Ada sebuah pertanyaan, bagaimana bentuk yang berbeda dari organ dan jaringan di tubuh kita dihasilkan? Untuk menjawab pertanyaan ini, tim dari University of Geneva (UNIGE), Swiss, memaksa sel otot agar secara spontan mereproduksi bentuk sederhana secara in vitro.
Dengan membatasi mereka pada cakram adhesi, ahli biokimia dan fisikawan mengamati bahwa sel-sel dengan cepat mengatur diri sendiri dengan menyelaraskan diri mereka ke arah yang sama. Sebuah gerakan melingkar dibuat di sekitar pusaran yang disebut cacat topologi, di mana dengan mengarahkan sel, memungkinkan mereka untuk bergabung, mengubah monolayer sel menjadi tonjolan, struktur yang biasanya diamati dalam perkembangan embrio.
Tonjolan silindris ini dipertahankan oleh gaya rotasi kolektif sel, menciptakan efek seperti tornado. Oleh karena itu, pembentukan tornado seluler ini merupakan mekanisme sederhana dari morfogenesis spontan, yang ditentukan oleh sifat unik dari rakitan multiseluler. Hasil studi ini sudah dipublikasikan di jurnal Nature Materials pada 10 Februari 2022 dengan judul "Integer topological defects organize stresses driving tissue morphogenesis".
"Dalam fisika teoretis, kita tahu bahwa jika ada batasan aktif antarsel, maka mereka akan mengatur diri mereka sendiri dan secara spontan mengadopsi perilaku kolektif yang dikenal sebagai 'muncul tiba-tiba', karena mereka tidak ada pada skala sel tunggal," jelas Karsten Kruse, profesor di departemen biokimia dan fisika teoretis di Fakultas Sains UNIGE.
Tubuh kita terdiri dari organ dan jaringan, masing-masing dengan bentuknya yang khas. Namun bagaimana sel bisa membentuk lipatan usus atau alveolus paru-paru? Apakah mungkin untuk menyusun kembali bentuk-bentuk ini secara in vitro? Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, ahli biokimia telah bergabung dengan fisikawan teoretis menguji kemampuan jaringan seluler untuk memodelkan diri secara spontan. Teori memprediksi bahwa salah satu perilaku yang muncul adalah adopsi bentuk tertentu oleh jaringan multiseluler. Hipotesis inilah yang ingin mereka uji secara in vitro.
Untuk melakukan ini, tim Jenewa memilih sel-sel otot manusia yang mampu berkontraksi dan yang bentuk batangnya memungkinkan mereka untuk menyelaraskan diri.
“Ketika sel-sel ditempatkan pada permukaan yang datar, mereka menyelaraskan diri dan membentuk struktur yang mirip dengan ladang gandum yang dilalui angin: ada tatanan keseluruhan dengan perubahan arah yang tiba-tiba di tempat-tempat yang tepat waktu. Perubahan arah ini disebut 'cacat topologi', mereka mewakili tempat di mana kekuatan fisik yang diberikan pada sel sangat lemah atau, sebaliknya, sangat besar,” kata Aurélien Roux, seorang profesor di Departemen Biokimia di Fakultas Sains UNIGE seperti yang dilaporkan Tech Explorist.
Jadi apa dampak cacat topologi ini pada bentuk jaringan? Untuk memahami peran mereka, tim interdisipliner menumbuhkan sel pada cakram adhesi. “Ini melibatkan membatasi sel-sel otot kita ke permukaan yang dikelilingi oleh molekul menjijikkan yang memaksa mereka untuk membentuk lingkaran,” jelas Roux. “Sel-sel dengan cepat mulai berputar bersama untuk membentuk spiral yang teratur. Kita bisa melihat pergerakan sel secara spontan, seperti ketika kerumunan orang dipaksa berjalan di sekitar ruangan dan akhirnya berjalan ke arah yang sama dengan mudah," lanjutnya.
“Dengan demikian, hanya satu cacat topologi yang tersisa di pusat lingkaran. Spiral, yang memusatkan kekuatan seluler di pusatnya, mengakumulasi sel-sel yang baru terbentuk di sana melalui pembelahan sel. Dengan demikian, spiral secara bertahap akan menjadi pusaran, menciptakan tonjolan di tengah cakram,” jelas Karsten Kruse. “Dan tonjolan ini bisa mencapai setengah milimeter, yang sangat besar untuk ukuran dasar yang tidak seperseratus milimeter. Oleh karena itu, tim Jenewa mengamati tornado seluler 3D kecil nyata yang berputar,” tambahnya.
Para peneliti menemukan bahwa sel-sel otot secara spontan membentuk struktur seperti tornado, yang menyerupai struktur yang diamati dalam perkembangan embrio, seperti jari atau lipatan lapisan usus
"Pengorganisasian diri spontan tanpa regulasi biokimia ini bisa menjadi tahap awal dalam pembentukan tonjolan dalam embrio," tutur Roux. Para ilmuwan juga menyoroti bahwa memang cacat topologi yang mengontrol organisasi sel dan menentukan bentuk yang akan mereka adopsi.
"Akhirnya, penelitian kami menunjukkan bahwa sel tidak luput dari hukum fisika, tetapi mengalami kendala yang sama seperti semua bahan, mereka mengeksploitasinya untuk memusatkan kekuatan mereka dan menciptakan bentuk yang hanya terlihat pada organisme hidup," tambah Kruse.
Kini, para peneliti akan mempelajari contoh-contoh sederhana dari embrio untuk membandingkannya dengan model teoritis dan eksperimen in vitro dan memahami kemungkinan mekanisme yang berbeda yang mengatur kekuatan dalam embrio.
No comments:
Post a Comment