Apakah bakteri bermutasi secara acak atau sengaja? Para ilmuwan telah memikirkan teka-teki ini selama lebih dari satu abad.
Pada tahun 1943, ahli mikrobiologi Salvador Luria dan fisikawan yang menjadi ahli biologi Max Delbrück menemukan eksperimen yang menyatakan bahwa bakteri bermutasi tanpa tujuan. Ilmuwan lain telah menggunakan tes mereka untuk menunjukkan bahwa bakteri dapat memperoleh resistensi terhadap antibiotik yang belum pernah mereka temui sebelumnya.
Eksperimen Luria-Delbrück mempunyai dampak yang signifikan terhadap sains. Temuan ini membantu Luria dan Delbruck memenangkan Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran pada tahun 1969, dan para siswa belajar tentang eksperimen tersebut di ruang kelas biologi saat ini. Saya telah mempelajari eksperimen ini dalam pekerjaan saya sebagai ahli biostatistik selama lebih dari 20 tahun.
Beberapa dekade kemudian, percobaan tersebut memberikan pembelajaran yang masih relevan hingga saat ini, karena menunjukkan bahwa bakteri dapat mengembangkan resistensi terhadap antibiotik yang belum dikembangkan.
Mesin slot dan momen eureka
Bayangkan sebuah tabung reaksi berisi bakteri yang hidup dalam kaldu nutrisi. Kaldunya berwarna keruh karena tingginya konsentrasi bakteri di dalamnya. Menambahkan virus yang menginfeksi bakteri, juga dikenal sebagai fag, ke dalam tabung reaksi akan membunuh sebagian besar bakteri dan membuat kaldu menjadi jernih.
Namun, menjaga tabung reaksi dalam kondisi yang mendukung pertumbuhan bakteri akan membuat kaldu kembali keruh setelah beberapa saat. Hal ini menunjukkan bahwa bakteri mengembangkan resistensi terhadap fag dan mampu berkembang biak.
Peran apa yang dimainkan fag dalam perubahan ini?
Beberapa ilmuwan berpendapat bahwa fag mendorong bakteri untuk bermutasi agar dapat bertahan hidup. Ada pula yang berpendapat bahwa bakteri secara rutin bermutasi secara acak dan pengembangan varian yang resisten terhadap fag hanyalah sebuah keberuntungan. Luria dan Delbrück bekerja sama selama berbulan-bulan untuk memecahkan teka-teki ini, namun tidak satu pun eksperimen mereka yang berhasil.
Pada malam tanggal 16 Januari 1943, Luria mendapat tip tentang cara memecahkan misteri sambil menyaksikan rekannya memenangkan jackpot di mesin slot. Keesokan paginya dia bergegas ke laboratoriumnya.
Eksperimen Luria terdiri dari beberapa tabung reaksi dan piring. Setiap tabung berisi kaldu nutrisi yang akan membantu bakteri E-coli untuk berkembang biak, dengan setiap cawan mengandung bahan berlapis fag.
Beberapa bakteri ditempatkan di setiap tabung dan diberi dua kesempatan untuk mengembangkan varian yang resisten terhadap fag. Mereka dapat bermutasi di dalam tabung reaksi tanpa adanya fag, atau mereka dapat bermutasi di piring dengan adanya fag.
Diagram eksperimen Luria-Delbrück ini menunjukkan koloni varian yang resisten terhadap fag E-coli (merah) berkembang di cawan Petri. (Qi Zheng, CC BY-SA)
Keesokan harinya, Luria memindahkan bakteri di setiap tabung ke cawan berisi fag. Sehari setelahnya, ia menghitung jumlah koloni bakteri resisten di setiap cawan.
Jika bakteri mengembangkan resistensi terhadap fag melalui interaksi dengannya, tidak ada bakteri di dalam tabung reaksi yang mengalami mutasi. Di sisi lain, hanya sedikit bakteri – katakanlah 1 dari 10 juta bakteri – yang dapat berkembang biak dengan varian resisten ketika dipindahkan ke wadah yang mengandung fag. Varian bakteri apa pun yang resisten terhadap fag akan tumbuh menjadi koloni, namun bakteri yang tersisa akan mati karena infeksi.
Jika bakteri mengembangkan resistensi yang tidak bergantung pada interaksi dengan fag, beberapa bakteri dalam tabung reaksi akan mengalami mutasi. Sebab, setiap kali bakteri membelah di dalam tabung reaksi, kecil kemungkinannya akan muncul varian resisten.
Jika bakteri generasi awal bermutasi terlebih dahulu, setidaknya setengah dari bakteri generasi selanjutnya akan resisten. Jika bakteri pada generasi kedua adalah yang pertama bermutasi, setidaknya seperdelapan bakteri akan menjadi resisten pada generasi berikutnya.
Mutasi yang menyebabkan resistensi fag (merah) pada tahap awal akan menghasilkan sejumlah besar varian yang resisten terhadap fag, sedangkan mutasi yang muncul kemudian hanya akan menghasilkan beberapa varian yang resisten. (Qi Zheng, CC BY-SA)
Seperti pilihan kemenangan kecil di mesin slot, mutasi generasi akhir lebih sering terjadi tetapi memberikan varian yang kurang tahan lama. Seperti jackpot, mutasi generasi awal jarang terjadi tetapi memberikan banyak varian. Mutasi generasi awal jarang terjadi karena hanya sejumlah kecil bakteri yang dapat bermutasi.
Misalnya, dalam percobaan generasi ke-20, mutasi yang terjadi pada bakteri generasi ke-10 akan menghasilkan 1.024 varian bakteri yang resisten terhadap fag. Mutasi yang terjadi pada generasi ke-17 hanya akan menghasilkan empat varian yang resisten terhadap fag.
Jumlah koloni yang resisten dalam percobaan Luria menunjukkan pola yang mirip dengan kemenangan mesin slot. Sebagian besar hidangan tidak mengandung atau sejumlah kecil koloni mutan, tetapi beberapa berisi koloni mutan dalam jumlah besar yang dianggap Luria sebagai jackpot. Ini berarti bakteri mengembangkan varian resisten sebelum berinteraksi dengan fag di piring.
Warisan eksperimen
Luria mengirimi Delbrück catatan setelah eksperimennya selesai, memintanya untuk memeriksa pekerjaannya. Kedua ilmuwan tersebut kemudian berkolaborasi untuk menulis makalah klasik yang menjelaskan protokol eksperimental dan kerangka teoritis untuk mengukur tingkat mutasi bakteri.
Ilmuwan lain melakukan eksperimen serupa dengan mengganti fag dengan penisilin dan obat tuberkulosis. Demikian pula, mereka menemukan bahwa bakteri tidak perlu menggunakan antibiotik untuk mengembangkan resistensi terhadapnya.
Selama jutaan tahun, bakteri mengandalkan mutasi acak untuk menghadapi lingkungan yang keras dan selalu berubah. Mutasi acak yang terus-menerus akan menyebabkan mereka mengembangkan varian yang kebal terhadap antibiotik di masa depan.
Resistensi narkoba adalah kenyataan hidup yang harus kita terima dan terus kita lawan.
Qi Zheng, Profesor Biostatistik, Texas A&M University
Artikel ini diterbitkan ulang dari The Conversation di bawah lisensi Creative Commons. Baca artikel aslinya.
+ There are no comments
Add yours