Menjelajahi pertumbuhan dalam ruang terbatas

Menanamkan bakteri dalam bahan lunak menguji teori para peneliti tentang mekanika pertumbuhan.

Tanam tomat di dalam kotak persegi, dan Anda akan mendapatkan tomat persegi. Ini adalah eksperimen yang menunjukkan dengan jelas bagaimana kurungan dapat memengaruhi bentuk tubuh yang berkembang.

Sekarang, para peneliti MIT dan Universitas Yale telah mengembangkan kerangka kerja teoretis untuk menjelaskan mekanisme bagaimana tubuh yang tumbuh merespons pengurungan. Untuk menguji teori mereka, tim peneliti yang dipimpin oleh Tal Cohen, profesor teknik sipil dan lingkungan MIT dan teknik mesin, menumbuhkan bakteri kolera di dalam gel lunak, mengamati arsitektur bakteri yang berkembang. biofilm bakteri pada resolusi sel tunggal karena mereka tumbuh 10.000 kali lebih besar.

Mengikuti teori tersebut, biofilm mengadopsi jalur pertumbuhan yang mengoptimalkan bentuknya sebagai respons terhadap kurungan dan kerusakan pada gel di sekitarnya karena berubah bentuk untuk menampung biofilm, menurut studi diterbitkan di Jjurnal Mekanika dan Fisika Padatan.

Studi tentang masalah inklusi direvolusi pada 1950-an oleh ilmuwan Inggris John Eshelby, tetapi pekerjaan oleh Cohen dan rekan-rekannya merupakan langkah maju yang signifikan, kata Pradeep Sharma, Ketua Profesor Teknik Mesin MD Anderson di University of Houston.

“Salah satu batasan utama karya Eshelby adalah terbatas pada material yang hanya sedikit berubah bentuk. Namun, kami secara rutin menemukan konteks di mana deformasi hampir tidak ‘ringan,’” jelas Sharma, yang bukan bagian dari studi MIT-Yale. “Cohen dan rekan kerja dengan cerdik memecahkan masalah inklusi Eshelby untuk deformasi besar. Masalah penyertaan dalam materi lunak seperti gel, elastomer yang digunakan dalam robotika lunak, membran biologis, bagaimana sel berinteraksi dalam jaringan sekarang dapat diakses berkat makalah Cohen.”

Para peneliti ingin mempelajari lebih lanjut tentang bagaimana biofilm tumbuh, karena mereka dapat berkontribusi pada resistensi antibiotik dan pengotoran mekanis kapal dan sistem penyaringan air. Tetapi temuan oleh Cohen dan rekan juga berlaku untuk berbagai skenario pertumbuhan terbatas, dari pembentukan endapan di dalam paduan logam hingga tumor yang tumbuh di paru-paru.

Bola yang dihaluskan

Para ilmuwan telah mempelajari interaksi antara pertumbuhan dan tekanan lingkungan untuk tubuh terkurung atau inklusi selama 70 tahun. Studi-studi ini menggunakan kerangka kerja linier untuk memahami hubungan — semakin banyak kekuatan yang ditempatkan tubuh yang tumbuh pada batas-batasnya, semakin banyak perpindahan yang dialami batas-batas itu.

Tetapi perilaku material di dunia nyata jauh lebih rumit, Cohen menjelaskan. Didorong oleh tubuh yang tumbuh, batas yang membatasi mungkin menahan perpindahan, atau mungkin rusak. Hubungan tersebut selalu berkembang seiring dengan perubahan bentuk inklusi yang berinteraksi dengan respons yang berubah dari bahan penutupnya. Laboratorium Cohen mengkhususkan diri dalam mempelajari efek nonlinier ini pada bahan padat. Teori inklusi nonlinier yang dikembangkan oleh para peneliti memperkirakan perbedaan signifikan dalam bentuk inklusi tergantung pada lingkungan pertumbuhannya. Dalam kasus biofilm, bakteri membentuk bola oblate atau “halus” alih-alih bola biasa ketika bahan di sekitarnya lebih kaku.

Sistem eksperimental biofilm penting untuk menyempurnakan teori mereka, kata Cohen. “Sebenarnya mengamati deformasi besar yang terjadi secara internal dalam material dengan cara yang sangat terkontrol akan sangat sulit tanpanya.”

Eksperimen dan teori adalah titik awal, Cohen menambahkan. Misalnya, para peneliti juga ingin tahu tentang bagaimana teori mereka dapat menjelaskan cara nutrisi menyebar dalam sistem pertumbuhan, dan apakah “itu bisa menjelaskan kepada kita dengan lebih baik hubungan antara kendala dan pertumbuhan itu sendiri,” katanya.

Memahami bagaimana inklusi tumbuh – dan mungkin bagaimana dan mengapa mereka berhenti tumbuh, atau bagaimana mereka menyebabkan kerusakan di tubuh sekitarnya – bisa menjadi penting untuk mengatasi pertumbuhan tumor, sarannya. Teori ini juga dapat diterapkan pada pemrosesan logam, untuk lebih mengontrol pertumbuhan dan tekanan yang diciptakan oleh endapan dalam logam untuk membuat paduan dengan fitur yang berbeda.

Pendekatan yang berbeda untuk pertumbuhan

Contoh ekstrem dari biofilm bakteri yang tumbuh 10.000 kali lebih besar adalah inti dari laboratorium Cohen. Dia dan murid-muridnya tertarik pada apa yang terjadi pada materi ketika mereka didorong ke batas mereka. Dorongan bisa datang dari beban ekstrim, atau gelombang kejut, atau tekanan yang berkaitan dengan pertumbuhan.

Cohen mengatakan labnya melihat pertumbuhan dengan cara yang berbeda dari kebanyakan. Kebanyakan orang memulai dengan observasi. Mereka melihat pohon, misalnya, mereka berhipotesis tentang bagaimana pohon itu tumbuh, dan kemudian membuat teori yang mereproduksi pengamatan.

Cohen dan rekan-rekannya malah memulai dengan memeriksa dasar-dasar pertumbuhan itu sendiri. “Kami membedah sebuah sistem dan mencoba memahaminya secara mikroskopis,” katanya, “dan bertanya, ‘apa mekanisme dasar yang menghasilkan pertumbuhan di sini?’ Dan mudah-mudahan kita dapat menemukan prinsip-prinsip fisik yang menyebabkan morfologi yang berbeda.”

Para peneliti kemudian menanyakan sistem dengan prinsip-prinsip ini dapat tumbuh menjadi apa. Pendekatan terbuka ini, kata Cohen, membuat teori mereka berguna di berbagai masalah dalam biologi dan sistem fisik.

Ditulis oleh Becky Ham

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts