Bakteri yang dikandungnya telah mengalami lonjakan pertumbuhan yang eksplosif. Biasanya, E. coli makan terutama glukosa, tetapi populasi ini telah membuka sumber energi yang sama sekali baru: senyawa kimia yang disebut sitrat. Kapasitas untuk memetabolisme sitrat sangat tidak biasa sehingga tidak ada populasi dalam penelitian yang mengembangkannya sampai saat itu, dan tidak ada yang mencapainya sejak itu. Seolah-olah sebuah keluarga manusia tiba-tiba bisa minum air asin.
Oleh : Dhruv Khullar
JERNIH–Pada tahun 1988, Richard Lenski, seorang ahli biologi berusia tiga puluh satu tahun di UC Irvine, memulai sebuah eksperimen. Dia membagi populasi bakteri umum, E. coli, menjadi dua belas labu.
Setiap labu disimpan pada suhu tiga puluh tujuh derajat Celcius, dan berisi campuran air, glukosa, dan nutrisi lain yang identik. Setiap hari, saat bakteri bereplikasi, Lenski memindahkan beberapa tetes setiap koktail ke labu baru, dan sering kali dia menyimpan sampel di lemari es. Tujuannya adalah untuk memahami mekanisme evolusi. Seberapa cepat, efektif, kreatif, dan konsisten mikroorganisme meningkatkan kebugaran reproduksinya?
Labu Lenski menghasilkan sekitar enam generasi baru E. coli sehari; bakteri bangun sebagai bayi dan pergi tidur sebagai kakek buyut. Dengan cara ini, Lenski dan timnya telah mempelajari lebih dari tujuh puluh ribu generasi E. coli selama tiga puluh tiga tahun. Dibandingkan dengan nenek moyang mereka yang jauh, versi terbaru dari bakteri ini berkembang biak tujuh puluh persen lebih cepat; mereka pernah membutuhkan waktu satu jam untuk menggandakan diri mereka, tetapi sekarang mereka dapat melakukannya dalam waktu kurang dari empat puluh menit. Populasi yang berbeda telah mengambil jalan yang berbeda untuk meningkatkan kebugaran, tetapi, setelah beberapa dekade, sebagian besar telah mencapai tingkat reproduksi dalam beberapa poin persentase satu sama lain.
Eksperimen Evolusi Jangka Panjang Lenski, Lenski’s Long Term Evolution Experiment atau L.T.E.E., demikian sebutannya, telah menghasilkan wawasan mendasar tentang kemampuan mutasi mikroorganisme. Untuk karyanya, Lenski, sekarang berusia enam puluhan dan berkiprah di Michigan State University, telah menerima hibah “jenius” MacArthur dan Beasiswa Guggenheim. “Saya tidak yakin saya dapat memberi tahu Anda bagaimana hal itu memengaruhi pemikiran saya, karena saya tidak yakin saya dapat membayangkan berada di bidang ini tanpa adanya eksperimen ini,” Michael Baym, ahli biologi evolusi di Harvard Medical School, baru-baru ini mengatakan kepada Discover.
Tiga dari temuan utama eksperimen ini sangat relevan saat ini. Yang pertama adalah, secara umum, terjadi penurunan hasil mutasi dari waktu ke waktu: bakteri membuat banyak gerakan yang paling menguntungkan secara reproduktif sejak dini.
Temuan kedua, bagaimanapun, bakteri tidak pernah berhenti menjadi lebih bugar. Tujuh puluh ribu generasi, dan mereka masih terus beruoaya menemukan cara baru untuk meningkatkan, meskipun pada tingkat yang agak lambat. “Saya telah membayangkan bahwa segala sesuatunya akan menjadi datar,” kata Lenski kepada saya baru-baru ini, ketika kami berbicara melalui Zoom. “Tapi sepertinya ada kemungkinan tak terbatas untuk mengutak-atik dan maju. Jika ada batas yang sulit, itu sangat, sangat jauh sehingga tidak praktis untuk mempertimbangkan skala waktu eksperimental—bahkan mungkin skala waktu geologis.”
Lenski memiliki wajah yang ramah dan ekspresif, dengan mata biru pucat dan janggut yang rapi; suaranya bergetar dengan kegembiraan ketika dia mempertimbangkan pertanyaan yang provokatif atau menjelaskan implikasi dari penelitiannya. Dia memberi tahu saya tentang temuan besar ketiga: pada tahun 2003, sekitar lima belas tahun dan tiga puluh ribu generasi dalam percobaan, Lenski tiba di labnya untuk menemukan bahwa, dalam semalam, sebuah termos yang biasanya cukup tembus cahaya telah berubah menjadi keruh.
Bakteri yang dikandungnya telah mengalami lonjakan pertumbuhan yang eksplosif. Biasanya, E. coli makan terutama glukosa, tetapi populasi ini telah membuka sumber energi yang sama sekali baru: senyawa kimia yang disebut sitrat. Kapasitas untuk memetabolisme sitrat sangat tidak biasa sehingga tidak ada populasi dalam penelitian yang mengembangkannya sampai saat itu, dan tidak ada yang mencapainya sejak itu. Seolah-olah sebuah keluarga manusia tiba-tiba bisa minum air asin.
Munculnya garis keturunan pemakan sitrat menunjukkan bahwa lompatan evolusioner yang sangat jarang dan sangat penting mungkin terjadi lama setelah buah yang menggantung rendah dipetik. “Bagaimana hal seperti ini bisa terjadi, namun begitu langka sehingga tidak pernah terjadi lagi?” tanya Lenski. “Satu kemungkinan adalah Anda memiliki mutasi super langka yang sangat unik sehingga hanya terjadi sekali dalam seluruh sejarah eksperimen ini. Atau, mungkin Anda memerlukan seluruh rangkaian perubahan sebelumnya, sehingga Anda dapat mengatur latar belakang genetik di mana mutasi biasa dapat memungkinkan fungsi baru ini. Saya pikir keduanya: ini adalah mutasi yang tidak biasa, dan itu hanya bisa menghasilkan pertumbuhan pada sitrat karena ada perubahan genetik spesifik yang mendahuluinya.”
Sars-CoV-2, virus yang menyebabkan covid-19, telah memiliki satu momen sitrat: instan, mungkin sekitar tahun 2019 tetapi mungkin lebih awal, ketika mengembangkan kemampuan untuk melompat ke manusia.
Sejak itu, virus telah mengumpulkan mutasi yang tak terhitung banyaknya, beberapa di antaranya memungkinkannya menghasilkan salinan dirinya sendiri secara lebih efisien—dengan mengubah cara ia mengikat sel kita, misalnya, atau dengan menemukan cara baru untuk melewati sistem kekebalan kita. Ini adalah proses yang terjadi pada setiap penyakit menular dalam sejarah—campak, TBC, pes, influenza, dan lain-lain. Perbedaannya dengan virus corona adalah bahwa dunia sekarang menyaksikan setiap gerakan mutasi yang terjadi.
Selama pandemi ini, kita telah mengembangkan dan menyebarkan vaksin secara real time. Sementara itu, sars-CoV-2 tidak bereplikasi dalam selusin termos tetapi dalam puluhan juta orang, beberapa di antaranya telah diimunisasi, semuanya memberikan tekanan selektif bagi virus untuk menemukan strategi replikasi baru yang lebih efisien.
Virus akan terus bermutasi setiap saat setiap hari, selama bertahun-tahun, selama beberapa dekade. Ketakutannya adalah bahwa ia akan mencapai momen sitrat kedua: mutasi, atau serangkaian mutasi, yang memungkinkannya untuk menghindari vaksin kami, yang sejauh ini telah terbukti efektif dan tangguh secara spektakuler. Bagi mereka yang tetap tidak divaksinasi—mayoritas umat manusia—ada juga prospek mengerikan dari varian yang jauh lebih menular atau mematikan.
Setiap beberapa bulan, kita mempelajari versi virus yang tampaknya lebih buruk: Alpha, Beta, Gamma, Delta. Coronavirus tampaknya ditakdirkan untuk berbaris melalui alfabet Yunani — seorang petarung yang semakin cepat, lebih licin, lebih kuat dengan setiap lawan. Apa batas kebugaran evolusionernya? Apakah mereka dapat diketahui? Dan, jika demikian, seberapa dekat kita untuk menjangkau mereka?
Ini adalah pertanyaan di benak saya ketika saya berbicara dengan para ahli dalam upaya untuk memahami masa depan pandemi. Dengan pertanyaan yang begitu kompleks, akan sangat membantu untuk memulai dengan mencari tahu apa, tepatnya, yang ingin kita ketahui. Untuk setiap varian virus corona baru, kita ingin mengetahui apakah itu lebih menular, apakah itu akan membuat kita lebih sakit, dan apakah itu akan lebih efektif mengatasi pertahanan kekebalan kita. Di bagian terakhir itu, kita ingin memahami dua pertanyaan lagi: Seberapa besar ia akan berhasil bersembunyi dari antibodi kita (yang mengenali dan mengikat virus, mencegah infeksi) dan dari sel T kita (yang mengenali fragmen virus yang dipotong-potong yang ditampilkan oleh sel yang terinfeksi, dan berspesialisasi tidak dalam mencegah infeksi tetapi dalam mengendalikan dan mengakhirinya).
Roberto Burioni, seorang dokter dan profesor di Universitas Vita-Salute San Raffaele, di Milan, Italia, disebut sebagai ahli virus paling terkenal di Italia; dia telah menulis tentang prospek varian “final”, versi virus corona yang telah mencapai transmisibilitas maksimum, dan yang menjadi “strain dominan, hanya mengalami sedikit variasi sesekali.”
Seperti yang dilihat Burioni, ada tiga potensi masa depan untuk virus corona. Yang pertama—yang paling optimis bagi kami—adalah virus di mana virus tidak dapat berevolusi di sekitar vaksin. Ini bukan kemungkinan yang tidak mungkin. Banyak virus—campak, gondok, rubella, polio, cacar—tidak pernah berhasil menghindari vaksin mereka, dan sejauh ini vaksin terbaik kita tetap sangat protektif terhadap varian virus corona baru, termasuk Delta.
Kemungkinan kedua adalah bahwa virus sebagian akan menghindari pertahanan kekebalan yang dihasilkan oleh vaksin kita sambil membayar harga, menjadi kurang menular atau mematikan. Agar virus corona dapat bersembunyi dari antibodi kita, ia harus mengubah aspek komponen utama yang dikenali oleh sistem kekebalan kita, termasuk protein lonjakan; perubahan itu bisa berakhir dengan mengurangi kemampuan protein untuk mengikat reseptor yang dibutuhkan untuk menginfeksi sel.
Kita dapat mempertimbangkan, misalnya, varian Beta dan Gamma, yang menunjukkan beberapa tingkat penghindaran kekebalan tetapi belum menjadi menular seperti Alpha atau Delta. Pada tahun 1990-an, HIV mengalami nasib seperti itu, ketika mengalami mutasi yang dikenal sebagai M184V, yang memberikan resistensi terhadap obat antivirus lamivudine. Di permukaan, ini adalah kemunduran, tetapi dokter segera mengetahui bahwa pasien dengan varian M184V memiliki viral load yang lebih rendah, menunjukkan bahwa mutasi juga mengurangi seberapa efisien virus bereplikasi di dalam tubuh. Ini menjadi umum untuk pasien dengan HIV untuk terus menggunakan lamivudine bahkan setelah resistensi muncul, sebagian untuk memilih varian dengan tingkat replikasi yang lebih rendah. [bersambung—The New Yorker]
Dhruv Khullar, contributor The New Yorker, adalah seorang dokter praktik dan asisten profesor di Weill Cornell Medical College.
