Apa yang Membuat Hidup Bergerak? Mitokondria Dapat Menjaga Waktu untuk Sel | Majalah Kuanta

Sama seperti orang-orang di berbagai tempat yang tampaknya beroperasi dengan ritme yang berbeda, demikian pula spesies yang berbeda. Mereka menua dengan kecepatan yang berbeda-beda: Beberapa, seperti lalat buah, berlomba menuju usia dewasa agar dapat bereproduksi sebelum sumber makanan sementara mereka hilang, sementara makhluk seperti manusia menjadi dewasa secara perlahan selama beberapa dekade, sebagian karena diperlukannya hal tersebut untuk membangun otak yang besar dan kompleks. Dan pada awal kehidupan embrio, perubahan kecil pada waktu dan cara berbagai jaringan berkembang dapat secara dramatis mengubah bentuk suatu organisme – sebuah mekanisme yang dimanfaatkan oleh evolusi untuk menciptakan spesies baru. Namun, apa yang menentukan tempo pertumbuhan suatu organisme masih menjadi misteri.

“Pengetahuan kita tentang apa yang mengontrol waktu perkembangan benar-benar tertinggal dibandingkan bidang lain dalam biologi perkembangan,” katanya Margarete Diaz Cuadros, yang memimpin penelitian yang berfokus pada tempo perkembangan di Rumah Sakit Umum Massachusetts di Boston.

Ahli biologi perkembangan telah mencapai keberhasilan luar biasa dalam mengidentifikasi jaringan gen pengatur yang berkomunikasi satu sama lain - sistem umpan balik yang mengalir dan menghidupkan atau mematikan gen pada waktu dan tempat yang tepat untuk membangun, misalnya, mata atau kaki. Namun kesamaan yang sangat terpelihara dalam jaringan gen antar spesies kontras dengan perbedaan besar dalam waktu perkembangan. Tikus dan manusia, misalnya, menggunakan rangkaian gen yang sama untuk membuat neuron dan membentuk tulang belakang. Namun otak dan tulang belakang tikus ternyata sangat berbeda dibandingkan manusia karena waktu aktifnya gen-gen tersebut berbeda, dan tidak jelas mengapa demikian.

“Regulasi gen sepertinya tidak menjelaskan segalanya tentang waktu perkembangan,” kata Pierre Vanderhaeghen, yang mempelajari evolusi dan perkembangan otak di KU Leuven di Belgia. “Sekarang, ini agak provokatif karena dalam biologi, segala sesuatu harus dijelaskan oleh regulasi gen, secara langsung atau tidak langsung.”

Penjelasan baru tentang apa yang membuat kehidupan dapat berjalan muncul dari inovasi – seperti kemajuan dalam kultur sel induk dan ketersediaan alat untuk memanipulasi metabolisme, yang awalnya dikembangkan untuk mempelajari kanker – yang kini memungkinkan para peneliti untuk memetakan, dan mempermainkan, laju perkembangan kanker pada tahap awal. embrio dan jaringan secara lebih rinci. Dalam serangkaian makalah selama beberapa tahun terakhir, termasuk satu publikasi kunci pada bulan Juni, beberapa tim peneliti secara independen menemukan hubungan menarik antara tempo perkembangan, laju reaksi biokimia, dan laju ekspresi gen yang mendasari reaksi biokimia tersebut.

Temuan mereka menunjukkan metronom umum: mitokondria, yang mungkin menjadi pencatat waktu sel, mengatur ritme berbagai proses perkembangan dan biokimia yang menciptakan dan memelihara kehidupan.

Sebuah Neuron Menjaga Waktu

Lebih dari satu dekade lalu, Vanderhaeghen melakukan eksperimen yang meletakkan dasar bagi penelitian modern tentang bagaimana menjaga tempo perkembangan. Ahli neurobiologi ada di dalam laboratorium Belgia miliknya menumbuhkan sel induk di cawan petri dan mengamati berapa lama sel tersebut matang dari lembaran sel kosong hingga menjadi neuron lengkap yang terhubung dan berkomunikasi dengan orang lain. Dia pikir dia mungkin menemukan petunjuk tentang asal usul dan evolusi otak manusia dengan membandingkan sel induk tikus dan sel induk manusia yang dipersiapkan untuk menjadi neuron.

Hal pertama yang dia perhatikan adalah sel induk tikus berdiferensiasi menjadi sel otak dewasa dalam waktu sekitar satu minggu – lebih cepat dibandingkan sel induk manusia, yang memerlukan waktu pertumbuhan selama tiga hingga empat bulan.

Namun apakah sel-sel tersebut akan berkembang dengan cara yang sama di otak yang sedang tumbuh dibandingkan di wadah yang terisolasi? Untuk mengetahuinya, dia mentransplantasikan neuron tikus ke otak tikus yang hidup. Sel tersebut mengikuti garis waktu yang sama dengan neuron tikus inang, dan berdiferensiasi setelah sekitar satu minggu. Kemudian dia mencoba hal yang sama dengan neuron manusia, menanamkannya ke otak tikus. Yang membuatnya takjub, neuron manusia mampu menjaga waktunya sendiri. Butuh waktu hampir satu tahun untuk menjadi dewasa meskipun lingkungannya bersifat hewan pengerat.

“Hal ini memberi kami jawaban penting pertama, yaitu apa pun mekanisme waktunya, sebagian besar tampaknya terjadi di neuron itu sendiri,” kata Vanderhaeghen. “Bahkan jika Anda mengeluarkan sel dari cawan petri dan memasukkannya ke dalam organisme lain, mereka akan tetap menjaga garis waktunya.”

Namun, hampir tidak ada yang diketahui tentang mekanisme seluler yang mendasarinya hingga beberapa tahun yang lalu.

Vanderhaeghen mulai memikirkan dari mana bahan penyusun neuron berasal. “Untuk membuat neuron, ibarat membangun gedung yang super rumit,” ujarnya. “Anda memerlukan logistik yang baik.” Sel tidak hanya membutuhkan energi tetapi juga sumber bahan mentah untuk tumbuh dan membelah.

Dia menduga mitokondria mungkin menyediakan bahan-bahan penyusun ini. Organel adalah kunci pertumbuhan dan metabolisme sel. Mereka menghasilkan energi, sehingga mereka mendapat julukan “pembangkit tenaga sel,” dan mereka juga menghasilkan metabolit yang penting untuk membangun asam amino dan nukleotida serta untuk mengatur ekspresi gen.

Pandangan klasik tentang mitokondria adalah bahwa mitokondria tidak berubah sepanjang masa hidup sel. “Mereka hanyalah sosis kecil yang indah dan indah di dalam sel, dan mereka memberikan energi,” kata Vanderhaeghen. Tapi ketika dia dan Ryohei Iwata, seorang sarjana pascadoktoral di laboratoriumnya, mengamati lebih dekat perkembangan neuron, mereka melihat bahwa mitokondria juga memerlukan waktu untuk berkembang.

Neuron muda, mereka melaporkan Ilmu, memiliki sedikit mitokondria, dan mitokondria yang dimilikinya terfragmentasi dan menghasilkan sedikit energi. Kemudian, seiring dengan matangnya neuron, mitokondria bertambah dalam jumlah, ukuran, dan aktivitas metabolisme. Terlebih lagi, perubahan terjadi lebih cepat pada tikus dibandingkan pada manusia. Pada dasarnya, sistem ini berskala: Pematangan mitokondria tetap sinkron dengan pematangan neuron pada kedua spesies.

Penemuan ini menurut Vanderhaeghen dan Iwata merupakan hal yang penting. Dan hal ini membuat mereka bertanya-tanya apakah mitokondria bisa menjadi penggerak tenang yang mendorong perbedaan besar dalam tempo perkembangan antar spesies.

Cara Menumbuhkan Tulang Belakang

Salah satu model klasik untuk mempelajari laju perkembangan embrio adalah pola tulang belakang. Semua vertebrata memiliki tulang belakang yang terdiri dari serangkaian segmen tulang belakang, tetapi spesies berbeda-beda dalam jumlah dan ukurannya. Oleh karena itu, timbul pertanyaan wajar mengenai mekanisme perkembangan yang memunculkan ciri penting vertebrata ini dan banyaknya variasinya di seluruh dunia hewan.

Pada tahun 1997, ahli biologi perkembangan Olivier Pourquie, sekarang di Harvard Medical School, pertama kali menemukan osilator molekuler yang disebut jam segmentasi yang menggerakkan mekanisme yang membentuk pola tulang belakang vertebrata. Bekerja dengan embrio ayam, tim penelitinya mengidentifikasi pemain kunci yang diekspresikan secara ritmis selama pembentukan setiap segmen tulang belakang dalam jaringan embrio. Jam segmentasi memicu osilasi ekspresi gen, menyebabkan sel berfluktuasi dalam responsnya terhadap sinyal muka gelombang yang bergerak dari kepala ke ekor. Ketika muka gelombang bertemu dengan sel-sel responsif, sebuah segmen terbentuk. Dengan cara ini, mekanisme jam dan muka gelombang mengontrol organisasi periodik tulang belakang.

Gen yang mengatur jam segmentasi dilestarikan di seluruh spesies. Namun, periode jam — waktu antara dua puncak dalam suatu osilasi — tidak. Selama bertahun-tahun, ahli genetika perkembangan tidak dapat menjelaskan hal ini: Mereka tidak memiliki alat genetik untuk memanipulasi jam secara tepat pada embrio yang sedang tumbuh. Jadi, sekitar tahun 2008, Pourquié mulai mengembangkan metode untuk membedah mekanisme di laboratorium dengan lebih baik.

Pada saat itu, “kedengarannya seperti fiksi ilmiah,” katanya. Namun gagasan tersebut menjadi lebih masuk akal pada dekade berikutnya, ketika laboratorium Pourquié dan laboratorium lainnya di seluruh dunia belajar untuk membiakkan sel induk embrio dan bahkan membangun organoid — seperti retina, usus, atau otak mini — di dalam piring.

Pourquié dan Diaz Cuadros, yang saat itu merupakan mahasiswa pascasarjana, menemukan cara untuk mereproduksi jam pada sel induk tikus dan manusia. Dalam percobaan awal, mereka mengamati bahwa periode jam berjalan sekitar dua jam pada tikus, sedangkan dibutuhkan sekitar lima jam untuk menyelesaikan satu osilasi pada sel manusia. Ini adalah pertama kalinya seseorang mengidentifikasi periode jam segmentasi pada manusia.

Laboratorium lain juga melihat potensi kemajuan dalam biologi sel induk untuk menjawab pertanyaan lama tentang waktu perkembangan. Pada tahun 2020, dua kelompok penelitian — satu dipimpin oleh Miki Ebisuya di Laboratorium Biologi Molekuler Eropa di Barcelona dan yang lainnya oleh James Briscoe di Francis Crick Institute di London - secara independen menemukan bahwa proses molekuler dasar dalam sel tetap berjalan seiring dengan laju perkembangan. Mereka menerbitkan penelitian sisi by sisi in Ilmu.

Tim Ebisuya ingin memahami perbedaan laju reaksi molekuler – ekspresi gen dan degradasi protein – yang mendorong setiap siklus jam. Mereka menemukan bahwa kedua proses tersebut bekerja dua kali lebih cepat pada sel tikus dibandingkan pada sel manusia.

Briscoe malah mengamati perkembangan awal sumsum tulang belakang. Seperti siklus jam segmentasi, proses diferensiasi neuron – termasuk ekspresi urutan gen dan pemecahan protein – secara proporsional dilakukan pada manusia dibandingkan dengan tikus. “Dibutuhkan waktu dua hingga tiga kali lebih lama untuk mencapai tahap perkembangan yang sama dengan menggunakan sel induk embrio manusia,” kata Briscoe.

Seolah-olah, di dalam setiap sel, sebuah metronom terus berdetak. Dengan setiap ayunan pendulum, berbagai proses seluler – ekspresi gen, degradasi protein, diferensiasi sel, dan perkembangan embrio – semuanya berjalan cepat dan tepat waktu.

Tapi apakah ini aturan umum untuk semua vertebrata, selain tikus dan manusia? Untuk mengetahuinya, mahasiswa pascasarjana Ebisuya Jorge Lázaro menciptakan “kebun binatang sel induk”, rumah bagi sel-sel dari berbagai mamalia: tikus, kelinci, sapi, badak, manusia, dan marmoset. Ketika ia mereproduksi jam segmentasi setiap spesies, ia melihat bahwa kecepatan reaksi biokimia tetap selaras dengan periode jam segmentasi pada setiap spesies.

Terlebih lagi, tempo jam tidak sesuai dengan ukuran hewan. Sel tikus berosilasi lebih cepat dibandingkan sel badak, namun sel manusia berosilasi lebih lambat dibandingkan sel badak, dan sel marmoset memiliki osilasi paling lambat.

Temuan, diterbitkan dalam Cell Stem Cell pada bulan Juni, dikemukakan bahwa kecepatan reaksi biokimia dapat menjadi mekanisme universal untuk mengatur waktu perkembangan.

Mereka juga mendorong batas-batas aspek penting namun terabaikan dari dogma sentral biologi molekuler. “Kita berbicara tentang transkripsi, translasi, dan stabilitas protein,” kata Diaz-Cuadros. Semua orang berpikir bahwa hal tersebut sama pada semua spesies mamalia atau vertebrata, “tetapi sekarang yang kami katakan adalah bahwa kecepatan dogma utama bersifat spesifik pada spesies tertentu, dan menurut saya hal ini cukup menarik.”

Membuat atau Menghancurkan Protein

Oleh karena itu, jam tersebut harus berasal dari mekanisme yang menentukan laju reaksi biokimiawi antar spesies. Teresa Rayon ingin mengungkap asal-usulnya ketika dia menyaksikan neuron motorik berdiferensiasi di laboratoriumnya di London, tempat dia belajar di bawah bimbingan Briscoe.

Dia secara genetik merekayasa pengembangan neuron tikus dan manusia untuk mengekspresikan protein fluoresen, yang bersinar terang ketika dieksitasi oleh laser pada panjang gelombang yang tepat. Kemudian dia mengamati protein yang dimasukkan saat protein tersebut terdegradasi. Yang mengejutkannya, protein fluoresen yang sama terpecah lebih cepat di sel tikus dibandingkan sel manusia, sehingga menjaga waktu seiring dengan perkembangan neuron. Hal ini memberi kesan padanya bahwa sesuatu di lingkungan intraseluler menentukan tempo degradasi.

“Jika Anda bertanya kepada ahli biologi, 'Bagaimana Anda menentukan stabilitas suatu protein?' mereka akan memberitahu Anda bahwa itu tergantung pada urutannya,” kata Rayon, yang kini memimpin laboratoriumnya sendiri di Babraham Institute di Cambridge, Inggris. “Namun, kami menemukan bahwa sebenarnya tidak demikian. Kami pikir mungkin mesin yang mendegradasi protein mungkin berperan.”

Namun dia dan kelompoknya hanya mencari satu tipe sel saja. Jika tipe sel di berbagai jaringan berkembang dengan kecepatan berbeda, apakah protein di dalamnya akan terdegradasi dengan kecepatan berbeda pula?

Michael Dorrity di Laboratorium Biologi Molekuler Eropa di Heidelberg sedang menggali pertanyaan tersebut dengan memikirkan bagaimana suhu mempengaruhi perkembangan. Banyak hewan, mulai dari serangga hingga ikan, berkembang lebih cepat jika dipelihara pada suhu yang lebih tinggi. Menariknya, ia mengamati bahwa pada embrio ikan zebra yang dibesarkan di lingkungan hangat, tempo perkembangan beberapa jenis sel meningkat lebih cepat dibandingkan jenis sel lainnya.

In pracetak dia memposting tahun lalu, dia membahas penjelasan yang melibatkan mesin yang membuat dan mendegradasi protein. Beberapa jenis sel memerlukan volume yang lebih besar atau protein yang lebih kompleks dibandingkan yang lain. Akibatnya, beberapa jenis sel secara kronis “memberikan beban pada mekanisme pengendalian kualitas protein ini,” katanya. Ketika suhu meningkat, mereka tidak memiliki kapasitas untuk memenuhi kebutuhan protein yang lebih tinggi, sehingga jam internal mereka gagal untuk mempercepat dan mengimbanginya.

Dalam hal ini, organisme tidak memiliki satu jam tunggal yang seragam, namun memiliki banyak jam untuk banyak jaringan dan tipe sel. Dari sudut pandang evolusi, hal ini bukanlah suatu penyakit, melainkan sebuah ciri: Ketika jaringan berkembang secara tidak sinkron satu sama lain, bagian-bagian tubuh dapat tumbuh dengan kecepatan yang berbeda-beda — yang dapat mengarah pada evolusi berbagai organisme atau bahkan spesies baru.

Seolah-olah mereka telah menemukan tombol pengatur metronom internal sel, yang memungkinkan mereka mempercepat atau memperlambat tempo perkembangan embrio. “Bukan perbedaan dalam arsitektur regulasi gen yang menjelaskan perbedaan waktu ini,” kata Pourquié. Temuannya adalah diterbitkan dalam Alam awal tahun ini.

Tombol pengatur metabolisme ini tidak terbatas pada embrio yang sedang berkembang. Iwata dan Vanderhaeghen, sementara itu, menemukan cara menggunakan obat-obatan dan genetika untuk mempermainkan tempo metabolisme neuron yang matang - sebuah proses yang, tidak seperti jam segmentasi, yang hanya berlangsung beberapa hari, membutuhkan waktu berminggu-minggu atau berbulan-bulan. Ketika neuron tikus dipaksa untuk menghasilkan energi lebih lambat, neuron tersebut juga matang lebih lambat. Sebaliknya, dengan menggeser neuron manusia secara farmakologis ke jalur yang lebih cepat, para peneliti dapat mempercepat pematangannya. Temuannya adalah diterbitkan dalam Ilmu di Januari.

Bagi Vanderhaeghen, kesimpulan eksperimen mereka jelas: “Laju metabolisme mendorong waktu perkembangan.”

Namun, meskipun metabolisme merupakan pengatur utama semua proses seluler lainnya, perbedaan tersebut harus kembali ke regulasi genetik. Ada kemungkinan bahwa mitokondria mempengaruhi waktu ekspresi gen perkembangan atau mereka yang terlibat dalam mesin pembuatan, pemeliharaan dan daur ulang protein.

Salah satu kemungkinannya, Vanderhaeghen berspekulasi, adalah bahwa metabolit dari mitokondria sangat penting untuk proses memadatkan atau memperluas lipatan DNA dalam genom sehingga dapat ditranskripsi untuk membangun protein. Mungkin, menurutnya, metabolit-metabolit tersebut membatasi laju transkripsi dan secara global menentukan laju aktif dan tidaknya jaringan pengatur gen. Namun, itu hanya satu gagasan yang perlu dibongkar secara eksperimental.

Ada juga pertanyaan tentang apa yang membuat mitokondria tergerak. Diaz Cuadros berpendapat bahwa jawabannya pasti terletak pada DNA: “Di suatu tempat dalam genom mereka, pasti ada perbedaan urutan antara tikus dan manusia yang menandai perbedaan dalam laju perkembangan tersebut.”

“Kami masih belum tahu di mana perbedaannya,” katanya. “Sayangnya kami masih sangat jauh dari itu.”

Menemukan jawaban tersebut mungkin membutuhkan waktu, dan seperti jam mitokondria, kemajuan ilmu pengetahuan berjalan dengan kecepatannya sendiri.

Koreksi, 18 September 2023
Dalam pendahuluan, sebuah kalimat direvisi untuk memperjelas bahwa laju ekspresi gen, bukan laju metabolisme keseluruhan, yang membantu mengarahkan tempo perkembangan. Artikel ini juga diperbarui untuk mengoreksi spesies mana di kebun binatang sel induk yang memiliki osilasi jam segmentasi tercepat dan paling lambat.