapa catatan sejarah garis keturunannya. Sel induk ini tampaknya bergantung pada informasi yang disimpan ketika mereka dihadapkan pada keputusan tentang bagaimana melakukan spesialisasi dalam menanggapi isyarat kimia. Kemajuan dalam bidang biologi selama setahun terakhir juga mengungkap banyak kejutan lainnya, termasuk wawasan tentang bagaimana otak beradaptasi terhadap kekurangan makanan yang berkepanjangan dan bagaimana sel-sel yang bermigrasi mengikuti jalur ke seluruh tubuh. Ada baiknya melihat kembali beberapa karya terbaik dari karya tersebut sebelum wahyu di tahun mendatang memberi kita perspektif baru tentang diri kita lagi.

Banyak orang yang terhubung dengan penyakit Alzheimer, baik melalui penelitian atau melalui hubungan pribadi dengan pasien, berharap tahun 2022 akan menjadi tahun yang luar biasa. Uji klinis besar pada akhirnya akan mengungkapkan apakah dua obat baru yang mengatasi akar penyebab penyakit ini berhasil. Sayangnya, hasilnya jauh dari harapan. Salah satu obatnya, lecanemab, menunjukkan potensi untuk sedikit memperlambat penurunan kognitif pada beberapa pasien tetapi juga terkadang dikaitkan dengan efek samping yang fatal; yang lainnya, gantenerumab, dianggap gagal total. 

Hasil yang mengecewakan ini mengakhiri penelitian selama tiga dekade yang sangat didasarkan pada teori bahwa penyakit Alzheimer disebabkan oleh plak protein amiloid yang menumpuk di antara sel-sel otak dan membunuhnya. Namun, semakin banyak bukti yang menunjukkan bahwa amiloid hanyalah salah satu komponen dalam a proses penyakit yang jauh lebih kompleks yang melibatkan peradangan yang merusak dan malfungsi dalam cara sel mendaur ulang proteinnya. Sebagian besar gagasan ini telah ada sejak hipotesis amiloid muncul, namun baru mulai mendapat perhatian yang layak.

Faktanya, agregasi protein di sekitar sel mulai terlihat seperti fenomena yang hampir universal pada jaringan yang menua dan bukan suatu kondisi yang khas pada penyakit amiloid dan Alzheimer, menurut penelitian para peneliti Universitas Stanford yang diumumkan dalam pracetak musim semi lalu. Pengamatan ini mungkin menjadi satu lagi bukti bahwa memburuknya masalah pengelolaan protein mungkin merupakan konsekuensi rutin dari penuaan sel.

Para ahli saraf telah lama memahami banyak hal tentang bagaimana ingatan terbentuk – secara prinsip. Mereka mengetahui bahwa ketika otak merasakan, merasakan, dan berpikir, aktivitas saraf yang menimbulkan pengalaman tersebut memperkuat hubungan sinaptik antara neuron yang terlibat. Perubahan yang bertahan lama dalam sirkuit saraf kita menjadi catatan fisik dari ingatan kita, sehingga memungkinkan untuk membangkitkan kembali pola kelistrikan dari pengalaman kita saat diperlukan. Namun rincian pasti dari proses tersebut masih dirahasiakan. Awal tahun ini, hal itu berubah ketika para peneliti di University of Southern California menjelaskan tekniknya memvisualisasikan perubahan-perubahan itu seperti yang terjadi pada otak hidup, yang biasa mereka lihat saat ikan belajar mengasosiasikan panas yang tidak menyenangkan dengan isyarat cahaya. Yang mengejutkan mereka, meskipun proses ini memperkuat beberapa sinapsis, proses ini menghapus sinapsis lainnya. 

Isi informasi dalam memori hanyalah sebagian dari apa yang disimpan otak. Kenangan juga dikodekan dengan sebuah “valensi” emosional yang mengkategorikannya sebagai pengalaman positif atau negatif. Musim panas lalu, para peneliti melaporkan bahwa tingkat molekul tunggal yang dilepaskan oleh neuron, yang disebut neurotensin, tampaknya bertindak sebagai penanda pelabelan tersebut. 

Kehidupan di Bumi dimulai dengan munculnya sel pertama kali sekitar 3.8 miliar tahun yang lalu. Namun secara paradoks, sebelum ada sel, pasti sudah ada kumpulan molekul yang melakukan hal-hal yang sangat mirip dengan kehidupan. Selama dekade terakhir, para peneliti di Jepang telah melakukan eksperimen dengan molekul RNA untuk mempelajari apakah satu jenis molekul yang bereplikasi dapat berevolusi menjadi sekumpulan replikator yang berbeda, seperti yang diteorikan oleh para peneliti tentang asal usul kehidupan pasti terjadi di alam. Para ilmuwan Jepang menemukan bahwa diversifikasi ini benar-benar terjadi, dengan berbagai molekul berevolusi menjadi inang dan parasit yang saling bersaing dan mendominasi. Maret lalu, para ilmuwan melaporkan perkembangan baru: Beragam molekul mulai bekerja sama dalam a ekosistem yang lebih stabil. Penelitian mereka menunjukkan bahwa RNA dan molekul lain di dunia prebiotik juga bisa berevolusi bersama untuk meletakkan dasar bagi kehidupan sel.

Replikasi diri sering kali dianggap sebagai langkah pertama yang penting dalam hipotesis asal usul kehidupan, namun hal ini tidak harus dilakukan. Tahun ini, Nick Lane dan ahli biologi evolusi lainnya terus menemukan bukti bahwa sebelum sel ada, sistem “proto-metabolisme” melibatkan serangkaian reaksi energik yang kompleks mungkin muncul pada material berpori dekat ventilasi hidrotermal.

Bagaimana satu sel telur yang telah dibuahi tumbuh menjadi tubuh manusia dewasa dengan lebih dari 30 triliun sel di lebih dari 200 kategori khusus? Ini adalah misteri pembangunan yang hakiki. Selama sebagian besar abad yang lalu, penjelasan utama adalah bahwa gradien kimia yang terbentuk di berbagai bagian tubuh yang sedang berkembang mengarahkan sel ke tempat yang dibutuhkan dan memberi tahu mereka cara berdiferensiasi menjadi komponen kulit, otot, tulang, otak, dan komponen lainnya. organ. 

Namun bahan kimia kini tampaknya hanya menjadi sebagian dari jawabannya. Penelitian terbaru menunjukkan bahwa meskipun sel menggunakan petunjuk gradien kimia untuk memandu navigasinya, sel juga mengikuti petunjuk tersebut pola ketegangan fisik di jaringan yang mengelilinginya, seperti pejalan kaki di atas tali yang melintasi kabel yang kencang. Ketegangan fisik tidak hanya memberi tahu sel ke mana harus pergi. Penelitian lain yang dilaporkan pada bulan Mei menunjukkan bahwa kekuatan mekanis di dalam embrio juga membantu menginduksi kumpulan sel menjadi struktur tertentu, seperti bulu, bukan kulit.

Sementara itu, ahli biologi sintetik – peneliti yang mengambil pendekatan rekayasa dalam mempelajari kehidupan – membuat kemajuan penting dalam memahami jenis algoritma genetika yang mengontrol bagaimana sel berdiferensiasi sebagai respons terhadap isyarat kimia. Sebuah tim di Caltech mendemonstrasikan jaringan gen buatan yang secara stabil dapat mengubah sel induk menjadi sejumlah jenis sel yang lebih terspesialisasi. Mereka belum mengidentifikasi apa itu sistem kendali genetik alami dalam sel, namun keberhasilan model mereka membuktikan bahwa apa pun sistem sebenarnya, mungkin tidak perlu menjadi lebih rumit.

Otak adalah organ tubuh yang paling haus energi, jadi mungkin tidak mengherankan jika evolusi merancang strategi darurat untuk membantu otak mengatasi kekurangan makanan dalam jangka waktu lama. Para peneliti di Universitas Edinburgh menemukan bahwa ketika tikus harus bertahan hidup dengan ransum singkat selama berminggu-minggu, otak mereka mulai bekerja setara dengan a. mode "daya rendah".. 

Dalam keadaan ini, neuron di korteks visual menggunakan hampir 30% lebih sedikit energi di sinapsisnya. Dari sudut pandang teknik, ini merupakan solusi tepat untuk memperluas sumber energi otak, namun ada kendalanya. Akibatnya, mode daya rendah mengurangi resolusi penglihatan hewan dengan membuat sistem visual memproses sinyal menjadi kurang tepat. 

Pandangan rekayasa terhadap otak baru-baru ini juga meningkatkan pemahaman kita tentang sistem sensorik lain: indera penciuman. Para peneliti telah mencoba meningkatkan kemampuan “hidung buatan” yang terkomputerisasi untuk mengenali bau. Struktur kimia saja sangat berperan dalam menentukan bau yang kita kaitkan dengan berbagai molekul. Namun penelitian baru menunjukkan bahwa proses metabolisme yang menciptakan molekul di alam juga mencerminkan indra penciuman kita terhadap molekul tersebut. Jaringan saraf yang menyertakan informasi metabolisme dalam analisisnya secara signifikan mampu mengklasifikasikan bau seperti yang dilakukan manusia.

Otak manusia yang hidup masih merupakan hal yang sangat sulit untuk dipelajari oleh para ilmuwan saraf: Tengkorak menghalangi pandangan mereka dan pertimbangan etis mengesampingkan banyak eksperimen yang berpotensi memberikan informasi. Itu sebabnya para peneliti mulai menumbuhkan jaringan otak terisolasi di laboratorium dan membiarkannya membentuk “organoid” dengan kemiripan fisik dan listrik dengan otak sebenarnya. Tahun ini, ahli saraf Sergiu Paşca dan rekan-rekannya menunjukkan sejauh mana kesamaan tersebut terjadi melalui implantasi organoid otak manusia pada tikus laboratorium yang baru lahir. Sel-sel manusia mengintegrasikan dirinya ke dalam sirkuit saraf hewan dan mengambil peran dalam indra penciumannya. Selain itu, neuron yang ditransplantasikan tampak lebih sehat dibandingkan neuron yang tumbuh di organoid terisolasi, seperti yang dikemukakan Paşca dalam wawancara dengan Quanta, pentingnya menyediakan input dan output kepada neuron. Penelitian ini menunjukkan jalan menuju pengembangan model eksperimental yang lebih baik untuk otak manusia di masa depan.