Eksperimen yang diulang 600 kali menemukan petunjuk tentang rahasia evolusi

Di laboratorium di Atlanta, ribuan sel ragi berjuang untuk bertahan hidup setiap hari. Organisme yang hidup di hari lain tumbuh lebih cepat, bereproduksi lebih cepat, dan membentuk aglomerasi terbesar. Selama sekitar satu dekade, sel telah berevolusi untuk menempel satu sama lain, membentuk bentuk kepingan salju yang bercabang.

Kepingan salju yang aneh ini berada di pusat eksperimen yang mengeksplorasi apa yang mungkin terjadi jutaan tahun yang lalu ketika organisme bersel tunggal berkumpul menjadi multisel. Proses ini, bagaimanapun, akhirnya menghasilkan makhluk yang sangat tidak praktis dan aneh seperti gurita, burung unta, hamster, dan manusia.

Meskipun multiseluler diyakini telah berevolusi setidaknya 20 kali dalam sejarah kehidupan di Bumi, tidak jelas bagaimana organisme bertransisi dari satu sel ke banyak organisme yang berbagi nasib. Tapi di Sebuah makalah penelitian diterbitkan Rabu di jurnal NaturePeneliti mengungkap satu petunjuk bagaimana sel mulai membangun dirinya sendiri di dalam tubuh. Tim yang memproduksi ragi Snowflake menemukan bahwa lebih dari 3.000 generasi, gumpalan ragi telah tumbuh begitu besar sehingga dapat dilihat dengan mata telanjang. Sepanjang jalan, itu berevolusi dari bahan yang lembut dan licin menjadi sesuatu dengan kekerasan kayu.

Will Ratcliffe, seorang profesor di Georgia Tech, mulai bereksperimen dengan ragi saat dia masih di sekolah pascasarjana. Dia terinspirasi oleh Richard Lenski, ahli biologi Universitas Michigan, dan rekannya yang menumbuhkan 12 galur E. coli selama lebih dari 75.000 generasi dan mendokumentasikan sejak 1988 bagaimana populasi berubah. Dr. Ratcliffe bertanya-tanya apakah mempelajari evolusi yang mendorong sel untuk tetap bersatu dapat menjelaskan asal muasal multiselularitas.

“Semua garis keturunan yang kita ketahui telah berevolusi menjadi multiseluler,” katanya, “melakukan langkah ini ratusan juta tahun yang lalu.” “Dan kami tidak memiliki banyak informasi tentang bagaimana sel tunggal membentuk kelompok.”

Jadi dia melakukan percobaan sederhana. Setiap hari, dia akan memutar sel ragi dalam tabung reaksi, menyedot yang paling cepat tenggelam ke dasar, dan kemudian menggunakannya untuk menumbuhkan populasi ragi keesokan harinya. Dia beralasan bahwa jika ragi memilih individu atau kelompok sel terberat, akan ada insentif bagi ragi untuk mengembangkan cara agar tetap bersatu.

Dan itu berhasil: Dalam 60 hari, ragi kepingan salju telah muncul. Saat ragi ini membelah, berkat mutasi, mereka tidak sepenuhnya terpisah satu sama lain. Sebaliknya, mereka membentuk struktur bercabang dari sel yang identik secara genetik. Ragi telah menjadi multiseluler.

Tapi Ratcliffe menemukan bahwa kepingan salju, saat dia terus menyelidiki, tampaknya tidak menjadi sangat besar, dan tetap mikroskopis. Dia memuji Ozan Bozdag, seorang peneliti postdoctoral di kelompoknya, dengan terobosan dalam oksigen, atau hipoksia.

Bagi banyak makhluk hidup, oksigen berfungsi sebagai bahan bakar roket. Energi yang tersimpan dalam gula mudah diakses.

Dr Bozdag memberikan oksigen ke beberapa ragi dalam percobaan dan mentransplantasikan yang lain yang memiliki mutasi yang mencegah mereka untuk menggunakannya. Dia menemukan bahwa selama 600 transfer, ragi yang kekurangan oksigen meledak dalam volume. Kepingan salju mereka tumbuh dan tumbuh, akhirnya terlihat dengan mata telanjang. Pemeriksaan yang cermat terhadap formulasi mengungkapkan bahwa sel-sel ragi jauh lebih lama dari biasanya. Cabang-cabang telah tumbuh terjalin menjadi rumpun yang padat.

Para ilmuwan percaya bahwa kepadatan ini dapat menjelaskan mengapa oksigen menjadi penghalang pertumbuhan ragi. Untuk ragi yang dapat menggunakan oksigen, meningkatkan volumenya memiliki kerugian besar.

Selama kepingan salju tetap kecil, sel umumnya memiliki akses oksigen yang sama. Tapi tambalan yang besar dan padat berarti sel-sel di dalam setiap gumpalan terputus dari oksigen.

Ragi yang tidak dapat menggunakan oksigen, sebaliknya, tidak akan rugi apa-apa, sehingga menjadi besar. Hasilnya menunjukkan bahwa memberi makan semua sel dalam sebuah cluster adalah bagian penting dari pertukaran yang dihadapi suatu organisme saat menjadi multiseluler.

Kelompok yang dibentuk juga sulit.

“Jumlah energi yang dibutuhkan untuk memecahkan benda-benda ini telah meningkat lebih dari satu juta kali lipat,” kata Peter Junker, seorang profesor di Georgia Tech dan rekan penulis makalah tersebut.

Kekuatan ini mungkin menjadi kunci untuk langkah lain dalam pengembangan multiseluleritas – kata Dr. Ratcliffe – pengembangan sesuatu seperti sistem peredaran darah. Jika sel-sel dalam massa besar membutuhkan bantuan untuk mengakses nutrisi, kuncinya adalah benda yang cukup kuat untuk mengarahkan aliran cairan.

“Ini seperti menembakkan selang api ke massa ragi,” kata Dr. Juncker. Jika massa selulernya buruk, masuknya nutrisi ini akan menghancurkannya sebelum setiap sel dapat makan.

Tim tersebut sekarang sedang menyelidiki apakah gumpalan ragi kepingan salju yang padat dapat mengembangkan cara untuk mengantarkan nutrisi ke organ terdalam mereka. Jika ya, maka ragi ini dalam tabung reaksi mereka di Atlanta mungkin memberi tahu kita sesuatu tentang bagaimana rasanya, ribuan tahun yang lalu, ketika nenek moyang Anda dan banyak organisme di sekitar Anda mulai membangun tubuh dari sel.