Memvisualisasikan Bagian Dalam Sel pada Resolusi yang Sebelumnya Mustahil Memberikan Wawasan Jelas tentang Cara Kerjanya

Semua kehidupan adalah terdiri dari sel beberapa besaran lebih kecil dari sebutir garam. Struktur mereka yang tampak sederhana menutupi aktivitas molekuler yang rumit dan kompleks yang memungkinkan mereka menjalankan fungsi yang menopang kehidupan. Para peneliti mulai dapat memvisualisasikan aktivitas ini ke tingkat detail yang belum pernah mereka lakukan sebelumnya.

Struktur biologis dapat divisualisasikan baik mulai dari tingkat seluruh organisme dan bekerja ke bawah, atau mulai dari tingkat atom tunggal dan bekerja ke atas. Namun, telah terjadi kesenjangan resolusi antara struktur terkecil sel, seperti sitoskeleton yang mendukung bentuk sel, dan struktur terbesarnya, seperti ribosom yang membuat protein dalam sel.

Dengan analogi Google Maps, sementara para ilmuwan dapat melihat seluruh kota dan rumah individu, mereka tidak memiliki alat untuk melihat bagaimana rumah-rumah itu bersatu untuk membentuk lingkungan. Melihat detail tingkat lingkungan ini sangat penting untuk dapat memahami bagaimana komponen individu bekerja bersama di lingkungan sel.

Alat-alat baru terus menjembatani kesenjangan ini. Dan pengembangan berkelanjutan dari satu teknik tertentu, tomografi cryo-elektron, atau cryo-ET, memiliki potensi untuk memperdalam bagaimana peneliti mempelajari dan memahami bagaimana fungsi sel dalam kesehatan dan penyakit.

Sebagai mantan pemimpin redaksi dari Ilmu majalah dan sebagai peneliti yang telah mempelajari struktur protein besar yang sulit divisualisasikan selama beberapa dekade, saya telah menyaksikan kemajuan luar biasa dalam pengembangan alat yang dapat menentukan struktur biologis secara detail. Seperti halnya menjadi lebih mudah untuk memahami bagaimana sistem yang rumit bekerja ketika Anda tahu seperti apa bentuknya, memahami bagaimana struktur biologis cocok satu sama lain dalam sel adalah kunci untuk memahami bagaimana organisme berfungsi.

Sejarah Singkat Mikroskopi

Pada abad 17th, mikroskop cahaya pertama kali mengungkapkan keberadaan sel. Pada abad ke-20, mikroskop elektron menawarkan detail yang lebih besar lagi, mengungkapkan struktur rumit di dalam sel, termasuk organel seperti retikulum endoplasma, jaringan kompleks membran yang memainkan peran kunci dalam sintesis dan transportasi protein.

Dari tahun 1940-an hingga 1960-an, ahli biokimia bekerja untuk memisahkan sel menjadi komponen molekulnya dan mempelajari cara menentukan struktur 3D protein dan makromolekul lain pada atau mendekati resolusi atom. Ini pertama kali dilakukan menggunakan kristalografi sinar-X untuk memvisualisasikan struktur mioglobin, protein yang memasok oksigen ke otot.

Selama dekade terakhir, teknik berdasarkan resonansi magnetik nuklir, yang menghasilkan gambar berdasarkan bagaimana atom berinteraksi dalam medan magnet, dan mikroskop cryo-electron telah dengan cepat meningkatkan jumlah dan kompleksitas struktur yang dapat divisualisasikan oleh para ilmuwan.

Apa itu Cryo-EM dan Cryo-ET?

Mikroskop cryo-elektron, atau cryo-EM, menggunakan kamera untuk mendeteksi bagaimana berkas elektron dibelokkan saat elektron melewati sampel untuk memvisualisasikan struktur pada tingkat molekuler. Sampel dibekukan dengan cepat untuk melindunginya dari kerusakan radiasi. Model mendetail dari struktur yang diinginkan dibuat dengan mengambil banyak gambar molekul individual dan meratakannya ke dalam struktur 3D.

Cryo-ET berbagi komponen serupa dengan cryo-EM tetapi menggunakan metode yang berbeda. Karena sebagian besar sel terlalu tebal untuk dicitrakan dengan jelas, daerah yang diinginkan dalam sel terlebih dahulu ditipiskan dengan menggunakan berkas ion. Sampel kemudian dimiringkan untuk mengambil banyak gambar dari sudut yang berbeda, analog dengan CT scan bagian tubuh (walaupun dalam kasus ini sistem pencitraan itu sendiri dimiringkan, bukan pasien). Gambar-gambar ini kemudian digabungkan oleh komputer untuk menghasilkan gambar 3D dari sebagian sel.

Resolusi gambar ini cukup tinggi sehingga peneliti (atau program komputer) dapat mengidentifikasi masing-masing komponen dari berbagai struktur di dalam sel. Para peneliti telah menggunakan pendekatan ini, misalnya, untuk menunjukkan bagaimana protein bergerak dan terdegradasi di dalam sebuah sel alga.

Banyak langkah yang pernah dilakukan peneliti secara manual untuk menentukan struktur sel menjadi otomatis, memungkinkan para ilmuwan untuk mengidentifikasi struktur baru dengan kecepatan yang jauh lebih tinggi. Misalnya menggabungkan cryo-EM dengan program kecerdasan buatan seperti Lipatan Alfa dapat memfasilitasi interpretasi citra dengan memprediksi struktur protein yang belum dikarakterisasi.

Memahami Struktur dan Fungsi Sel

Seiring peningkatan metode pencitraan dan alur kerja, para peneliti akan dapat menjawab beberapa pertanyaan kunci dalam biologi sel dengan strategi yang berbeda.

Langkah pertama adalah memutuskan sel apa dan daerah mana di dalam sel itu yang akan dipelajari. Teknik visualisasi lain disebut mikroskop cahaya dan elektron berkorelasi, atau CLEM, menggunakan penanda berpendar untuk membantu menemukan wilayah tempat proses menarik berlangsung dalam sel hidup.

Membandingkan perbedaan genetik antar sel dapat memberikan wawasan tambahan. Ilmuwan dapat melihat sel yang tidak mampu menjalankan fungsi tertentu dan melihat bagaimana hal ini tercermin dalam strukturnya. Pendekatan ini juga dapat membantu peneliti mempelajari bagaimana sel berinteraksi satu sama lain.

Cryo-ET kemungkinan akan tetap menjadi alat khusus untuk beberapa waktu. Tetapi perkembangan teknologi lebih lanjut dan peningkatan aksesibilitas akan memungkinkan komunitas ilmiah untuk memeriksa hubungan antara struktur dan fungsi seluler pada tingkat detail yang sebelumnya tidak dapat diakses. Saya mengantisipasi melihat teori-teori baru tentang bagaimana kita memahami sel, bergerak dari kantong molekul yang tidak teratur ke sistem yang terorganisir dan dinamis secara rumit.

Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.

Gambar Kredit: Nanografi, CC BY-SA

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://singularityhub.com/2023/01/09/visualizing-the-inside-of-cells-at-previously-impossible-resolutions-provides-vivid-insights-into-how-they-work/