Peneliti Simulasikan Gerakan Organisme Bersel Tunggal

Tim peneliti di TU Wien (Wina) telah berhasil mensimulasikan proses organisme bersel tunggal bergerak dalam arah yang diinginkan meskipun tidak memiliki otak atau sistem saraf. Sebelum perkembangan baru, peneliti tidak yakin bagaimana organisme kecil tersebut mampu melakukan proses tersebut.

Tim menghitung interaksi fisik antara model organisme sederhana dan lingkungannya, dengan yang terakhir merupakan cairan dengan komposisi kimia yang tidak seragam yang mengandung sumber makanan yang tidak merata.

Penelitian ini diterbitkan dalam jurnal PNAS.

Organisme Simulasi

Peneliti melengkapi organisme simulasi dengan kemampuan untuk memproses data tentang makanan dan lingkungannya. Dengan mengandalkan algoritma pembelajaran mesin, pemrosesan informasi dapat dimodifikasi dan dioptimalkan dalam langkah evolusioner. Ini berarti bahwa peneliti mengembangkan organisme komputer yang mampu bergerak dan mencari makanan seperti organisme nyata.

Andreas Zöttl memimpin proyek penelitian di Institut Fisika Teoritis di TU Wien.

“Pada pandangan pertama, mengejutkan bahwa model sederhana seperti itu dapat menyelesaikan tugas yang sulit,” kata Zöttl. “Bakteri dapat menggunakan reseptor untuk menentukan arah mana, misalnya, konsentrasi oksigen atau nutrisi meningkat, dan informasi ini kemudian memicu gerakan ke arah yang diinginkan. Ini disebut kemotaksis.”

Sementara organisme multiseluler memiliki koneksi sel saraf, organisme bersel tunggal tidak memiliki sel saraf. Karena itu, mereka hanya dapat melakukan proses pemrosesan sederhana dalam sel.

“Untuk dapat menjelaskan ini, Anda perlu model fisik yang realistis untuk gerakan organisme bersel tunggal ini,” kata Zöttl. “Kami telah memilih model sederhana yang memungkinkan gerakan independen dalam cairan pertama kali. Organisme bersel tunggal kami terdiri dari tiga massa yang dihubungkan oleh otot sederhana. Pertanyaan sekarang muncul: dapatkah otot-otot ini diselaraskan sehingga seluruh organisme bergerak ke arah yang diinginkan? Dan di atas semua: dapatkah proses ini diwujudkan dengan cara sederhana, atau memerlukan kontrol yang rumit?”

Mengimplementasikan Model Komputer

Benedikt Hartl adalah orang yang mengimplementasikan model pada komputer.

“Meskipun organisme bersel tunggal tidak memiliki jaringan sel saraf — langkah logis yang menghubungkan ‘kesan sensorik’ dengan gerakannya dapat dijelaskan secara matematis dengan cara yang sama dengan jaringan saraf,” kata Hartl.

Organisme bersel tunggal memiliki koneksi logis antara elemen-elemen sel yang berbeda, dan gerakan terjadi ketika sinyal kimia dipicu.

Maximilian Hübl menyelesaikan beberapa perhitungan dalam penelitian.

“Unsur-unsur ini dan cara mereka mempengaruhi satu sama lain disimulasikan pada komputer dan disesuaikan dengan algoritma genetik: Generasi demi generasi, strategi gerakan organisme bersel tunggal virtual diubah sedikit,” laporkan Hübl.

Ketika organisme bersel tunggal berhasil mengarahkan gerakan mereka ke bahan kimia yang diinginkan, mereka diizinkan untuk “bereproduksi”, sedangkan yang tidak “punah”. Setelah melewati banyak generasi, evolusi terjadi dan jaringan kontrol muncul. Jaringan ini memungkinkan organisme bersel tunggal virtual untuk mengubah persepsi kimia menjadi gerakan yang ditargetkan, dan ini dilakukan dengan sederhana dan dengan rangkaian dasar.

“Anda tidak boleh berpikir tentang ini sebagai hewan yang sangat berkembang yang secara sadar mempersepsi sesuatu dan kemudian berlari ke arahnya,” kata Zöttl. “Ini lebih seperti gerakan goyangan acak. Tapi satu yang pada akhirnya menuju ke arah yang benar rata-rata. Dan itu tepat apa yang Anda amati pada organisme bersel tunggal di alam.”