Era Baru Biologi Amfibi: Ilmuwan Menggunakan Virus Untuk Mempelajari Perkembangan Sistem Saraf Katak
Para peneliti telah mengembangkan metode menggunakan virus untuk melacak perkembangan saraf pada katak, menyoroti evolusi sistem saraf vertebrata dan menawarkan wawasan perbandingan dengan mamalia.
Meskipun virus biasanya dikaitkan dengan penyakit, tidak semua virus berbahaya atau menyebabkan penyakit. Beberapa diantaranya berperan penting dalam perawatan terapeutik dan vaksinasi. Dalam penelitian ilmiah, virus sering digunakan untuk menginfeksi sel-sel tertentu, memodifikasinya secara genetik, atau memvisualisasikan neuron dalam sistem saraf pusat (SSP) suatu organisme—pusat komando yang terdiri dari otak, sumsum tulang belakang, dan saraf.
Proses penyorotan kini telah berhasil diterapkan pada amfibi, yang sangat penting untuk memahami otak dan sumsum tulang belakang tetrapoda—hewan berkaki empat, termasuk manusia. Hal ini telah ditunjukkan dalam studi baru oleh konsorsium EDGE internasional yang dipimpin bersama oleh Sweeney Lab di Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA) dan Tosches Lab di Universitas Kolombia.
Para peneliti mengembangkan metode baru yang menggunakan virus terkait adeno (AAV) untuk melacak sistem saraf katak selama metamorfosisnya—transisi perkembangan dari tahap awal kecebong ke bentuk dewasanya. Penelitian inovatif ini, baru-baru ini diterbitkan di Sel Perkembangandapat membantu mengantarkan neurobiologi amfibi ke era baru.
Dari Berenang hingga Berjalan: Mempelajari Metamorfosis
David Vijatovic dan Lora Sweeney memasuki laboratorium yang penuh dengan tangki air. Vijatovic mengetuk salah satunya. Di dalamnya, seekor katak cakar Afrika (Xenopus laevis) berbintik-bintik kecil berwarna coklat kehijauan muncul. Anggota tubuhnya menonjol, bermanuver dengan anggun dan mencengkeram sekelilingnya. Di akuarium lain, berudu berputar-putar menggunakan gerakan berenang sederhana. Sungguh luar biasa membayangkan yang satu berubah menjadi yang lain.
“Katak mengalami metamorfosis,” kata Sweeney, “menjadikannya organisme model yang bagus untuk mempelajari transisi antara dua mode pergerakan—berenang dan berjalan.” Perkembangan katak berlangsung selama 12 hingga 16 minggu, memberikan para ilmuwan waktu untuk mempelajari setiap tahap. Selama minggu-minggu ini, embrio katak berkembang menjadi kecebong muda, kecebong berkaki dua, dan katak muda berkaki empat sebelum mencapai tahap dewasa. “Dengan melihat beberapa tahap perkembangan, kita dapat menyelidiki perilaku lokomotif ini dan perubahan mendasar pada sistem saraf,” tambah Vijatovic.
Menguraikan Sirkuit Syaraf Katak
Sistem saraf suatu organisme disebut sirkuit saraf karena menyerupai sirkuit listrik. “Sel saraf (neuron) terhubung ke neuron lain, mengirimkan informasi listrik. Cara kita berperilaku, apa yang kita rasakan, dan cara kita berinteraksi dengan dunia adalah produk dari cara neuron kita berkomunikasi satu sama lain dalam sirkuit ini,” jelas Sweeney. Bagian penting adalah bagaimana rangkaian dihubungkan. Kita tahu bahwa neuron terhubung, tetapi neuron mana yang terhubung? Sel lain manakah yang diajak bicara oleh satu sel, dan pesan apa yang disampaikannya?
Untuk mengetahui lebih banyak tentang pengkabelan ini, para peneliti telah menggunakan virus, yang telah terbukti menjadi alat yang ampuh. Virus terkait Adeno (AAV) merupakan pilihan ideal dalam hal ini. Mereka non-patogen dan dapat menginfeksi berbagai jenis sel, termasuk neuron. AAV dapat dimodifikasi agar bersinar dalam warna neon hijau terang di bawah mikroskop saat mereka berjalan di sepanjang neuron, baik secara retrograde (mundur, dari sinapsis menuju badan sel) atau anterograde (maju, dari badan sel menuju sinapsis). Dengan kata lain, AAV dapat digunakan untuk menerangi sirkuit saraf dari ujung penyiaran ke ujung penerima atau sebaliknya.
“Ini adalah teknik umum yang digunakan dalam ilmu saraf, terutama pada organisme yang telah dipelajari dengan baik seperti tikus. Bagi hewan amfibi, hal itu dianggap tidak dapat dilakukan,” kata Vijatovic. Itu adalah kepercayaan umum sampai sekarang.
Mengatasi Hambatan Dengan Kolaborasi
Agar pelabelan AAV dapat diterapkan pada amfibi, Sweeney dan Vijatovic bekerja sama dengan tim ilmuwan internasional dari kelompok Maria Tosches di Universitas Columbia, tempat dua penulis pendamping penelitian lainnya, Eliza Jaeger dan Astrid Deryckere, bermarkas. Konsorsium tersebut juga beranggotakan peneliti dari Universitas Tel Aviv, Universitas Utah, Scripps Research Institute, dan California Institute of Technology. Para peneliti menyatukan pemikiran mereka, saling bertukar keahlian, mengunjungi konferensi, melakukan panggilan Zoom yang tak terhitung jumlahnya, dan menghasilkan perspektif dan ide yang berbeda. “Saat Anda mulai meneliti suatu organisme yang belum dipahami dengan baik, sangat menyenangkan memiliki komunitas tempat Anda dapat berbagi informasi,” kata Sweeney.
Mereka menyaring AAV yang ada untuk menemukan apa yang cocok untuk amfibi dan mengoptimalkan strategi penularan, yang pada akhirnya mengembangkan “panduan cara” untuk katak dan kadal air. Vijatovic merangkum perjalanan PhD-nya, “Kami memulai dengan berudu muda, kemudian berkembang menjadi berudu tua, dan akhirnya beralih ke katak remaja, kemudian katak dewasa, serta kadal air dewasa. Kami menyesuaikan alat ini untuk setiap tahap kehidupan.”
Wawasan Ilmu Saraf Manusia Dari Amfibi
Dengan teknik baru ini, para ilmuwan berhasil menerapkan AAV untuk melacak koneksi neuron pada amfibi. Hal ini akan membantu mereka mengetahui lebih banyak tentang perbandingan otak amfibi dengan otak mamalia. Selain itu, pendekatan baru ini juga membuka pintu untuk menganalisis perkembangan saraf lebih lanjut. Dengan beberapa varian AAV yang disaring, para peneliti dapat memberi label pada sel-sel nenek moyang pada titik waktu tertentu selama pengembangan sirkuit dan mengikuti sel-sel tersebut untuk melihat menjadi neuron apa mereka. “Dengan cara ini, kita dapat menyelesaikan seluruh rangkaian berdasarkan perkembangannya, melihat bagaimana perubahannya seiring waktu, dan bagaimana keseluruhan sistem saraf dibangun,” kata Sweeney.
Meskipun amfibi dan mamalia terakhir kali memiliki nenek moyang yang sama sekitar 360 juta tahun yang lalu, mereka memiliki ciri-ciri yang sama. “Dengan membandingkan detail sistem saraf katak dengan manusia, kita dapat melihat apa yang tidak kita miliki dan apa yang kita miliki,” lanjut Sweeney. Pengetahuan ini dapat membantu kita memahami bagaimana sistem saraf manusia menjadi terspesialisasi seiring berjalannya waktu. “Semakin baik kita memahami unsur-unsur dasar sistem saraf, semakin kita memahami bagaimana kita dapat menggantikannya ketika sakit dan cedera.”
Referensi: “Alat virus terkait Adeno untuk melacak perkembangan dan konektivitas saraf di seluruh amfibi” oleh Eliza CB Jaeger, David Vijatovic, Astrid Deryckere, Nikol Zorin, Akemi L. Nguyen, Georgiy Ivanian, Jamie Woych, Rebecca C. Arnold, Alonso Ortega Gurrola , Arik Shvartsman, Francesca Barbieri, Florina A. Toma, Hollis T. Cline, Timothy F. Shay, Darcy B. Kelley, Ayako Yamaguchi, Mark Shein-Idelson, Maria Antonietta Tosches dan Lora B. Sweeney, 26 November 2024, Sel Perkembangan.
DOI: 10.1016/j.devcel.2024.10.025
