Temuan Pembelahan Sel Baru yang Rombak Buku Teks Biologi

PEMBELAHAN sel sangat mendasar bagi kehidupan, namun para ilmuwan kesulitan untuk sepenuhnya menjelaskan bagaimana hal itu bekerja pada tahap paling awal perkembangan embrionik, terutama pada hewan yang bertelur. Para peneliti dari kelompok Brugués di Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) di TUD Dresden University of Technology kini telah mengidentifikasi mekanisme yang sebelumnya tidak diketahui yang memungkinkan sel embrionik besar untuk membelah tanpa membentuk cincin kontraktil lengkap, yang selama ini dianggap penting untuk proses ini.

Temuan yang diterbitkan di Nature, menantang model buku teks tradisional dengan menunjukkan bagaimana komponen sitoskeleton dan sifat fisik interior sel (atau sitoplasma) bekerja bersama melalui mekanisme ‘ratchet’ untuk mendorong pembelahan.

Pada banyak organisme, sel membelah dengan membangun cincin yang terbuat dari protein aktin di titik tengah sel. Struktur ini mengencang seperti tali serut, menekan sel menjadi dua sel anak. Meskipun model tali serut ini berlaku secara luas, model ini tidak menjelaskan pembelahan pada spesies dengan sel embrionik yang sangat besar, termasuk hiu, platipus, burung, dan reptil.

Dalam kasus ini, ukuran sel yang sangat besar dan keberadaan kantung kuning telur yang besar mencegah cincin aktin menutup sepenuhnya. Selama bertahun-tahun, para peneliti telah bertanya-tanya bagaimana sel-sel yang berukuran sangat besar ini berhasil membelah.

“Dengan kuning telur yang begitu besar di dalam sel embrionik, ada kendala geometris. Bagaimana pita kontraktil, dengan ujung yang longgar, tetap stabil dan menghasilkan gaya yang cukup untuk membelah sel-sel besar ini?” tanya Alison Kickuth, seorang mahasiswa PhD yang baru saja lulus dari kelompok Brugués di Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) dan penulis utama studi ini dikutip dari Science Daily. Eksperimen tim, yang dilaporkan di Nature, memberikan jawabannya.

Ikan Zebra Ungkap Peran Stabilisasi Mikrotubulus

Untuk menyelidiki hal ini, para peneliti beralih ke embrio ikan zebra, yang berkembang dengan cepat dan juga mengandung sel-sel besar yang kaya kuning telur selama tahap awal. Dengan menggunakan laser untuk memotong pita aktin secara tepat, Alison menemukan bahwa pita tersebut terus bergerak ke dalam bahkan setelah dipotong. Ini menunjukkan bahwa pita tersebut ditopang di sepanjang panjangnya daripada hanya ditambatkan di ujungnya.

Tim juga mengamati bahwa mikrotubulus, bagian penting lain dari sitoskeleton, membengkok dan menyebar ketika pita aktin dipotong. Serat-serat ini tampaknya membantu menstabilkan pita saat mengencang. Untuk menguji pentingnya mikrotubulus, para peneliti mengganggu mikrotubulus dengan dua cara.

Mereka secara kimiawi menginduksi depolimerisasi (secara efektif menghentikan pembentukan mikrotubulus baru), dan mereka secara fisik mengganggu mikrotubulus dengan memasukkan tetesan minyak kecil sebagai penghalang. Dalam kedua kasus tersebut, pita aktin runtuh tanpa mikrotubulus, menunjukkan bahwa struktur ini memberikan dukungan mekanis dan sinyal yang penting selama pembentukan dan kontraksi pita.

Perubahan Kekakuan ­Sitoplasma Saat Siklus Sel

Sitoskeleton secara alami mengalami reorganisasi saat sel-sel melewati siklus sel. Siklus ini mencakup fase mitosis (fase M), ketika DNA dipisahkan, dan interfase, ketika sel tumbuh dan menduplikasi DNA-nya.

Setelah pemisahan DNA, struktur mikrotubulus besar yang disebut aster meluas ke seluruh sitoplasma. Selama interfase, aster ini membantu menentukan di mana pita aktin akan terbentuk, menandai lokasi pembelahan di masa depan.

Karena mikrotubulus dapat memengaruhi seberapa kaku sitoplasma, para peneliti bertanya apakah aster dapat membantu menahan pita aktin dengan memperkuat bagian dalam sel. Untuk mengukur ini, mereka menempatkan manik-manik magnetik di dalam sel dan melacak bagaimana manik-manik tersebut bergerak di bawah gaya magnet. Hal ini memungkinkan mereka untuk menilai perubahan kekakuan sitoplasma di berbagai tahap siklus sel.

Mereka menemukan bahwa sitoplasma menjadi lebih kaku selama interfase, menciptakan kerangka pendukung yang menstabilkan pita aktin. Namun, selama fase M, sitoplasma menjadi lebih cair, memungkinkan pita tersebut bergerak ke dalam di antara dua sel yang muncul. Pergeseran antara kekakuan dan fluiditas ini memainkan peran sentral dalam memungkinkan pembelahan.

Mekanisme Ratchet

Satu teka-teki tersisa. Jika sitoplasma menjadi lebih cair selama fase M, bagaimana pita aktin menghindari keruntuhan? Dengan melacak ujung pita dari waktu ke waktu, tim melihat bahwa pita tersebut memang menjadi tidak stabil saat berkontraksi selama fase M, tetapi tidak sepenuhnya gagal. Sebaliknya, retraksi parsialnya “diselamatkan” oleh kecepatan siklus sel embrionik awal yang cepat.

Ketika sel memasuki interfase berikutnya dan aster terbentuk kembali, sitoplasma mengeras kembali dan menstabilkan pita. Pita kemudian terus bergerak ke dalam selama fase cair berikutnya. Pola ketidakstabilan sementara yang diikuti oleh stabilisasi yang diperbarui ini berulang di beberapa siklus sel hingga sel sepenuhnya membelah.

Proses tersebut berfungsi seperti ‘ratchet mekanis’, secara bertahap memajukan pembelahan tanpa memerlukan cincin kontraktil yang tertutup sepenuhnya. Alih-alih menyelesaikan pembelahan dalam satu siklus, sel mencapainya langkah demi langkah melalui pergantian keadaan fisik sitoplasma.

“Mekanisme ratchet temporal secara fundamental mengubah pandangan kita tentang bagaimana sitokinesis bekerja,” tegas Jan Brugués, penulis utama studi tersebut. Para peneliti mengusulkan bahwa mekanisme ini memberikan solusi efektif untuk sel embrionik yang sangat besar yang membelah dengan cepat dan tidak dapat mengandalkan model konvensional.

“Ikan zebra merupakan kasus yang menarik, karena pembelahan sitoplasma dalam sel embrioniknya secara inheren tidak stabil. Untuk mengatasi ketidakstabilan ini, sel-sel mereka membelah dengan cepat, memungkinkan masuknya pita selama beberapa siklus sel dengan bergantian antara stabilitas dan fluidisasi hingga pembelahan selesai,” demikian Alison menyoroti temuan ini.

Karya ini memperkenalkan kerangka kerja baru untuk memahami pembelahan sel pada embrio besar yang kaya kuning telur dan dapat diterapkan pada banyak spesies yang bertelur. Ini juga menggarisbawahi pentingnya perubahan yang tepat waktu dalam sifat material sitoplasma dalam mengendalikan proses seluler. Wawasan seperti ini dapat membentuk kembali cara para ilmuwan mempelajari perkembangan awal di berbagai organisme. hay