Bagaimana Jaringan Dan Organ "Diukir" Selama Embriogenesis

Pernah bertanya-tanya bagaimana kelompok sel berhasil membangun jaringan dan organ Anda saat Anda hanyalah sebuah embrio?

Jaringan embrio Zebrafish menunjukkan batas sel (cyan: membran) dan tetesan magnetik yang digunakan untuk menyelidiki mekanisme jaringan (kuning: tetesan magnetik). Kredit: Alessandro Mongera

Dengan menggunakan teknik canggih yang dikembangkan, peneliti UC Santa Barbara, Otger Campàs dan kelompoknya telah memecahkan misteri lama ini, mengungkapkan proses yang menakjubkan tentang bagaimana embrio dibangun secara fisik. Tidak hanya membawa hipotesis berusia satu abad ke zaman modern, penelitian dan tekniknya memberikan para peneliti landasan untuk mempelajari pertanyaan lain yaitu kunci untuk kesehatan manusia, seperti bagaimana bentuk dan penyebaran kanker atau bagaimana cara merekayasa organ.

"Singkatnya, kami menemukan mekanisme fisik mendasar yang digunakan sel untuk membentuk jaringan embrionik ke dalam bentuk 3D fungsional mereka," kata Campàs, seorang profesor teknik mesin di UCSB College of Engineering yang memegang Ketua Duncan & Suzanne Mellichamp dalam Sistem Biologi. Kelompoknya menyelidiki bagaimana sistem kehidupan mengatur diri untuk membangun struktur dan bentuk yang luar biasa yang ditemukan di alam.

Sel berkoordinasi dengan bertukar sinyal biokimia, tetapi mereka juga memegang dan mendorong satu sama lain untuk membangun struktur tubuh yang kita butuhkan untuk hidup, seperti mata, paru-paru dan jantung. Dan ternyata membuat model embrio tidak jauh dari cetakan kaca atau pencetakan 3D. Dalam karya baru mereka yang diterbitkan dalam jurnal Nature, Campàs dan rekannya mengungkapkan bahwa sel-sel bersama-sama beralih dari cairan ke keadaan padat dengan cara yang terkontrol untuk membangun embrio vertebrata, dengan cara yang mirip dengan cara kami mencetak vas bunga atau cetak 3D barang-barang favorit kami dari kaca. Atau, jika Anda suka, kami mencetak model 3D kami sendiri dari dalam.

Sebagian besar benda dimulai sebagai cairan. Dari struktur logam hingga pencuci mulut gelatin, bentuknya dibuat dengan menuangkan bahan asli cair ke dalam cetakan, lalu mendinginkannya untuk mendapatkan benda padat yang kita gunakan. Seperti dalam patung kaca Chihuly, dibuat dengan meleburkan bagian-bagian gelas secara hati-hati untuk membentuknya kembali menjadi hidup, sel-sel di daerah tertentu dari embrio lebih aktif dan 'mencairkan' jaringan ke dalam keadaan cairan yang dapat direstrukturisasi. Setelah selesai, sel-sel 'mendinginkan' untuk menyelesaikan bentuk jaringan, jelas Campàs.

"Transisi dari cairan ke jaringan padat menyatakan bahwa kami amati dikenal dalam fisika sebagai jamming," kata Campàs. "Transisi Jamming adalah fenomena yang sangat umum yang terjadi ketika partikel dalam sistem yang tidak teratur, seperti busa, emulsi atau gelas, dipaksa bersama atau didinginkan."

Penemuan ini dimungkinkan oleh teknik yang sebelumnya dikembangkan oleh Campàs dan kelompoknya untuk mengukur kekuatan antara sel di dalam embrio, dan juga untuk mengerahkan kekuatan kecil pada sel saat mereka membangun jaringan dan organ. Menggunakan embrio ikan zebra, yang disukai untuk transparansi optik mereka tetapi berkembang seperti halnya manusia, para peneliti menempatkan tetesan kecil dari cairan ferromagnetik yang dirancang secara khusus di antara sel-sel jaringan yang sedang tumbuh. Tetesan tersebut berubah bentuk seperti sel di sekitar mereka, mendorong dan menarik, memungkinkan peneliti untuk melihat kekuatan yang diterapkan sel pada satu sama lain. Dan, dengan membuat tetesan magnet ini, mereka juga bisa memberi tekanan kecil pada sel di sekitarnya untuk melihat bagaimana jaringan akan merespon.

"Kami mampu mengukur jumlah fisik yang tidak dapat diukur sebelumnya, karena tantangan memasukkan miniatur alat pelacak dalam embrio kecil yang sedang berkembang," kata rekan postdoctoral Alessandro Mongera, yang merupakan penulis utama dari makalah ini.

"Ikan zebra, seperti vertebrata lainnya, memulainya dari sekelompok sel yang tidak berbentuk dan perlu mengubah tubuh menjadi bentuk yang memanjang, dengan kepala di satu ujung dan ekor di ujung yang lain. Reorganisasi fisik sel-sel di balik proses ini selalu menjadi misteri. Anehnya, para peneliti menemukan bahwa kumpulan sel yang membuat jaringan secara fisik seperti busa yang mengalami transisi selama pengembangan untuk 'membekukan' struktur jaringan dan mengatur bentuknya.” kata Campàs

Pengamatan ini mengkonfirmasi intuisi luar biasa yang dibuat oleh ahli matematika Skotlandia era Victoria, D'Arcy Thompson, 100 tahun yang lalu dalam karyanya yang berjudul "On Growth and Form."

"Dia yakin bahwa beberapa mekanisme fisik yang memberikan bentuk untuk bahan yang lembam juga berperan dalam membentuk organisme hidup. Hebatnya, dia membandingkan kelompok sel untuk busa dan bahkan pembentukan sel dan jaringan untuk ‘kerajinan gelembung kaca’. Satu abad yang lalu, tidak ada instrumen yang dapat secara langsung menguji ide-ide yang diajukan Thompson, meskipun karya Thompson terus dikutip hingga hari ini.” kata Campàs

Makalah ini juga memberikan titik lompatan dari mana para peneliti Kelompok Campàs dapat mulai membahas proses-proses perkembangan embrio dan bidang terkait lainnya, seperti bagaimana tumor, secara fisik menyerang jaringan di sekitarnya dan bagaimana merekayasa organ dengan bentuk 3D tertentu.

"Salah satu keunggulan kanker adalah transisi antara dua struktur jaringan yang berbeda. Transisi ini pada prinsipnya dapat dijelaskan sebagai saklar anomali dari keadaan seperti padat ke keadaan jaringan mirip cairan," Mongera menjelaskan. "Penelitian ini dapat membantu menjelaskan mekanisme yang mendasari pengalihan ini dan menyoroti beberapa target yang dapat dihentikan potensinya untuk mencegahnya."

Penelitian tentang proyek ini juga dilakukan oleh peneliti UCSB Payam Rowghanian, Hannah J. Gustafson, Elijah Shelton, David A. Kealhofer, Emmet K. Carn, Friedheim Serwane, Adam A. Lucio dan James Giammona.

Sumber:

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180905140232.htm