Kekuatan tak kasat mata memulai kehidupan

Para ilmuwan mempelajari bagaimana gaya gesekan mendorong evolusi organisme laut.

Ketika seorang pembuat tembikar mengerjakan roda yang berputar, gesekan antara tangan mereka dan tanah liat lunak membantu mereka membentuknya menjadi berbagai macam bentuk dan kreasi. Secara paralel, oosit laut (sel telur yang belum matang) memanfaatkan gesekan dalam kompartemen berbeda di dalam dirinya untuk mengalami perubahan perkembangan setelah pembuahan. Sebuah studi yang dilakukan oleh kelompok Heisenberg di Institut Sains dan Teknologi di Austria (ISTA), diterbitkan di Fisika alamsekarang menjelaskan cara kerjanya.

Semburan air laut menempel pada terumbu karang. Organisme laut adalah model yang sangat baik untuk mempelajari proses perkembangan vertebrata.

Keanekaragaman biota laut: dunia air laut

Laut penuh dengan bentuk kehidupan yang menakjubkan. Dari ganggang dan ikan berwarna-warni hingga siput laut dan squirt laut, dunia yang benar-benar berbeda muncul di bawah air. Semprotan laut, atau khususnya mangkuk, sangat tidak biasa: setelah tahap larva yang bergerak bebas, larva mengendap dan menempel pada permukaan keras seperti batu atau karang, mengembangkan tabung (sifon), yang merupakan ciri khasnya. Meski terlihat seperti gumpalan karet saat dewasa, mereka adalah kerabat invertebrata terdekat dengan manusia. Terutama pada tahap larva, ternyata sea squirt sangat mirip dengan kita.

Oleh karena itu, para petapa sering digunakan sebagai organisme model untuk mempelajari perkembangan embrio awal Vertebrata Kepunyaan manusia yang mana. “Meskipun ascidia menunjukkan ciri-ciri perkembangan dan morfologi dasar vertebrata, mereka juga memiliki kesederhanaan seluler dan genom yang khas pada vertebrata.” Invertebrata“Khususnya larva ascidian adalah model ideal untuk memahami perkembangan awal vertebrata,” jelas Carl Philipp Heisenberg, profesor di Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA).

Para peneliti memberi label protein aktin di korteks aktomiosin (kiri, pewarnaan hijau) dan mioplasma (kanan, pewarnaan biru) untuk memvisualisasikan pergerakannya setelah sel telur dibuahi. Ketika cangkang aktomiosin di bagian bawah sel telur bergerak, ia secara mekanis berinteraksi dengan mioplasma, menyebabkannya melengkung. Gesper akhirnya larut ke dalam kutub kontraksi. Kredit: © Caballero-Mancebo dkk./Fisika Alam

Karya terbaru kelompok penelitiannya, diterbitkan di Fisika alam, kini memberikan wawasan baru tentang perkembangannya. Hasilnya menunjukkan bahwa ketika telur pertapa dibuahi, gaya gesekan memainkan peran penting dalam merombak dan menata ulang bagian dalam telur, sehingga menandai langkah selanjutnya dalam tahap perkembangannya.

Menguraikan metamorfosis telur

Ovula adalah sel germinal betina yang terlibat dalam reproduksi. Setelah pembuahan berhasil oleh sperma pria, sel telur hewan biasanya mengalami reorganisasi sitoplasma, mengubah isi dan komponen selulernya. Proses ini memberikan cetak biru bagi perkembangan janin selanjutnya. Misalnya, dalam kasus petapa, modifikasi ini mengarah pada pembentukan tonjolan seperti lonceng – tonjolan kecil atau bentuk hidung – yang dikenal sebagai kutub kontraksi (CP), tempat zat-zat penting yang memfasilitasi pematangan janin terakumulasi. Namun mekanisme mendasar yang mendorong proses ini tidak diketahui.

Pembentukan kutub kontraksi. Selang waktu mikroskopis perubahan bentuk sel pada oosit yang ditransplantasikan xenograft setelah pembuahan: dari sel telur yang tidak dibuahi hingga inisiasi kutub kontraksi hingga pembentukan kutub kontraksi hingga reabsorpsi kutub kontraksi. Kredit: ©Caballero-Mancebo dkk./Fisika Alam

Sekelompok ilmuwan dari ISTA, Paris City University, CNRS, King's College London dan Sorbonne berupaya mengungkap misteri ini. Untuk upaya ini, Grup Heisenberg mengimpor ascidian dewasa dari Terminal Kelautan Roscoff di Perancis. Hampir semua sea squirt bersifat hermafrodit, karena mereka menghasilkan sel germinal jantan dan betina. “Di laboratorium, kami menyimpannya di tangki air asin di a Menggolongkan“Cara mudah untuk mendapatkan sel telur dan sperma untuk mempelajari perkembangan embrio awal mereka,” kata Silvia Caballero Mancebo, penulis pertama studi ini dan mantan mahasiswa doktoral di laboratorium Heisenberg.

Pembentukan kutub kontraksi. Selang waktu mikroskopis perubahan bentuk sel pada oosit pertapa setelah pembuahan: dari sel telur yang tidak dibuahi (gambar pertama dari kiri) hingga inisiasi kutub kontraksi (gambar kedua dan ketiga dari kiri) dan pembentukan kutub kontraksi (gambar keempat dari kiri). Kredit: © Caballero-Mancebo dkk./Fisika alam

Para ilmuwan menganalisis telur petapa yang telah dibuahi secara mikroskopis dan menyadari bahwa mereka mengikuti perubahan bentuk sel yang sangat dapat direproduksi yang mengarah pada pembentukan kutub kontraktil. Investigasi pertama para peneliti berfokus pada korteks aktomiosin (sel), struktur dinamis yang ditemukan di bawah membran sel pada sel hewan. Ini terdiri dari filamen aktin dan protein motorik, dan umumnya bertindak sebagai motor untuk perubahan bentuk sel.

“Kami menemukan bahwa ketika sel dibuahi, peningkatan ketegangan di korteks aktomiosin menyebabkan sel berkontraksi, memicu pergerakan (aliran), yang menyebabkan perubahan awal dalam bentuk sel,” lanjut Caballero-Mancebo. Namun, aliran aktomiosin berhenti selama ekspansi kutub kontraksi, menunjukkan bahwa ada pemain tambahan yang bertanggung jawab atas penonjolan.

Silvia Caballero Mancebo. Lulusan ISTA ini sangat senang memecahkan misteri alam dan mengubahnya menjadi novel. Kredit gambar: © Nadine Boncione/ISTA

Gaya gesekan mempengaruhi remodeling sel

Para ilmuwan mengamati lebih dekat komponen seluler lain yang mungkin berperan dalam perluasan kutub kontraksi. Saat melakukannya, mereka menemukan mioplasma, lapisan yang terdiri dari organel dan molekul intraseluler (bentuk terkait yang ditemukan di banyak telur vertebrata dan invertebrata), yang berpusat di wilayah bawah sel telur pertapa. “Lapisan spesifik ini berperilaku seperti bahan padat dan dapat diregangkan, berubah bentuk seiring dengan sel telur selama pembuahan,” jelas Caballero-Mancebo.

Carl Philipp Heisenberg di Institut Sains dan Teknologi di Austria (ISTA). Kelompok peneliti ahli biologi sel di ISTA mempelajari ikan sea squirt dan ikan zebra dan mencoba memahami bagaimana kelompok sel yang tidak terorganisir berubah menjadi bentuk yang rumit seiring perkembangannya. Kredit gambar: © Nadine Boncioni/ISTA

Selama aliran cangkang aktomiosin, mioplasma terlipat dan membentuk banyak gesper karena gaya gesekan yang ada antara kedua komponen. Ketika gerakan aktomiosin berhenti, gaya gesek juga hilang. “Penahanan ini pada akhirnya menyebabkan perluasan kutub kontraksi karena beberapa gesper mioplasma larut menjadi tonjolan berbentuk lonceng yang jelas,” tambah Caballero-Mancebo.

Studi ini memberikan wawasan baru tentang bagaimana kekuatan mekanik menentukan bentuk sel dan organisme. Hal ini menunjukkan bahwa gaya gesekan mempunyai peranan penting dalam pembentukan dan pembentukan organisme yang sedang berkembang. Namun, para ilmuwan baru mulai memahami peran spesifik gesekan dalam perkembangan embrio. “Mioplasma juga menarik karena terlibat dalam proses embrionik lainnya pada para pertapa,” tambah Heisenberg. “Menjelajahi sifat fisiknya yang tidak biasa dan memahami bagaimana ia berperan dalam pembentukan semprotan laut akan sangat menarik.”

Referensi: “Gaya gesekan menentukan reorganisasi sitoplasma dan perubahan bentuk oosit pada saat pembuahan” oleh Sylvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Stikari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaiden, Jack Mirren, Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris dan Carl Philipp Heisenberg, 9 Januari 2024, Fisika alam.
doi: 10.1038/s41567-023-02302-1