Sel minimal yang mengguncang definisi kehidupan

• Organisme uniseluler dengan genom yang sangat tereduksi telah ditemukan, dan menarik perhatian sebagai kasus yang mendorong kita memikirkan ulang definisi makhluk hidup
• Mikroorganisme ini kehilangan sebagian besar gen terkait metabolisme, sehingga tidak dapat memproses nutrisi atau tumbuh sendiri dan sepenuhnya bergantung pada sel inang
• Tim peneliti menamai arkea ini Candidatus Sukunaarchaeum mirabile, dengan genom sirkular berukuran 238 ribu pasangan basa
• Organisme ini hanya mempertahankan gen minimum yang diperlukan untuk replikasi diri, dan meski memiliki perangkat ekspresi dasar seperti ribosom, hampir tidak memiliki fungsi metabolik
• Penemuan ini memperluas batas minimum dan keragaman kehidupan seluler, serta mendorong peninjauan ulang batas antara kehidupan dan non-kehidupan

---

Struktur dasar kehidupan dan penemuan baru

• Sel adalah unit dasar kehidupan, dengan metabolisme, pertumbuhan, dan replikasi materi genetik yang selama ini dianggap sebagai fungsi inti
  • Namun, sel yang kali ini ditemukan tidak memiliki sebagian besar fungsi tersebut
• Organisme ini memiliki genom yang sangat kecil, dan hampir seluruh gen terkait metabolisme telah hilang
  • Ia tidak dapat memproses nutrisi atau tumbuh sendiri, dan harus bergantung pada inang atau komunitas sel
• Tim peneliti menilai organisme ini sebagai kasus yang mengguncang definisi kehidupan yang ada
  • Ini menunjukkan bahwa “sel tanpa metabolisme juga bisa ada”

Proses konfirmasi genom ultra-kecil

• Tim peneliti mengumpulkan dinoflagellata bernama Citharistes regius dari perairan Samudra Pasifik lalu menganalisisnya
  • Alga ini menyimpan sianobakteri simbion di dalam tubuhnya
• Dalam analisis genom, ditemukan urutan DNA arkea baru
  • Panjangnya 238.000 pasangan basa, sekitar setengah dari arkea minimum yang sebelumnya dikenal (Nanoarchaeum equitans)
• Setelah diverifikasi ulang dengan berbagai teknik dan perangkat lunak, dipastikan bahwa ini adalah genom sirkular lengkap
• Organisme baru ini diberi nama Candidatus Sukunaarchaeum mirabile
  • Namanya menggabungkan dewa kerdil dari mitologi Jepang, ‘Sukunabikona’, dan kata Latin untuk ‘ajaib’

Spektrum antara hidup dan hampir-hidup

• Sukunaarchaeum hanya memiliki protein terkait replikasi dalam jumlah minimum
  • Hampir tidak ada gen terkait metabolisme
• Ia termasuk dalam kelompok arkea DPANN, yang umumnya dikenal sebagai simbion yang menempel pada permukaan sel inang
  • Namun, di antara mereka, Sukunaarchaeum memiliki genom yang paling ekstrem tereduksi
• Sejumlah peneliti menganalisis bahwa organisme ini memiliki sifat parasitik
  • Ia tidak dapat menyediakan hasil metabolisme dan hanya memperoleh sumber daya dari inangnya secara sepihak
• Bakteri ultra-kecil lain, seperti Carsonella ruddii, memiliki genom yang lebih kecil, tetapi tetap mempertahankan fungsi metabolik untuk inangnya
  • Sebaliknya, Sukunaarchaeum menyisakan fungsi replikasi saja dan kehilangan fungsi metabolik
• Berbeda dari virus, ia memiliki sendiri perangkat ekspresi gen seperti ribosom
  • Karena itu, ia memiliki perbedaan mendasar dengan virus

Diskusi tentang definisi kehidupan

• Para peneliti menilai bahwa Sukunaarchaeum tidak mungkin bertahan hidup secara mandiri
  • Namun, organel seluler seperti mitokondria juga tidak dapat hidup mandiri, sehingga batas definisi kehidupan menjadi kabur
• Penemuan ini memunculkan pertanyaan filosofis dan biologis: “sejak kapan sesuatu dapat disebut hidup?”

Bentuk kehidupan minimum yang belum dikenal

• Sebagian besar genom Sukunaarchaeum tidak cocok dengan urutan yang sudah diketahui
  • Bagian ini menyandi protein besar dan mungkin terlibat dalam interaksi dengan inang
• Belum dipastikan apakah inang sebenarnya adalah C. regius atau arkea lain
  • Juga belum jelas apakah bentuknya menempel dari luar atau merupakan simbion internal
• Sejumlah peneliti mengemukakan kemungkinan bahwa gen metabolik berevolusi sangat cepat sehingga tidak dapat diidentifikasi
• Metode analisis yang ada dapat menganggap genom ultra-kecil seperti ini sebagai data tidak lengkap lalu mengecualikannya
  • Karena itu, organisme serupa mungkin sudah ada tetapi terlewatkan
• Hasil pencarian di basis data laut global tidak menemukan urutan yang identik, tetapi menemukan banyak urutan serupa
  • Sukunaarchaeum mungkin hanya sebagian kecil dari keragaman mikroba yang sangat besar
  • Mikroba saling memparasit satu sama lain dan membentuk jaringan hubungan ekologis yang kompleks

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Penemuan ini benar-benar mengesankan. Namun, ini adalah genom archaea terkecil, bukan yang terkecil di antara seluruh bakteri
  Makalahnya menyebut C. ruddii (159k pasangan basa), tetapi Nasuia deltocephalinicola tampaknya merupakan genom bakteri terkecil yang diketahui dengan 112k pasangan basa

  • Hal yang menarik adalah, organisme ultra-kecil lain menghasilkan metabolit untuk inangnya tetapi tidak dapat bereproduksi secara mandiri
    Sementara itu, Sukunaarchaeum yang ditemukan kali ini hanya membuat protein yang dibutuhkan untuk replikasi dirinya sendiri dan hampir tidak memiliki fungsi untuk inangnya
    Artinya, genom 238kbp ini hanya mengodekan protein minimum yang diperlukan untuk replikasi, dan hampir tidak memiliki gen terkait metabolisme
    Sebaliknya, bakteri 159kbp memiliki gen sintesis asam amino dan vitamin untuk inangnya
  • Jika dilihat lebih rinci, archaea mirip dengan bakteri tetapi termasuk dalam domain kehidupan yang sepenuhnya berbeda
  • Peluang 112k pasangan basa muncul secara kebetulan sebagai kombinasi yang bermakna nyaris mendekati nol
    Ada berbagai hipotesis tentang asal-usul kehidupan, tetapi ada juga kemungkinan bahwa kehidupan modern sudah “melahap habis” lingkungan tersebut
    Atau skenario yang lebih mendasar seperti asal-usul panspermia juga patut dipertimbangkan

• Muncul pertanyaan apakah replikasi adalah tindakan metabolik terpenting bagi makhluk hidup
  Sukunaarchaeum tidak dapat mensintesis nutrisi atau tumbuh sendiri, tetapi tetap mempertahankan gen yang diperlukan untuk replikasi
  Jadi, dengan menerima energi dan bahan dari inang, ia tetap dapat merakit salinan dirinya sendiri
  Rasa penasaran utamanya adalah seberapa “siap pakai” bentuk bahan mentah yang disediakan inang, dan bagaimana archaea ini memanfaatkannya untuk bereplikasi

  • Banyak organisme parasit juga menunjukkan ketergantungan serupa. Namun, kita tidak lantas menganggap mereka sebagai ‘bukan makhluk hidup’
    Pada akhirnya ini soal sampai batas mana sesuatu bisa disebut ‘mandiri’
  • Dalam beberapa hal, sel ini terasa seperti bentuk peralihan antara bakteri dan virus
    Seperti virus yang “membajak” mesin seluler inang, archaea ini juga sangat bergantung pada metabolisme inang

• Menanggapi pertanyaan “Bukankah ini virus?”, makalah aslinya memang menyatakan adanya gen yang mengodekan tRNA dan rRNA
  Ini adalah ciri biologis yang membedakannya dengan jelas dari virus
  Teks aslinya bisa dilihat di makalah bioRxiv

• Genom Carsonella ruddii berukuran sekitar 159.000 pasangan basa (sekitar 40KB), dan terasa seperti semacam ‘ukuran minimum firmware sel’
  Untuk sel sesederhana ini, saya jadi penasaran apakah mungkin fungsi setiap pasangan basanya dapat ditafsirkan sepenuhnya
  Akan menarik jika dibuat situs web interaktif yang memvisualisasikan hal itu

  • Saya juga penasaran apakah ahli genetika menghitung metilasi epigenetik (epigenetic methylation) sebagai bagian dari informasi genetik
  • Genom ultra-kecil seperti ini terasa seperti versi biologis dari sectorlisp

• Menurut makalah tersebut, Candidatus Sukunaarchaeum mirabile adalah archaea baru dengan genom ultra-kecil 238kbp
  Ukurannya kurang dari setengah genom archaea terkecil yang diketahui sebelumnya

  • Sebagai perbandingan, genom bakteri terkecil, Nasuia deltocephalinicola, berada di kisaran 139kbp

• Ungkapan dalam artikel seperti “para peneliti terkejut” terasa terlalu berlebihan
  Rasanya seperti naskah YouTube ‘Biohacker Lab’

  • Meski begitu, ini tetap penemuan yang memang cukup mengejutkan

• Jika dua sifat inti kehidupan adalah homeostasis dan reproduksi, maka sel yang kehilangan itu bisa saja dianggap bukan makhluk hidup

  • Namun, definisi seperti itu terlalu kaku
    Tidak ada kriteria yang benar-benar disepakati untuk mendefinisikan kehidupan, dan biasanya ia dijelaskan sebagai sekumpulan sifat yang mempertahankan dan memperkuat keberadaannya sendiri
  • Selain itu, ini adalah sudut pandang yang berpusat pada eukariota
    Reproduksi organisme uniseluler jauh lebih sederhana, dan dalam kasus ini istilah ‘komensalisme obligat (Obligate commensalism)’ lebih tepat
  • Lalu, bagaimana replikasi virus harus diklasifikasikan? Itu adalah sistem dua tahap dengan inang, tetapi tetap tidak dianggap sebagai kehidupan
  • Faktanya, banyak makhluk hidup ‘mengalihdayakan’ homeostasis kepada lingkungan. Manusia pun tidak bisa bertahan hidup sendirian

• Saya penasaran dari mana archaea ini mendapatkan ATP
  Jika fungsi metabolismenya hampir tidak ada, besar kemungkinan energinya sepenuhnya dipasok oleh inang

• Saya menganggap genom bekerja seperti semacam ‘file konfigurasi (config file)’
  Sel itu sendiri sudah memiliki perangkat yang kompleks, dan genom hanyalah flag serta nilai pengaturan yang mengendalikannya
  Jadi, membahas kompleksitas kehidupan hanya dari ukuran genom bisa menyesatkan

• Definisi kehidupan terlalu terbatas
  Saya memandang bahwa “jika sesuatu dapat bereplikasi dan berevolusi melalui variasi genetik, maka itu adalah kehidupan”
  Sulit menerima anggapan bahwa virus bukan makhluk hidup

  • Tetapi definisi itu juga punya masalah
    Apakah hewan mandul atau sel darah merah tanpa gen berarti tidak hidup?
    Sebaliknya, algoritme genetik atau manuskrip juga punya replikasi dan variasi; apakah itu juga kehidupan?
  • Faktanya, atom, mesin, dan api pun bisa cocok dengan definisi itu
    Pada akhirnya, ‘kehidupan’ hanyalah sistem kompleks yang mempertahankan dan mereplikasi bentuknya dengan memanfaatkan aliran energi, tanpa batas yang benar-benar tegas