Revolusi biologi? Kode bioelektrik di luar gen
(bitsofwonder.co)- Riset Michael Levin mengedepankan hipotesis bahwa perkembangan organisme tidak hanya dilihat secara berpusat pada gen, melainkan bahwa sel-sel mengoordinasikan struktur tubuh melalui jaringan bioelektrik
- Dalam eksperimen planaria, potensial membran istirahat sel dan keadaan listrik relatifnya terlibat dalam regenerasi kepala dan ekor, dan struktur tubuh dapat diubah dengan obat yang memblokir kanal ion tertentu
- Sebagian perubahan pada planaria bertahan tanpa penyuntingan gen, dan struktur berkepala dua diwariskan ke generasi berikutnya tanpa manipulasi tambahan
- Pendekatan yang sama diperluas ke anggota tubuh tambahan pada katak, mata di lokasi abnormal, biobot yang bergerak dan mereplikasi diri, serta biobot berbasis sel manusia yang menyembuhkan neuron yang rusak
- Jika sel, jaringan, dan organ juga dapat memiliki kecerdasan kolektif yang mengubah cara untuk mencapai tujuan, cakupan riset biomedis dan ilmu kognitif dapat meluas secara signifikan
Proses satu sel menjadi tubuh
- Agar satu zigot berkembang menjadi embrio dan organisme dewasa, perlu terbentuk penempatan dan koneksi tulang, kulit, otot, organ, serta sekitar 100 miliar neuron
- Mesin dirakit manusia dari komponen sesuai rancangan, tetapi dalam perkembangan biologis tidak ada pusat kendali sentral yang memandang seluruh tubuh dari atas dan memberi perintah ke tiap bagian
- Biologi konvensional umumnya dekat dengan struktur bottom-up, di mana mekanisme molekuler membentuk fungsi sel, lalu fungsi sel membentuk organ dan tubuh
- Setelah pengurutan genom manusia pada 2003, banyak riset berfokus pada bagaimana gen dan jalur kimia menentukan struktur biologis tingkat tinggi
- Inti gagasan Levin adalah bahwa gen memang memuat banyak informasi yang diperlukan untuk membentuk tubuh, tetapi bukan satu-satunya lapisan abstraksi untuk memahami dan mengintervensi perkembangan
- Dalam analogi pemrograman, gen lebih mirip machine code, sementara programmer modern menangani konstruksi tingkat lebih tinggi seperti objek, modul, dan aplikasi
- Dalam biologi juga ada lapisan kontrol tingkat atas yang bermakna, dan salah satu bentuknya adalah jaringan bioelektrik
Jaringan bioelektrik dan regenerasi planaria
- Neuron berkomunikasi dalam jaringan melalui pola listrik pada membran dan neurotransmiter, tetapi sel-sel di seluruh tubuh juga memiliki komponen komunikasi yang sama dan saling mengirim sinyal secara lebih lambat
- Levin dan rekan-rekannya menyebutnya jaringan bioelektrik untuk membedakannya dari jaringan saraf
- Planaria adalah organisme sepanjang sekitar 2 cm yang tidak menua, tidak terkena kanker, dan dapat meregenerasi tiap bagian tubuhnya bahkan jika tubuhnya dipotong menjadi lebih dari 250 bagian
- Pertanyaan utama dalam proses regenerasi adalah bagaimana tiap potongan mengetahui bagian mana yang sudah dimilikinya dan bagian mana yang harus dibuat baru
- Di seluruh sel tubuh terdapat gradien potensial membran istirahat
- Sel melacak posisinya di tubuh melalui keadaan listrik ini
- Eksperimen menunjukkan bahwa posisi keadaan listrik sel dibandingkan bagian tubuh lainnya terlibat dalam keputusan untuk meregenerasi kepala atau ekor
- Neoblasts, yaitu sel punca dewasa, juga penting bagi kemampuan regenerasi, dan sel-sel ini dapat mencapai hingga 30% dari tubuh planaria
- Tidak semua biolog sepakat bahwa jaringan bioelektrik memiliki peran sentral; Alfonso Martinez Arias berpendapat bahwa perhatian harus lebih difokuskan pada kemampuan sel punca
Eksperimen mengubah struktur tubuh tanpa mengubah gen
- Tim Levin menempatkan planaria dalam larutan berisi obat yang memblokir kanal ion tertentu untuk mengubah keadaan listrik sel, sehingga planaria membentuk bukan satu, melainkan dua kepala
- Dalam eksperimen sejenis, muncul juga hasil tanpa kepala sama sekali atau dengan kepala dari spesies cacing lain
- Cacing-cacing ini gennya tidak diedit dan semuanya merupakan organisme hidup yang fungsional, tetapi struktur tubuhnya berubah
- Sebagian perubahan bersifat menetap, sehingga planaria berkepala dua terus menghasilkan keturunan berkepala dua tanpa obat atau manipulasi tambahan
- Garis keturunan planaria tersebut bereproduksi melalui pembelahan, yaitu tubuhnya terbelah menjadi dua untuk berkembang biak
- Hasil ini menunjukkan bahwa perubahan permanen pada struktur tubuh dapat dibuat tanpa mengubah gen, dan dalam pandangan Levin ini merupakan pendekatan untuk mengurai kode bioelektrik tubuh
Kontrol perkembangan yang diperluas ke katak, mata, dan biobot
- Laboratorium Levin dan peneliti lain telah membuat berbagai contoh pengendalian perkembangan melalui pengaturan jaringan bioelektrik
- Mengembangkan anggota tubuh tambahan pada katak
- Membuat mata di usus katak, atau mata di ekor yang benar-benar bisa melihat
- Tujuan akhir yang dibayangkan Levin adalah kompiler anatomis yang, jika diberi input rancangan organ atau tubuh apa pun, menghasilkan kumpulan sinyal kimia dan listrik untuk membuat organ tersebut
- Gagasan ini menggunakan deskripsi tingkat tinggi seperti “mata tambahan di ekor”, alih-alih menentukan seluruh struktur mikroskopis secara rinci, dan dianalogikan dengan DALL-E untuk biologi
- Dalam jangka panjang, ada kemungkinan penerapannya pada masalah biomedis seperti trauma, cacat bawaan, penyakit degeneratif, kanker, dan penuaan
- Namun sistem seperti ini masih sangat spekulatif dan jauh kemungkinannya, dan proses pengembangannya dapat menimbulkan banyak persoalan etis
Kecerdasan dan adaptabilitas dalam proses perkembangan
- Dalam pandangan Levin yang lebih luas, “kecerdasan” dan “kognisi” tidak terbatas pada neuron otak, tetapi dapat diterapkan pada lebih banyak lapisan biologi
- Eksperimen yang menunjukkan bahwa organ wajah kecebong yang diacak secara manual dapat berpindah ke posisi yang tepat selama proses pematangan menunjukkan bahwa tubuh yang sedang berkembang dapat bergerak menuju kondisi target
- Situasi “picasso frogs” ini kecil kemungkinan terjadi dalam lingkungan evolusi, sehingga ditafsirkan sulit dianggap sebagai prosedur yang di-hardcode secara genetik untuk situasi tertentu
- Levin mendefinisikan kecerdasan sebagai kemampuan mencapai tujuan yang sama dengan cara berbeda
- Contoh terkait muncul pada berbagai lapisan biologis
- Jika embrio dibelah dua secara bedah, ia tidak berkembang menjadi dua tubuh separuh, melainkan menjadi dua kembar yang sehat
- Bahkan ketika sel salamander diperbesar secara artifisial, tubulus ginjal berkembang ke ukuran objektif yang sama dengan memakai jumlah sel lebih sedikit
- Jika sel menjadi lebih besar lagi, salamander bahkan dapat membentuk tubulus yang berupa satu sel yang menggulung ke dalam
Kreativitas, agensi, dan kecerdasan kolektif
- Sistem biologis bukan hanya memulihkan fungsi yang sama setelah terganggu, tetapi juga dapat mengadopsi fungsi baru jika diberi sinyal yang tepat
- Tim Levin memberi sinyal tertentu pada sel kulit embrio katak sehingga mereka bergerak sendiri dan membentuk biobot yang mereplikasi diri
- Kasus ini juga dilakukan tanpa manipulasi gen, melainkan dengan memberikan obat pada sel punca biasa
- Baru-baru ini, mereka membuat biobot bergerak dari sel jaringan paru manusia dewasa dan menunjukkan bahwa biobot ini dapat menyembuhkan neuron yang rusak
- Potensi aplikasinya mencakup menyerang sel kanker, membersihkan toksin lingkungan, dan menyembuhkan jaringan saraf yang mengalami degenerasi
- Levin berpendapat bahwa bahkan sebelum otak muncul, evolusi mungkin telah menemukan agensi dan pemrosesan informasi cerdas dalam subsistem seperti morfogenesis, koloni bakteri, dan jaringan gen
- Jika sel dan kumpulan sel dilihat sebagai sistem dengan kecerdasan bawaan, terbuka arah riset untuk memanfaatkan kecerdasan itu bagi tujuan yang diinginkan
Perluasan cakupan ilmu kognitif
- Jika otak, organ, dan sel memiliki komponen kognitif dasar yang sama, alat dan ide dapat dibagikan lintas bidang
- “Ilmu kognitif” dapat meluas melampaui riset neuron otak, mencakup semua jenis sel yang dikoordinasikan bersama, dan lebih luas lagi semua kolektif
- Sudah ada riset yang memandang kanker sebagai “gangguan identitas disosiatif” pada kumpulan sel, atau fenomena koloni semut yang mengalami jenis ilusi visual yang mirip dengan otak
- Levin memandang semua kecerdasan sebagai kecerdasan kolektif
- Berbagai kecerdasan terbentuk dari gabungan banyak subunit yang masing-masing memiliki kemampuan dan sub-kecerdasannya sendiri
- Individu manusia pun merupakan agregat dari sekitar 100 miliar neuron dan triliunan sel lain yang bekerja sama
- Tubuh adalah masyarakat sel, dan hubungan antara masyarakat manusia dan masyarakat sel di dalam tubuh mungkin lebih dari sekadar metafora
1 komentar
Komentar Hacker News
Sudut pandang Michael Levin cukup mendekati autopoiesis Humberto Maturana dan pemompaan proton Nick Lane
Autopoiesis bukan konsep yang mudah, tetapi salah satu gagasan intinya adalah bahwa pelestarian relasi yang memungkinkan komponen-komponen diri terus diisi ulang lebih penting daripada detail strukturnya. Bahwa planaria sangat adaptif bukanlah kabar baru
Nick Lane lebih menekankan bioenergetika dan pemompaan proton melintasi membran daripada DNA, dan dalam buku terbarunya, “Transformer”, ia membahas siklus Krebs dan mitokondria sebagai inti kehidupan. Lane sangat mudah dibaca, sementara Maturana cenderung nyaris sulit dipahami
Artikel yang dibahas menyenangkan untuk dibaca, tetapi saya merasa kurang nyaman dengan reduksi perkembangan menjadi “bioelektrik”. Meski ini merupakan sudut pandang yang saling melengkapi, saya tidak tahu apakah ia akan membawa kita lebih jauh daripada biologi molekuler perkembangan yang sudah lama ada
Sulit menemukan penulis di bidang lain yang bisa membuat kita belajar sebanyak ini tanpa terasa seperti kerja sungguhan
Jika kita beranjak dari sudut pandang yang berpusat pada massa menuju kelengkapan matematis radiasi elektromagnetik yang diidealkan dalam teknik elektro, menurut saya nilainya akan tampak dalam penerapan teoretis
Saya membuat simulasi pertumbuhan pohon dengan automata seluler yang dapat diprogram. Setiap sel menjalankan operasi seperti replikasi sesuai kondisi di sekitarnya serta usia/jumlah iterasi
Dengan teknik ini, organisme yang lebih kompleks juga bisa ditumbuhkan. Anda bisa mencobanya langsung di sini: https://acionescu.github.io/digitalfire/WebContent/
Ada fakta penting yang tersembunyi di catatan kaki 5. Dalam kasus planaria berkepala dua menghasilkan keturunan berkepala dua, mereka tidak bertelur, melainkan bereproduksi lewat pembelahan
Jadi sifat fisiologis ini tidak diwariskan melalui gen. Kalau diwariskan lewat gen, itu akan menjadi fakta Lamarckian yang cukup mengejutkan
Planaria umumnya menggunakan reproduksi seksual dan aseksual, yaitu baik melalui telur·sperma maupun dengan membelah tubuhnya
Gaya penulisan artikel ini agak berlebihan. Sudah ada banyak contoh bahwa gradien terlibat dalam pembentukan pola; potensial listrik hanya merupakan bidang riset yang relatif baru
Ada gradien kimia berbasis sinyal WNT dalam perkembangan lalat buah, gradien kimia SHH (sonic hedgehog) dalam pembentukan pola anggota tubuh dan asimetri sumbu tubuh, serta sinyal auksin dalam perkembangan tumbuhan
Makalah terkenal Alan Turing pada 1950-an juga membahas mekanisme reaksi-difusi untuk pembentukan pola. Agar evolusi dapat membuat pola yang dapat direproduksi, ia harus mulai dari suatu jenis gradien lalu menghubungkannya dengan transkripsi gen
Dalam kasus lalat buah, itu berupa pemicu kimia yang mencapai nukleus melalui sinyal WNT; dalam kasus cacing pipih, gradien polarisasi membranlah yang menggerakkan prosesnya, bukan gradien kimia. Pola yang bisa dibuat lewat depolarisasi listrik tampaknya lebih sederhana daripada interaksi kimia, karena kehilangan interaksi menarik yang muncul dari reaksi-difusi
Pada kenyataannya, keadaan yang digambarkan ditentukan oleh konsentrasi berbagai ion dan molekul di dalam maupun di luar tubuh hewan. Karena ion atom dan molekul bermuatan listrik terlibat, distribusi potensial muncul sebagai akibat perubahan konsentrasi kimia, dan potensial itu lebih merupakan mekanisme yang mengaitkan berbagai konsentrasi kimia satu sama lain
“Keadaan bioelektrik” yang sama, yaitu distribusi potensial yang sama, bisa muncul dari distribusi ion yang berbeda, dan meskipun secara kasatmata keadaan listriknya sama, perilaku sebenarnya kemungkinan bisa sangat berbeda
Ini mirip dengan semikonduktor: operasinya tidak bisa disimulasikan hanya dari distribusi muatan; berbagai konsentrasi pembawa muatan seperti elektron, hole, dan cacat kristal tetap harus dipertimbangkan secara terpisah
Saat organisme tumbuh, bagaimana sel mengetahui apa yang harus dilakukan dalam waktu dan ruang, dan bagaimana logika itu dikodekan dalam genom?
Eric Davidson melakukan pekerjaan perintis yang dengan cermat “men-debug” logika genomik ruang-waktu ini pada bulu babi, dan itu benar-benar menakjubkan. Eukariota seperti kita tidak hanya memiliki elemen regulasi tepat di hulu gen, tetapi juga elemen regulasi yang berjarak ratusan ribu pasangan basa
Pada wilayah DNA tepat sebelum open reading frame di awal gen, biasanya ada motif DNA tempat protein yang meningkatkan atau menurunkan ekspresi gen berikatan. Davidson dan kawan-kawan menunjukkan bahwa di atas faktor transkripsi yang berikatan dengan motif regulasi ini, ada lapisan protein lain yang berikatan lagi, lalu sekuens protein lapisan kedua itu merekrut lapisan protein ketiga yang secara kondisional mengatur ekspresi bergantung pada identitasnya
Lapisan kedua dan ketiga mengodekan hierarki operasi logika, sehingga secara harfiah dapat dilihat sebagai semacam abstraksi. Ikhtisar akses terbuka yang menjelaskan konsep ini lebih rinci bagi pembaca umum adalah “ERIC DAVIDSON: STEPS TO A GENE REGULATORY NETWORK FOR DEVELOPMENT” oleh Ellen Rothenberg: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4828313/
Untuk melihat logika yang telah diuraikan dalam bentuk pseudocode dan diagram, lihat “cis-Regulatory control circuits in development” oleh Howard dan Davidson: https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2004.03.031
Saya pernah menanyakan topik ini kepada LLM dengan bekal pengetahuan neurosains dasar yang berakar pada pemahaman tentang memori, pembelajaran, dan potensial aksi, tetapi karena risetnya masih kurang berkembang dan tersebar, sulit memastikan apakah jawabannya benar
Saya ingin tahu apa persisnya gradien tegangan itu, bagaimana ia berbeda dari potensial aksi, dan bagaimana proses tingkat sel terhubung dengan sistem yang lebih besar. Misalnya, apakah SHH digunakan bukan hanya untuk pembentukan pola tetapi juga untuk regenerasi anggota tubuh, apakah ia dorman pada anggota tubuh normal, apakah ini terjadi pada sel anggota tubuh atau sel otak, dan makalah mana yang menjelaskannya
Claude menjelaskan kanal proton berpintu tegangan Hv1 dalam regenerasi anggota tubuh amfibi, depolarisasi sel epitel di lokasi amputasi, gradien pH dan proton, gradien kalsium dan natrium, perambatan sinyal bioelektrik jarak jauh melalui gap junction, serta pola gradien tegangan dan ion yang menentukan hasil regenerasi
Ia juga menjawab bahwa gradien tegangan atau medan bioelektrik bukanlah satu nilai tegangan tunggal di satu titik, melainkan pola perbedaan tegangan yang terdistribusi secara spasial; sedangkan potensial aksi berbeda karena merupakan perbedaan tegangan di kedua sisi membran sel pada saat tertentu. Namun tetap terasa seolah ada sesuatu yang penting “disapu ke bawah karpet”
Berikut materi terkait. Ada yang lain?
Computational Boundary of a Self: Bioelectricity and Scale-Free Cognition (2019) - https://news.ycombinator.com/item?id=39244333 - Februari 2024
Brains are not required to think or solve problems – simple cells can do it - https://news.ycombinator.com/item?id=39127028 - Januari 2024
Bioelectricity, Biobots, and the Future of Biology [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=38423588 - November 2023
How bioelectricity could regrow limbs and organs - https://news.ycombinator.com/item?id=38027587 - Oktober 2023
M. Levin – Bioelectrical signals reveal, induce, and normalize cancer [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=37140965 - Agustus 2023
https://news.ycombinator.com/item?id=36912245 - Juli 2023
Aging as a morphostasis defect: a developmental bioelectricity perspective - https://news.ycombinator.com/item?id=36264719 - Juni 2023
Bioelectric networks: cognitive evolutionary scaling from physiology to mind - https://news.ycombinator.com/item?id=36009513 - Mei 2023
Bioelectric networks: from body intelligence to regenerative medicine - https://news.ycombinator.com/item?id=35763121 - April 2023
Non-neural, developmental bioelectricity as a precursor for cognition - https://news.ycombinator.com/item?id=33902641 - Desember 2022
Michael Levin: Intelligence Beyond the Brain (networked daptive morphogenesis~) - https://news.ycombinator.com/item?id=33217070 - Oktober 2022
Plasticity without genetic change – Michael Levin [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=32119375 - Juli 2022
Mike Levin on using bioelectricity to study how cells form (2019) - https://news.ycombinator.com/item?id=27819791 - Juli 2021
Persuading the Body to Regenerate Its Limbs - https://news.ycombinator.com/item?id=27062477 - Mei 2021
The Link Between Bioelectricity and Consciousness - https://news.ycombinator.com/item?id=26435281 - Maret 2021
Growing Neural Cellular Automata: A Differentiable Model of Morphogenesis - https://news.ycombinator.com/item?id=22300376 - Februari 2020
What Bodies Think About: Bioelectric Computation Outside the Nervous System - https://news.ycombinator.com/item?id=18736698 - Desember 2018
Brainless Embryos Suggest Bioelectricity Guides Growth - https://news.ycombinator.com/item?id=16589702 - Maret 2018
Memory in the Flesh: Can memories survive outside the brain? - https://news.ycombinator.com/item?id=9226391 - Maret 2015
Growing Neural Cellular Automata https://news.ycombinator.com/item?id=22300376, Februari 2020
Mengejutkan bahwa informasi yang diperlukan untuk membentuk manusia hanya sekitar 750MB bahkan tanpa kompresi. Misalnya termasuk hal yang sangat spesifik seperti bentuk tulang belikat, atau bahkan fobia laba-laba
Jika 10 zigot yang sama dimasukkan ke 10 orang yang berbeda, hasilnya bukan 10 manusia kloning seperti yang sering dibayangkan orang, melainkan 10 manusia yang berbeda. Ini karena bukan hanya genetika sang ibu, tetapi juga pola makan, gaya hidup, dan riwayat masa lalunya sangat memengaruhi perkembangan awal janin
Kita tidak tahu berapa banyak data yang dibutuhkan untuk mendeskripsikan sel hidup secara lengkap. Karena sel tidak bisa dibuat hanya dari DNA tanpa sel yang sudah ada, informasi yang diperlukan tidak hanya ada di DNA
Ketika sel membelah atau bereproduksi, seluruh nanorobot disalin dengan sedikit modifikasi. DNA memberi tahu bagaimana memodifikasi nanorobot yang disalin itu, dan sel apa pun juga bisa diprogram ulang ke keadaan awalnya
Tidak ada yang tahu cara membuat nanorobot berupa sel dari nol. Seperti program komputer tidak memuat instruksi untuk membuat komputer, informasi itu tidak ada di dalam DNA
Selain itu, kita masih baru menggores permukaan epigenetika
Ungkapan seperti “Karyanya telah ditampilkan di berbagai tempat, mulai dari Scientific American hingga podcast Lex Fridman dan The New Yorker” terasa aneh sebagai cara membicarakan pencapaian ilmiah
Jika dikatakan ia menerbitkan makalah di tempat seperti Lancet, Nature, atau Science, bobot ilmiahnya akan jelas. Namun ditampilkan di media sains populer, podcast terkenal, atau majalah untuk pembaca umum hanya menunjukkan seberapa baik riset itu dapat dijelaskan atau dipasarkan, bukan menunjukkan kekuatan risetnya
Bagian “membuat katak menumbuhkan anggota tubuh tambahan, atau membuat mata yang benar-benar dapat melihat pada usus atau ekor” menimbulkan dua reaksi yang saling bertentangan
Yang satu adalah “sains benar-benar menakjubkan!”, dan yang lain adalah “kasihan kataknya, mengerikan sekali”
Judulnya benar-benar buruk. Menurut saya judul yang lebih baik kira-kira Bioelectric Signals Guide Body Development and Regeneration
Ia menggunakan sel bronkus manusia, bukan sel paru-paru
Katanya, “karena itu adalah salah satu dari sedikit jaringan dalam tubuh yang memiliki silia motil”
Karena itu sel-sel tersebut bisa bergerak
[0] https://twitter.com/drmichaellevin/status/173042805284737055...