Apakah hanya ada satu konfigurasi optimal yang dapat dicapai suatu organisme selama evolusi? Apakah ada rumus tunggal yang menggambarkan lintasan menuju optimal? Dan bisakah kita 'menurunkannya' secara teoritis saja? Tim peneliti, termasuk dari Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA), punya jawabannya. Model matematis mereka memperkirakan bentuk tubuh ideal embrio awal lalat buah, menunjukkan bahwa evolusi mungkin mempunyai banyak pilihan optimal.
Ada hipotesis bahwa optimasi adalah rahasia dari banyak fenomena alam yang menakjubkan, yang menunjukkan bahwa dunia sedang didorong menuju keadaan energi minimal, keluaran paling efisien, atau kebugaran tertinggi. Entah itu kelompok ikan paus atau kumpulan sel-sel kecil, bahan penyusun kehidupan telah dipilih untuk mengatur diri sendiri mendekati efisiensi puncak.
Perkembangan embrio hewan, dari sekelompok kecil sel menjadi organisme multiseluler, mungkin juga telah dioptimalkan dan disesuaikan hingga mencapai sistem yang hampir sempurna. Namun, rumus matematika yang tepat untuk memprediksi struktur optimal masih sulit dipahami hingga saat ini.
Fisikawan dari Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA), Institut Kajian Lanjutan Frankfurt, dan Universitas Princeton kini menyajikan hal berikut: Sebuah model teoritis perkembangan embrio awal lalat buah, yang sedang dibuat selama hampir dua dekade. Dengan modelnya yang terperinci, mereka secara teoritis dapat memperoleh dan memprediksi 'kabel' optimal dari jaringan regulasi gen yang mengontrol proses perkembangan awal. Hasilnya dipublikasikan di PNAS.
Evolusi = Optimasi
Evolusi adalah kekuatan pendorong bagi setiap organisme. Mengingat lingkungannya, suatu organisme beradaptasi, bertahan, dan menahan tekanan selektif. “Adaptasi dapat dilihat sebagai proses optimasi, atau setidaknya sebagai proses yang memerlukan optimalisasi sifat dan fungsi tertentu,” jelas Thomas Sokolowski, penulis pertama studi tersebut. Dibandingkan dengan sistem fisik, dimana optimasi biasanya mengarah ke keadaan akhir dengan energi terendah, sistem biologis tampaknya memiliki beberapa solusi optimal untuk masalah yang sama. Misalnya, mata berevolusi secara independen pada berbagai hewan, namun struktur keseluruhannya sangat mirip antar spesies. “Mata dioptimalkan untuk fungsi objektif yang sama, yaitu penyerapan cahaya secara maksimal dan pengkodeannya ke dalam lonjakan saraf. Oleh karena itu, mata sangat ditentukan oleh hukum fisika. Perbedaan-perbedaan yang mencolok di antara hewan-hewan dapat dijelaskan oleh perbedaan-perbedaan dalam lingkungan di mana mereka berevolusi,” lanjut Sokolowski.
Juga untuk pengembangan berbagai embrio, banyak strategi berbeda yang telah dikembangkan. Semuanya memiliki hasil yang sama: rancangan tubuh yang sangat presisi dan dapat direproduksi. Meskipun strategi ini kemungkinan besar dibentuk dan ditingkatkan oleh evolusi untuk mencapai tujuan tertentu, cukup sulit untuk menentukan tujuan mana yang mendominasi proses pengoptimalan.
“Semakin jelas bagaimana embrio berkembang, namun tidak jelas fungsi matematika mana yang memandu sistem untuk bersatu,” kata Sokolowski. “Ini seperti menemukan jarum matematika di tumpukan jerami biologis.”
Lalat buah
Drosophila, sebagaimana para ahli biologi menyebutnya, adalah organisme yang dipelajari secara luas, mungkin paling dikenal karena karya Eric Wieschaus, Christiane Nüsslein-Volhard, dan Edward B. Lewis yang memenangkan Hadiah Nobel tahun 1995. Mereka mengidentifikasi gen-gen yang penting untuk perkembangan lalat yang benar, khususnya, apa yang disebut “gen celah” dan gradien morfogen (molekul pemberi sinyal) yang mengendalikannya.
Jaringan gen kesenjangan memainkan peran penting selama perkembangan sumbu kepala-ke-ekor embrio. “Sistem penentuan posisi genetik” ini membantu sel-sel individual memperoleh nasib yang tepat di tempat yang tepat, yang pada akhirnya membentuk tubuh lalat buah yang tersegmentasi. Berbagai tingkat aktivasi gen celah membentuk “kode posisi” yang sangat tepat di sepanjang sumbu ini, memberikan setiap sel informasi yang tepat tentang lokasinya di dalam embrio.
Waktu berlalu cepat
Dua puluh tahun yang lalu, karya William Bialek, Ga¨per Tkacik, Curtis Callan, Aleksandra Walczak, Thomas Gregor, dan lainnya menyatakan bahwa jaringan gen celah pada lalat buah telah disesuaikan oleh evolusi untuk menyediakan informasi posisi tinggi dengan molekul pemberi sinyal dalam jumlah terbatas, seperti memberikan sinyal GPS yang tepat dengan jumlah satelit terkecil. Oleh karena itu para ilmuwan mendapatkan ide kunci untuk menemukan fungsi matematika untuk menjelaskan fenomena ini.
Dalam upaya pertama, Tkacik dan rekannya melihat model teoretis yang disederhanakan yang hanya menerapkan sebagian mekanisme pengaturan jaringan gen kesenjangan. Mereka secara bertahap meningkatkan kompleksitas model agar lebih realistis. Meskipun model “mainan” ini tidak menangkap seluruh karakteristik gabungan dari sistem gen kesenjangan, model tersebut masih membuka jalan menuju upaya optimasi penuh.
“Pekerjaan awal kami menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk memperoleh prediksi nontrivial dan awalnya tidak terduga untuk interaksi regulasi gen dengan mengoptimalkannya untuk menghasilkan informasi maksimal di bawah batasan sumber daya biofisik dan molekuler yang realistis,” kata Tkacik.
Sementara itu, Thomas Sokolowski dan rekannya telah mempelajari model stokastik terperinci—model yang secara eksplisit mencakup keacakan—gen yang berinteraksi secara spasial serupa dengan gen kesenjangan. Sokolowski kemudian bergabung dengan kelompok Tkacik di ISTA pada tahun 2014, yang menciptakan peluang unik untuk menggabungkan pendekatan optimasi asli dengan pemodelan stokastik spasial yang terperinci. Bersama-sama, para ilmuwan dengan cepat berhasil menerapkan model stokastik spasial yang, di satu sisi, realistis terhadap apa yang terjadi pada lalat buah sebenarnya dan, di sisi lain, efisien secara komputasi.
Awalnya merupakan versi yang disederhanakan dengan hanya dua gen, model ini diperluas ke set lengkap empat gen celah yang berinteraksi dan tiga gradien morfogen, yang cocok untuk melakukan optimalisasi fitur lengkap pada sistem gen celah. “Hebatnya, jaringan optimal yang kami peroleh sangat cocok dengan fitur karakteristik profil ekspresi gen spasial yang diamati pada lalat buah asli,” lanjut Tkacik.
Banyak cara yang “optimal”.
Selain itu, para ilmuwan menemukan bahwa ada lebih dari satu cara optimal untuk menyandikan informasi posisi di jaringan celah. Kumpulan parameter biofisik yang berbeda dapat menghasilkan sifat optimal yang diperlukan dari sistem. Meskipun hanya sebagian kecil dari semua solusi yang mungkin secara fisik, solusi optimal masih menunjukkan variasi yang luar biasa.
“Kami yakin ini bukan sebuah kerugian, tapi sebuah keuntungan bagi evolusi, karena kesesuaian yang sama berpotensi dicapai melalui banyak jalur evolusi yang bisa dibayangkan,” saran Sokolowski. “Sementara evolusi yang mengarah ke Drosophila yang kita pelajari hari ini mengikuti satu jalur tertentu, fakta bahwa banyak jalur alternatif yang berpotensi ada mungkin telah memfasilitasi aksesnya ke organisme yang cocok.” Semakin banyak pilihan yang tersedia, semakin tinggi peluang untuk memilih yang fungsional.
Untuk memahami proses yang mengarah pada rencana fungsional tubuh secara lebih rinci dan mendapatkan representasi yang lebih akurat dari dinamika evolusi aktual, para peneliti akan memerlukan pemodelan tambahan yang lebih dari sekadar optimalisasi parameter numerik. Hal ini akan melibatkan pertimbangan faktor-faktor seperti pengaruh lingkungan atau mekanisme seleksi alam – sebuah pencarian yang menarik dan menantang untuk penelitian masa depan dalam biologi teoretis.
Publikasi:
TR Sokolowski, T. Gregor, W. Bialek & G. Tkacik. 2025. Mendapatkan jaringan regulasi genetik dari prinsip optimasi. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.2402925121
