Jaringan saraf kecil cukup untuk mengendalikan ritme harian lalat buah, Drosophila melanogaster. Para peneliti di Universitas Würzburg telah menunjukkan bahwa hanya empat sel saraf khusus yang diperlukan untuk menggerakkan jam endogen hewan.
Hampir semua makhluk hidup mempunyai jam endogen yang memungkinkan mereka menyesuaikan perilaku dan fungsi tubuh dengan ritme alami siang dan malam. Ritme sirkadian ini dikendalikan oleh jaringan kompleks sel saraf khusus. Pada lalat buah, organisme model kunci untuk kronobiologi, jaringan jam ini terdiri dari sekitar 240 neuron. Sebagai perbandingan, puluhan ribu sel ini ditemukan pada mamalia, termasuk manusia.
Kompleksitas ini membuat penguraian fungsi sebenarnya dari alat pacu jantung menjadi sulit. Cara sel-sel ini berinteraksi, dan sel mana yang mengendalikan jaringan, telah menjadi bahan perdebatan sejak lama. Sampai saat ini, ahli kronobiologi berasumsi bahwa neuron tertentu yang terletak di sisi otak bertindak sebagai alat pacu jantung utama, yang menyinkronkan seluruh sistem. Namun, sebuah studi baru menunjukkan bahwa pengukuran waktu lebih didasarkan pada sekelompok kecil neuron jam yang berbeda, dan bahwa neuron lain dalam kelompok ini juga dapat mengambil fungsi sebagai alat pacu jantung utama.
Penelitian tersebut dilakukan oleh tim peneliti dari Ketua Neurobiologi dan Genetika di Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), yang dipimpin oleh Prof. Charlotte Förster, Profesor Senior Kronobiologi. Penulis pertama adalah Dr. Nils Reinhard, rekan peneliti di Ketua. Tim kini telah mempublikasikan hasilnya di jurnal PNAS – Proceedings of the National Academy of Sciences.
Less is More: Sirkuit Inti sebagai Alat Pacu Jantung
Untuk memahami prinsip dasar jaringan jam, tim peneliti menerapkan strategi sederhana: mereka menguji sistem yang disederhanakan secara radikal. “Dalam percobaan kami, kami memanipulasi jam endogen sehingga hanya aktif dalam kelompok kecil yang terdiri dari empat neuron spesifik, dua di antaranya terletak di setiap belahan otak,” jelas Nils Reinhard. Jam sirkadian dari 236 jam neuron lalat yang tersisa secara genetis “dibungkam”, yang berarti jam molekuler mereka tidak lagi berfungsi.
Hasilnya mencengangkan: “Keempat neuron ini saja sudah cukup untuk mempertahankan ritme aktivitas dasar lalat”, kata Reinhard. Faktanya, meski mengalami penurunan drastis, hewan-hewan tersebut menunjukkan perilaku khasnya, dengan satu fase aktivitas di pagi hari dan satu lagi di malam hari. Perilaku ini tetap bertahan meskipun tidak ada pengaruh lingkungan eksternal. Menurut para ilmuwan yang terlibat, hasil ini mengguncang fondasi model sebelumnya, karena alat pacu jantung utama jaringan jam tidak berperan aktif sebagai pencatat waktu dalam eksperimen yang menentukan ini.
Para peneliti juga mengidentifikasi jalur sinyal yang tepat yang digunakan oleh empat neuron jam ini untuk mengkomunikasikan informasi waktu mereka. Neuron menggunakan dua pembawa pesan kimia yang berbeda untuk aktivitas pagi dan sore hari:
- Aktivitas pagi hari: Neuron menggunakan neuropeptida CCHamide-1 (CCHa1).
- Aktivitas malam hari: Aktivitas ini dikendalikan oleh neurotransmitter klasik glutamat.
Eksperimen yang dilakukan oleh tim peneliti Würzburg menunjukkan bahwa sirkuit minimal ini memiliki semua alat yang diperlukan untuk mengatur ritme sirkadian basal. Neuron yang termasuk dalam jaringan minimal ini tampaknya berakar kuat pada sejarah perkembangan hewan.
Cetak Biru dari Perkembangan Awal
Wawasan penting tentang fungsi sistem saraf yang kompleks sering kali berasal dari perkembangan biologi. Hal serupa juga terjadi dalam penelitian ini: analisis menunjukkan bahwa empat neuron yang diperiksa merupakan bagian dari jaringan yang hanya terdiri dari 18 neuron yang sudah terbentuk sempurna pada tahap larva lalat. Sel-sel saraf yang lahir awal ini tetap ada hingga dewasa.
Para peneliti menarik kesimpulan penting dari hal ini: “Jaringan minimal ini membentuk semacam 'jam inti' yang terbentuk sejak dini dan cukup untuk menghasilkan ritme sirkadian mendasar pada lalat dewasa,” kata Nils Reinhard.
Banyaknya neuron jam tambahan yang ditambahkan pada tahap perkembangan selanjutnya mungkin menyempurnakan jam inti ini dengan mengintegrasikan rangsangan lingkungan eksternal dan memodulasi jaringan minimal. Hal ini memungkinkan lalat dewasa untuk menyesuaikan perilakunya secara fleksibel terhadap kondisi lingkungan yang lebih kompleks, seperti perubahan musim pada panjang hari.
Menjembatani Kesenjangan Antara Dua Model yang Bersaing
Penelitian ini menjembatani kesenjangan antara dua model yang sebelumnya bersaing dengan menunjukkan bahwa jam sirkadian memiliki hierarki yang jelas dengan alat pacu jantung utama serta properti seperti jaringan yang fleksibel untuk adaptasi. Menurut Nils Reinhard, prinsip jam inti yang diperluas dengan modulasi tambahan dapat menjadi prinsip organisasi universal pengukuran waktu biologis.
Pekerjaan ini adalah penelitian dasar. Temuannya membantu untuk memahami prinsip-prinsip dasar pengorganisasian dan fungsi jaringan jam. Pengamatan bahwa kompleksitas jam endogen meningkat selama perkembangan bukanlah kasus yang terisolasi. Peningkatan neuron jam juga diamati pada serangga lain, seperti lebah. Bahkan ada kesamaan pada mamalia: selama masa pubertas, neuron baru ditambahkan ke pusat jam di otak. Oleh karena itu, model “jam inti” yang berkembang secara bertahap juga dapat diterapkan pada organisme lain.
Publikasi Asli
Jam fungsional hanya di dua neuron jam punggung sudah cukup untuk mengembalikan pola aktivitas sirkadian basal Drosophila melanogaster. Nils Reinhard, Enrico Bertolini, Takuya Kuwahara, Manabu Sekiguchi, Dirk Rieger, Weihua Li, Paul H. Taghert, Taishi Yoshii, Charlotte Helfrich-Förster. PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2506164122
