Ilmuwan Menemukan Komunikasi Mirip Radio pada Bakteri Purba
Cyanobacteria menggunakan prinsip mirip radio AM untuk mengoordinasikan pembelahan sel dengan ritme sirkadian, menyandikan informasi melalui modulasi amplitudo pulsa.
Cyanobacteria, kelompok bakteri fotosintetik kuno, telah ditemukan mengatur gen mereka menggunakan prinsip fisika yang sama dengan yang digunakan dalam transmisi radio AM.
Penelitian baru diterbitkan di Biologi Saat Ini telah menemukan bahwa cyanobacteria menggunakan variasi amplitudo (kekuatan) pulsa untuk menyampaikan informasi dalam sel tunggal. Temuan ini menyoroti bagaimana ritme biologis bekerja sama untuk mengatur proses seluler.
Dalam radio AM (modulasi amplitudo), gelombang dengan kekuatan dan frekuensi konstan – disebut gelombang pembawa – dihasilkan dari osilasi arus listrik. Sinyal audio, yang berisi informasi (seperti musik atau ucapan) untuk dikirimkan, ditumpangkan ke gelombang pembawa. Hal ini dilakukan dengan memvariasikan amplitudo gelombang pembawa sesuai dengan frekuensi sinyal audio.
Tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor James Locke di Laboratorium Sainsbury Universitas Cambridge (SLCU) dan Dr Bruno Martins di Laboratorium Sainsbury Universitas Warwick menemukan bahwa mekanisme serupa radio AM juga bekerja pada cyanobacteria.
Pada cyanobacteria, siklus pembelahan sel, proses dimana satu sel tumbuh dan membelah menjadi dua sel baru, bertindak sebagai 'sinyal pembawa'. Sinyal modulasi kemudian datang dari jam sirkadian 24 jam bakteri, yang bertindak sebagai mekanisme pengatur waktu internal.
Memecahkan Teka-teki Seluler yang Sudah Lama Ada
Temuan ini menjawab pertanyaan lama dalam biologi sel – bagaimana sel mengintegrasikan sinyal dari dua proses osilasi – siklus sel dan ritme sirkadian – yang beroperasi pada frekuensi berbeda? Hingga saat ini, masih belum jelas bagaimana kedua siklus ini dapat dikoordinasikan.
Untuk memecahkan teka-teki ini, tim peneliti menggunakan mikroskop selang waktu sel tunggal dan pemodelan matematika. Dengan mikroskop time-lapse, mereka melacak ekspresi protein, faktor sigma alternatif RpoD4. RPoD4 memainkan peran penting dalam inisiasi transkripsi, yaitu proses asal informasi genetik DNA ditranskripsikan ke dalam RNA. Pemodelan tersebut memungkinkan peneliti untuk mengeksplorasi mekanisme pemrosesan sinyal, membandingkan hasil pemodelan dengan data mikroskop. Tim menemukan RpoD4 diaktifkan dalam pulsa yang hanya terjadi pada pembelahan sel, menjadikannya kandidat ideal untuk pelacakan.
Penulis utama Dr Chao Ye menjelaskan: “Kami menemukan bahwa jam sirkadian menentukan seberapa kuat denyut ini dari waktu ke waktu. Dengan menggunakan strategi ini, sel dapat menyandikan informasi tentang dua sinyal osilasi dalam keluaran yang sama: informasi tentang siklus sel dalam frekuensi denyut, dan tentang waktu 24 jam dalam kekuatan denyut. Ini adalah pertama kalinya kami mengamati jam sirkadian menggunakan modulasi amplitudo pulsa, sebuah konsep yang biasanya dikaitkan dengan teknologi komunikasi, untuk mengontrol fungsi biologis.”
Implikasi Temuan
“Memvariasikan frekuensi siklus sel, melalui cahaya sekitar, atau jam sirkadian, melalui mutasi genetik, memvalidasi prinsip yang mendasarinya. Sangat mengejutkan melihat contoh-contoh dari apa yang kadang-kadang kita anggap sebagai aturan teknis 'kita',” kata rekan penulis Dr Martins. “Silsilah cyanobacterial berevolusi 2,7 miliar tahun yang lalu, dan memiliki solusi elegan untuk masalah pemrosesan informasi ini.”
Profesor Locke menambahkan: “Salah satu alasan kami mempelajari cyanobacteria adalah karena mereka memiliki jam sirkadian paling sederhana di antara organisme mana pun, jadi memahaminya menjadi dasar yang kita perlukan untuk memahami jam di organisme yang lebih kompleks, seperti manusia dan tanaman.
“Prinsip-prinsip ini dapat mempunyai implikasi yang lebih luas dalam biologi sintetik dan bioteknologi. Misalnya, hal ini dapat membantu kita mengembangkan tanaman yang lebih tahan terhadap perubahan kondisi lingkungan, yang berdampak pada pertanian dan keberlanjutan.”
Referensi: “Jam sirkadian cyanobacterial berpasangan dengan proses pulsatil menggunakan modulasi amplitudo pulsa” oleh Chao Ye, Chris N. Micklem, Teresa Saez, Arijit K. Das, Bruno MC Martins dan James CW Locke, 25 November 2024, Biologi Saat Ini.
DOI: 10.1016/j.cub.2024.10.047
Penelitian ini didanai oleh BBSRC, ERC, Gatsby Charitable Foundation dan Royal Society.
