Sel Tunggal Dapat Belajar: Penemuan Revolusioner dalam Biologi

Penelitian terbaru mengungkapkan bahwa sel-sel individu memiliki kemampuan untuk belajar, menyangkal gagasan bahwa perilaku belajar yang kompleks hanya terjadi pada organisme dengan sistem saraf.

Dengan menggunakan simulasi komputer, para peneliti menunjukkan bagaimana sel beradaptasi terhadap rangsangan berulang, menawarkan wawasan yang dapat merevolusi pengobatan penyakit dan penelitian biologi komputasi lebih lanjut.

Memikirkan Kembali Perilaku dan Pembelajaran Seluler

Sel-sel individu mungkin memiliki kemampuan untuk belajar, suatu sifat yang sebelumnya dianggap eksklusif hanya dimiliki hewan dengan otak dan sistem saraf yang kompleks. Penemuan inovatif ini berasal dari penelitian yang dilakukan oleh para peneliti di Center for Genomic Regulation (CRG) di Barcelona dan Harvard Medical School di Boston.

Diterbitkan pada 19 November di jurnal Biologi Saat Initemuan ini menantang asumsi lama tentang sifat dasar kehidupan dan dapat membentuk kembali pemahaman kita tentang perilaku seluler.

“Daripada mengikuti instruksi genetik yang telah diprogram sebelumnya, sel-sel diangkat menjadi entitas yang dilengkapi dengan bentuk pengambilan keputusan yang sangat mendasar berdasarkan pembelajaran dari lingkungannya,” jelas Jeremy Gunawardena, Associate Professor of Systems Biology di Harvard Medical School, dan rekan- penulis penelitian.

Memeriksa Habituasi Seluler

Studi tersebut mengamati pembiasaan, proses di mana suatu organisme secara bertahap berhenti merespons stimulus yang berulang. Itu sebabnya manusia tidak lagi memperhatikan detak jam atau tidak terlalu terganggu oleh kilatan cahaya. Bentuk pembelajaran terendah ini telah dipelajari secara ekstensif pada hewan dengan sistem saraf yang kompleks.

Apakah perilaku seperti pembelajaran seperti pembiasaan ada pada skala seluler adalah pertanyaan yang masih penuh kontroversi. Eksperimen awal abad ke-20 dengan ciliate bersel tunggal Stentor roeselii pertama kali menjelaskan perilaku yang menyerupai pembelajaran, namun penelitian tersebut diabaikan dan diabaikan pada saat itu. Pada tahun 1970-an dan 1980-an, tanda-tanda pembiasaan ditemukan pada ciliate lain, dan eksperimen modern terus menambah bobot teori tersebut.

“Makhluk ini sangat berbeda dengan hewan berotak. Untuk belajar berarti mereka menggunakan jaringan molekuler internal yang menjalankan fungsi serupa dengan yang dilakukan oleh jaringan neuron di otak. Tidak ada yang tahu bagaimana mereka bisa melakukan hal ini, jadi kami pikir ini adalah pertanyaan yang perlu dieksplorasi,” kata Rosa Martinez, salah satu penulis studi dan peneliti di Pusat Regulasi Genomik (CRG) di Barcelona.

Memahami Pemrosesan Informasi Seluler

Sel mengandalkan reaksi biokimia sebagai sarana pemrosesan informasi. Misalnya, penambahan atau penghapusan tag fosfat dari permukaan protein menyebabkannya aktif atau nonaktif. Untuk melacak bagaimana sel memproses informasi, alih-alih bekerja dengan sel di laboratorium, para peneliti menggunakan simulasi komputer berdasarkan persamaan matematika untuk memantau reaksi ini dan memecahkan kode 'bahasa' sel. Hal ini memungkinkan mereka untuk melihat bagaimana interaksi molekuler di dalam sel berubah ketika terkena stimulus yang sama berulang kali.

Secara khusus, penelitian ini mengamati dua sirkuit molekuler yang umum – putaran umpan balik negatif dan putaran umpan maju yang tidak koheren. Dalam umpan balik negatif, keluaran suatu proses menghambat produksinya sendiri, seperti termostat yang mematikan pemanas ketika ruangan mencapai suhu tertentu. Dalam loop umpan maju yang tidak koheren, sinyal secara bersamaan mengaktifkan proses dan penghambatnya, seperti lampu yang diaktifkan gerakan dengan pengatur waktu. Setelah mendeteksi gerakan, lampu mati secara otomatis setelah jangka waktu tertentu.

Wawasan Tentang Memori Seluler dan Pembiasaan

Simulasi menunjukkan bahwa sel menggunakan kombinasi setidaknya dua sirkuit molekuler ini untuk menyempurnakan respons mereka terhadap suatu stimulus dan mereproduksi semua ciri khas pembiasaan yang terlihat pada bentuk kehidupan yang lebih kompleks. Salah satu temuan utamanya adalah perlunya “pemisahan skala waktu” dalam perilaku sirkuit molekuler, di mana beberapa reaksi terjadi jauh lebih cepat dibandingkan reaksi lainnya.

“Kami pikir ini bisa menjadi semacam 'memori' pada tingkat sel, yang memungkinkan sel bereaksi dengan segera dan mempengaruhi respons di masa depan” jelas Dr. Martinez.

Menjembatani Ilmu Kognitif dan Ilmu Saraf

Temuan ini mungkin juga menjelaskan perdebatan lama antara ahli saraf dan peneliti kognitif. Selama bertahun-tahun, kedua kelompok ini mempunyai pandangan berbeda mengenai bagaimana kekuatan pembiasaan berhubungan dengan frekuensi atau intensitas rangsangan. Ahli saraf fokus pada perilaku yang dapat diamati, dan mencatat bahwa organisme menunjukkan pembiasaan yang lebih kuat dengan rangsangan yang lebih sering atau kurang intens.

Namun, para ilmuwan kognitif bersikeras untuk menguji adanya perubahan internal dan pembentukan memori setelah pembiasaan terjadi. Jika mengikuti metodologi mereka, pembiasaan tampaknya lebih kuat terhadap rangsangan yang lebih jarang atau lebih intens.

Studi ini menunjukkan bahwa perilaku model selaras dengan kedua pandangan tersebut. Selama pembiasaan, respons terhadap rangsangan yang lebih sering atau kurang intens berkurang, tetapi setelah pembiasaan, respons terhadap stimulus umum juga lebih kuat dalam kasus ini.

“Ilmuwan saraf dan ilmuwan kognitif telah mempelajari proses yang pada dasarnya merupakan dua sisi dari mata uang yang sama,” kata Gunawardena. “Kami percaya bahwa sel tunggal dapat menjadi alat yang ampuh untuk mempelajari dasar-dasar pembelajaran.”

Implikasi terhadap Penelitian dan Penerapan Biologi

Penelitian ini memperdalam pemahaman kita tentang bagaimana pembelajaran dan memori beroperasi pada tingkat kehidupan yang paling dasar. Jika sel tunggal dapat “mengingat”, hal ini juga dapat membantu menjelaskan bagaimana sel kanker mengembangkan resistensi terhadap kemoterapi atau bagaimana bakteri menjadi resisten terhadap antibiotik – situasi di mana sel tampaknya “belajar” dari lingkungannya.

Namun, prediksi tersebut perlu dikonfirmasi dengan data biologis dunia nyata. Studi ini menggunakan pemodelan matematika untuk mengeksplorasi konsep pembelajaran dalam sel karena memungkinkan mereka menguji banyak skenario berbeda dengan cepat untuk melihat skenario mana yang layak diselidiki lebih lanjut dalam eksperimen nyata.

Arah Masa Depan dalam Penelitian Biologi Seluler

Pekerjaan ini dapat menjadi landasan bagi para ilmuwan eksperimental untuk merancang eksperimen laboratorium dan menguji prediksi tersebut.

“Peluang besar dalam biologi komputasi adalah membuat kehidupan dapat diprogram seperti komputer, namun eksperimen di laboratorium bisa memakan biaya dan waktu,” kata Dr. Martinez, yang berbasis di Barcelona Collaboratorium, sebuah inisiatif gabungan antara CRG dan EMBL Barcelona dirancang khusus untuk memajukan penelitian berdasarkan pemodelan matematika untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan besar dalam biologi.

“Pendekatan kami dapat membantu kami memprioritaskan eksperimen mana yang paling mungkin memberikan hasil yang berharga, menghemat waktu dan sumber daya, serta mengarah pada terobosan baru,” tambahnya. “Kami pikir akan berguna untuk menjawab banyak pertanyaan mendasar lainnya.”

Untuk informasi lebih lanjut mengenai penelitian ini, lihat Sel Menunjukkan Kemampuan Belajar yang Mengejutkan.

Referensi: “Model pembiasaan yang masuk akal secara biokimia untuk pembelajaran sel tunggal” oleh Lina Eckert, Maria Sol Vidal-Saez, Ziyuan Zhao, Jordi Garcia-Ojalvo, Rosa Martinez-Corral dan Jeremy Gunawardena, 19 November 2024, Biologi Saat Ini.
DOI: 10.1016/j.cub.2024.10.041