[ad_1]
Sebuah studi baru dari Universitas Princeton menunjukkan bagaimana kadal anole coklat memecahkan salah satu masalah alam yang paling kompleks — pernapasan — dengan kesederhanaan yang elegan. Sementara paru-paru manusia berkembang selama berbulan-bulan dan bertahun-tahun menjadi struktur seperti pohon barok, paru-paru anole berkembang hanya dalam beberapa hari menjadi lobus kasar yang ditutupi dengan tonjolan bulat. Struktur seperti labu ini, meskipun jauh lebih halus, memungkinkan kadal untuk menukar oksigen dengan gas buangan seperti halnya paru-paru manusia. Dan karena mereka tumbuh dengan cepat dengan memanfaatkan proses mekanis sederhana, paru-paru anole memberikan inspirasi baru bagi para insinyur yang merancang bioteknologi canggih.
Paru-paru anole coklat berkembang melalui proses fisik yang oleh para peneliti disamakan dengan bola stres – mainan umum yang dapat diremas menjadi bentuk menggembung yang tak terhitung jumlahnya. Di paru-paru anole, tekanan cairan mendorong membran dalam yang melar (hijau) melalui jaring otot (merah muda), membentuk tonjolan berisi cairan dengan luas permukaan yang melimpah tempat pertukaran gas terjadi. Struktur sederhana ini memungkinkan kadal untuk menukar oksigen dengan gas buangan, seperti halnya paru-paru manusia, tetapi mereka tumbuh hanya dalam beberapa hari, sementara paru-paru manusia membutuhkan waktu berbulan-bulan untuk berkembang sepenuhnya. Ilustrasi oleh para peneliti
“Kelompok kami sangat tertarik untuk memahami perkembangan paru-paru untuk tujuan rekayasa,” kata Celeste Nelson, Profesor Keluarga Wilke dalam Bioteknologi dan peneliti utama a belajar diterbitkan dalam jurnal Science Advances. “Jika kita memahami bagaimana paru-paru membangun dirinya sendiri, maka mungkin kita dapat memanfaatkan mekanisme yang digunakan alam untuk meregenerasi atau merekayasa jaringan.”
Sementara paru-paru burung dan mamalia mengembangkan kompleksitas besar melalui percabangan tak berujung dan sinyal biokimia yang rumit, paru-paru coklat anole membentuk kompleksitas yang relatif sederhana melalui proses mekanis yang disamakan penulis dengan bola stres mesh – mainan umum yang ditemukan di laci meja dan video DIY. Studi ini adalah yang pertama untuk melihat perkembangan paru-paru reptil, menurut para peneliti.
Paru-paru anole mulai beberapa hari dalam perkembangan sebagai membran berongga dan memanjang yang dikelilingi oleh lapisan otot polos yang seragam. Selama perkembangan, sel-sel paru-paru mengeluarkan cairan, dan saat mereka melakukannya, membran bagian dalam perlahan mengembang dan menipis seperti balon. Tekanan mendorong otot polos, menyebabkannya mengencang dan menyebar menjadi berkas serat yang akhirnya membentuk jaring berbentuk sarang lebah. Tekanan cairan terus mendorong membran yang melar ke luar, menonjol melalui celah di jalinan otot dan membentuk bohlam berisi cairan yang menutupi paru-paru. Tonjolan tersebut menciptakan banyak area permukaan di mana pertukaran gas terjadi.
Dan itu saja.
Seluruh proses memakan waktu kurang dari dua hari dan selesai dalam minggu pertama inkubasi. Setelah kadal menetas, udara masuk di bagian atas paru-paru, berputar di sekitar rongga, lalu mengalir kembali.
Untuk para insinyur yang mencari jalan pintas alam demi kesehatan manusia, kecepatan dan kesederhanaan ini membuat paradigma desain baru yang radikal. Studi ini juga membuka jalan baru bagi para ilmuwan untuk mempelajari perkembangan reptil jauh lebih detail.
Ketika Nelson pertama kali mulai mempelajari paru-paru ayam pada akhir 2000-an, kebijaksanaan konvensional menyatakan bahwa “paru-paru ayam sama dengan paru-paru tikus sama dengan paru-paru manusia,” kata Nelson. “Dan itu tidak benar.”
Ingin menghilangkan asumsi tersebut, dia membimbing timnya untuk mengajukan pertanyaan mendasar tentang bagaimana paru-paru dari berbagai kelas vertebrata membangun dirinya sendiri. “Arsitektur paru-paru burung sangat berbeda dari paru-paru mamalia,” kata Nelson. Misalnya, alih-alih diafragma, burung memiliki kantung udara yang tertanam di seluruh tubuhnya yang berfungsi sebagai penghembus.
Untuk mengadaptasi kompleksitas luar biasa dari paru-paru burung untuk alat yang dapat bermanfaat bagi kesehatan manusia, Nelson percaya bahwa sains perlu masuk lebih dalam. Alam telah memecahkan masalah pertukaran gas dengan dua sistem yang sangat berbeda. Bagaimana mereka terhubung? Dan mungkinkah ada sistem lain juga? Hal ini membawa timnya kembali ke masa evolusi untuk mencari asal usul yang sama. Dan di sana duduk reptil, melakukan apa yang reptil lakukan dengan sangat baik: bersembunyi di depan mata.
Ketika Michael Palmer bergabung dengan lab sebagai mahasiswa pascasarjana, dia menerima tantangan untuk mengatur penelitian ini — secara harfiah — dari bawah ke atas. Buaya terbukti terlalu kasar. Anoles hijau menolak untuk berkembang biak. Setelah bertahun-tahun melakukan pekerjaan pendahuluan, Palmer melakukan perjalanan ke Florida untuk menangkap anoles coklat liar pada akhir 2019. Dia dan rekannya berjalan melewati lumpur taman pinggiran kota, membalik bebatuan dan dedaunan di sepanjang tepi hutan. Mereka menggunakan perangkap yang terbuat dari benang gigi untuk menangkap sekitar selusin individu dan menempatkan mereka masing-masing di terarium kecil mereka sendiri. Mereka kemudian mengantar hewan dari Florida utara kembali ke Princeton, di mana dokter hewan Universitas dan staf sumber daya hewan membantu tim membangun fasilitas anole permanen.
Saat itulah Palmer mulai melihat telur untuk memetakan perkembangan paru-paru organisme. Bekerja dengan Andrej Košmrlj, asisten profesor teknik mesin dan kedirgantaraan, serta mahasiswa pascasarjana Anvitha Sudhakar, Palmer menggunakan pengamatannya untuk membangun model komputasi paru-paru dan memahami fisikanya.
“Kami ingin tahu apakah kami dapat mempelajari sesuatu tentang dasar-dasar perkembangan paru-paru dari mempelajari paru-paru yang begitu sederhana,” kata Palmer, yang meraih gelar Ph.D. di teknik kimia dan biologi awal tahun ini. Dia telah melihat bukti bahwa otot polos memainkan peran penting dalam sistem lain, tetapi dalam penelitian ini, dia dapat mengamati bagaimana hal itu bekerja secara langsung.
“Paru-paru kadal berkembang menggunakan mekanisme yang sangat fisik,” kata Palmer. “Suatu kaskade tegangan akibat tekanan dan tekuk akibat tekanan.” Dalam waktu kurang dari dua hari, organ berubah dari balon datar menjadi paru-paru yang terbentuk sepenuhnya. Dan prosesnya cukup sederhana sehingga Palmer dapat menggunakan model komputasinya untuk membuat replika kerja di lab. Sementara sistem yang direkayasa tidak cocok dengan kompleksitas penuh sistem kehidupan, itu mendekati.
Para peneliti melemparkan membran menggunakan bahan silikon yang disebut Ecoflex, yang biasa digunakan dalam industri film untuk riasan dan efek khusus. Mereka kemudian membungkus silikon itu dengan sel otot yang dicetak 3D untuk menciptakan jenis kerutan yang sama dalam silikon yang digelembungkan yang ditemukan Palmer di organ hidup. Mereka menemui hambatan teknis yang membatasi verisimilitude ciptaan mereka, tetapi pada akhirnya, itu sangat mirip dengan organ hidup.
Kadal halaman belakang yang sederhana itu telah mengilhami jenis baru paru-paru buatan dan kerangka kerja yang dapat disempurnakan oleh para insinyur menuju tujuan masa depan yang tidak dapat diketahui.
“Organisme yang berbeda memiliki struktur organ yang berbeda. Itu indah, dan kita bisa belajar banyak darinya,” kata Nelson. “Jika kami menghargai bahwa ada banyak keanekaragaman hayati yang tidak dapat kami lihat, dan kami mencoba memanfaatkannya, maka kami sebagai insinyur akan memiliki lebih banyak alat untuk mengatasi beberapa tantangan utama yang dihadapi masyarakat.”
Ditulis oleh Scott Lyon
Sumber: Universitas Princeton
[ad_2]
