Menghirup Udara Segar: Bakteri yang Terkurung dalam Tetesan Membentuk Pola Kompleks

Bahkan dalam lingkungan yang tampak sederhana seperti setetes air, bakteri dapat menyusun dirinya menjadi pola atau susunan yang rumit. Melalui eksperimen, teori, dan pemodelan komputasi, para ilmuwan dari Caltech dan Princeton University menemukan bahwa cara sel-sel ini mengatur dirinya sendiri dipengaruhi oleh tingkat oksigen dan dapat diprediksi serta dikendalikan, sehingga memberikan wawasan yang dapat mengarah pada cara-cara baru untuk menargetkan infeksi.

“Bayangkan setetes cairan dengan bakteri yang berenang secara seragam di dalamnya, seperti lantai dansa bakteri,” kata Sujit Datta, profesor teknik kimia, bioteknologi, dan biofisika di Caltech. Bakteri secara alami terkurung di sekeliling tetesan air—situasi yang dapat diterapkan pada sel bakteri di lapisan cairan apa pun, seperti yang ditemukan di lapisan lendir paru-paru, atau di tetesan kecil kelembapan di tanah. Sel-sel membutuhkan oksigen untuk terus bergerak di lantai dansa.

“Jika jumlah bakteri tersebut cukup banyak di lantai dansa, bakteri yang berada di dekat perimeter akan mengonsumsi oksigen terlebih dahulu,” kata Datta. “Dan jika penurunan oksigen cukup besar, katakanlah, jika ada terlalu banyak bakteri atau tetesannya sangat besar, maka bakteri yang berada di tengah tidak mendapatkan cukup oksigen, dan mereka tertidur.” Sel-sel di tengah tetesan menjadi tidak aktif, membentuk inti padat yang dikelilingi oleh sel-sel keliling yang terus “menari” karena masih memiliki akses terhadap oksigen.

Datta dan rekan-rekannya menggambarkan pengamatan mereka terhadap pengaturan ini, dan mengapa mereka terbentuk, dalam sebuah makalah di jurnal PNAS. Penulis utama penelitian ini adalah Babak Vajdi Hokmabad, yang bekerja sebagai sarjana pascadoktoral di kelompok Datta.

Para ilmuwan menggunakan mikroskop fluoresensi confocal untuk mengamati bakteri dalam tetesan yang terperangkap dengan resolusi spasial tinggi dan dalam tiga dimensi. Yang mengejutkan, kata Datta, jika tetesannya cukup besar dan konsentrasi bakterinya cukup tinggi, susunan kompleks yang dibentuk oleh sel-sel yang tidak aktif dan masih aktif dapat dilihat dengan mata telanjang.

Dipandu oleh eksperimen, Datta dan timnya menyusun model matematika yang memanfaatkan ide-ide biologi, kimia, dan fisika untuk menjelaskan proses di balik apa yang mereka lihat. Melalui model dan eksperimen tambahan yang cermat, mereka kemudian dapat memprediksi kapan mereka dapat melihat bakteri dalam tetesan tertentu membentuk pola seperti ini dan mengamati bagaimana pengaturan tersebut dapat berubah seiring waktu.

“Yang menarik, ternyata sel-sel aktif bergerak menuju daerah dengan lebih banyak oksigen, dekat tepi tetesan. Dan dengan melakukan itu, mereka benar-benar dapat mengubah kecepatan masuknya oksigen,” jelas Datta. “Dalam beberapa kasus, dengan melakukan hal itu, mereka mendorong masuknya oksigen lebih lanjut, dan itu sebenarnya menyebabkan sel-sel yang tidak aktif akhirnya terbangun.”

Datta mengatakan pekerjaan ini menarik pada tingkat fundamental karena fisikawan biologi tertarik pada bagaimana organisme yang tampaknya sederhana dapat menciptakan struktur kompleks secara kolektif. Namun ada juga sejumlah bidang di mana temuan ini dapat diterapkan. Misalnya, katanya, bakteri aerobik dan anaerobik ditemukan di lapisan paru-paru. Bakteri anaerobik bisa sangat berbahaya karena mereka cenderung lebih tidak aktif secara metabolik, suatu keadaan yang memungkinkan mereka lebih efektif menghindari agen antimikroba. “Pertanyaannya adalah: Bisakah kita menghasilkan pedoman kuantitatif tentang bagaimana meningkatkan kemanjuran pengobatan antimikroba yang sering kali terlewatkan karena bergantung pada aktivitas metabolisme dan oksigen agar efektif?” kata Datta. “Kami baru saja menyentuh puncak gunung es, tapi itulah satu konteks yang menurut saya implikasi dari pekerjaan kami berguna.”

Penulis tambahan makalah ini, “Pengorganisasian mandiri spasial dari suspensi bakteri terbatas” adalah Alejandro Martínez-Calvo dan Sebastian Gonzalez La Corte dari Universitas Princeton.

Tautan Terkait

Mempelajari Benda Licin: Percakapan dengan Sujit Datta You Tube: Bakteri Tumbuh dalam Kabel dalam Cairan Polimer Seperti Bakteri Lendir dalam Polimer Membentuk Kabel yang Tumbuh Menjadi Gel Hidup