Simulasi evolusi untuk memahami Sakelar Genetik Tersembunyi

Menggunakan simulasi komputer yang dibangun di atas asumsi yang masuk akal dan dilakukan di bawah kendali yang cermat, ahli biologi komputasi dapat meniru kondisi biologis nyata. Mulai dari populasi pendiri awal (fase kuno), mereka dapat mengembangkan populasi selama beberapa ribu generasi untuk mengembangkan fase peralihan, dan kemudian mengembangkan generasi tersebut ribuan generasi untuk mengembangkan fase turunan. Kredit: © 2021 KAUST; Anastasia Serin

Beberapa organisme mengembangkan saklar internal yang dapat tetap tersembunyi selama beberapa generasi sampai stres melanda.

Simulasi komputer sel yang berevolusi selama puluhan ribu generasi mengungkapkan mengapa beberapa organisme mempertahankan mekanisme peralihan yang tidak terpakai yang menyala di bawah tekanan berat, mengubah beberapa karakteristiknya. Menjaga tombol “tersembunyi” ini adalah salah satu cara bagi organisme untuk mempertahankan stabilitas ekspresi gen yang tinggi dalam kondisi normal.

Larva cacing tanduk tomat berwarna hijau di daerah yang lebih hangat, memudahkan penyamaran, tetapi berwarna hitam pada suhu yang lebih dingin sehingga dapat menyerap lebih banyak sinar matahari. Fenomena yang ditemukan pada beberapa organisme ini disebut perubahan fenotipik. Biasanya tersembunyi, sakelar ini diaktifkan sebagai respons terhadap perubahan genetik atau lingkungan yang berbahaya.

Ilmuwan biasanya mempelajari proses ini dengan menyelidiki perubahan yang dialami oleh organisme dalam keadaan berbeda selama beberapa generasi. Beberapa tahun lalu, misalnya, sebuah tim membiakkan beberapa generasi larva tanduk tembakau untuk mengamati dan menyebabkan perubahan warna yang serupa dengan yang ditemukan pada kerabat tanduk tomat mereka.

“Simulasi komputer, bila dibuat berdasarkan asumsi yang masuk akal dan dilakukan di bawah kendali yang cermat, adalah alat yang sangat ampuh untuk meniru situasi sebenarnya,” kata Xin Gao, ahli biologi komputasi KAUST. “Ini membantu para ilmuwan mengamati dan memahami prinsip-prinsip yang sebaliknya akan sangat sulit, atau tidak mungkin, untuk diamati dengan eksperimen basah-lab.”

Ilmuwan peneliti Gao dan KAUST Hiroyuki Kuwahara telah merancang simulasi komputer dari evolusi 1.000 mikroorganisme aseksual. Setiap organisme diberi model sirkuit gen untuk mengatur ekspresi protein X tertentu.

Simulasi tersebut telah mengembangkan populasi lebih dari 90.000 generasi. Populasi pendiri asli memiliki sirkuit identik dari gen non-komutatif dan berevolusi lebih dari 30.000 generasi, secara kolektif disebut populasi purba, dalam kondisi stabil. 30.000 generasi berikutnya, yang disebut populasi perantara, telah terpapar pada lingkungan yang berfluktuasi yang berubah setiap 20 generasi. 30.000 generasi terakhir, populasi turunannya, telah terpapar pada lingkungan yang stabil.

Individu dari populasi purba dan turunan, yang berevolusi di lingkungan stabil, memiliki dua tingkat ekspresi gen yang dioptimalkan untuk stabilitas. Tetapi mereka berbeda: stabilitas populasi lama tidak menyiratkan perubahan fenotipik, sedangkan populasi turunan melakukannya. Perbedaannya, jelas Kuwahara, berasal dari populasi perantara, di mana peralihan lebih disukai untuk menangani kondisi yang berfluktuasi.

Simulasi menunjukkan bahwa populasi organisme mempertahankan mesin switching mereka untuk jangka waktu yang lama dengan stabilitas lingkungan dengan secara bertahap mengembangkan saklar ambang rendah, yang dengan mudah berubah dalam keadaan berfluktuasi, menjadi saklar ambang batas tinggi ketika lingkungan lebih stabil.

Ini lebih mudah, kata Kuwahara, daripada kembali ke keadaan tidak berubah melalui perubahan mutasi kecil. “Sebaliknya, kami berakhir dengan semacam konversi fenotip ‘tersembunyi’ yang bertindak sebagai kondensor evolusioner, pengarsipan variasi genetik dan melepaskan fenotipe alternatif jika terjadi gangguan substansial,” kata Kuwahara.

Selanjutnya, tim berencana menggunakan simulasi komputer untuk mempelajari sistem biologis yang lebih kompleks, sambil juga berkolaborasi secara interaktif dengan para peneliti yang melakukan eksperimen di laboratorium basah. Tujuannya adalah untuk mengembangkan kerangka teoritis yang dapat divalidasi secara eksperimental.

Referensi: “Pemeliharaan yang stabil dari sakelar tersembunyi sebagai strategi untuk meningkatkan stabilitas ekspresi gen” oleh Hiroyuki Kuwahara dan Xin Gao, 14 Januari 2021, Ilmu Komputasi Alam.
DOI: 10.1038 / s43588-020-00001-y

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Diet junk food dapat meningkatkan risiko mengemudi berbahaya di antara pengemudi truk

Diet tidak sehat yang terkait dengan kelelahan yang lebih besar: Faktor kunci dalam peningkatan risiko kecelakaan, kata para peneliti. Pola makan yang tidak sehat dapat...

Fotosintesis buatan menjanjikan sumber energi yang bersih dan berkelanjutan

Manusia dapat melakukan banyak hal yang tidak dapat dilakukan oleh tumbuhan. Kita bisa berjalan, berbicara, mendengarkan, melihat dan menyentuh. Tetapi tanaman memiliki...

Es laut di pantai Arktik menipis secepat yang saya kira

Es Arktik yang menurun bisa dibilang salah satu korban terbesar perubahan iklim, dan dampaknya sangat luas, dari keadaan beruang kutub yang ikonik dan satwa...

Dinosaurus terbesar di Australia – “Titan Selatan” – baru saja memasuki buku rekor!

Kolaborasi Australia, "Titan Cooper Selatan." Penulis: Vlad Konstantinov, Scott Hoknul © Museum Sejarah Alam Eromanga Apa lapangan basket yang lebih tinggi dari b-double, dan...

Maju dengan roket SLS Moon raksasa, pertemuan dekat dengan Ganymede dan gerhana cincin api

Inti roket Space Launch System (SLS) seberat 188.000 pon telah naik ke peluncur bergerak, di antara dua pendorong roket padat. Kredit: NASA Bergerak maju...

Newsletter

Subscribe to stay updated.