Kehidupan di dalam sel Anda, terungkap dalam 3D

Untuk memahami cara kerja kehidupan, Anda perlu melihatnya secara langsung, kata ilmuwan bioimaging Gokul Upadhyayula. Membawa kita ke level seluler, dia membagi karyanya di balik mikroskop canggih yang menangkap dan merekam perilaku kompleks organisme hidup dalam tiga dimensi -- dari sel kanker yang menginfeksi hingga sel imun yang merayap -- dan apa yang mereka ungkapkan tentang dinamika dari biologi. Saksikan kehidupan yang merekah di depan mata Anda dengan penampakan visual yang luar biasa di dalam ceramah ini.

Mencoba memahami hidup
tanpa melihatnya secara langsung

mirip seperti alien yang mencoba
memahami aturan sepak bola

hanya dari beberapa foto.

Kita bisa belajar banyak
dari gambar-gambar ini.

Misalnya, ada pemain
di dalam dan di luar lapangan.

Ada sebuah band.

Bahkan ada pemandu sorak

yang menonton pertandingan
dengan senang.

Dan pastinya,
meskipun kita tahu semua informasi ini

dari melihat gambar-gambar tersebut,

kita tetap tidak bisa
menyusun aturan mainnya.

Untuk menyusunnya,

kita perlu melihatnya secara langsung.

Kebanyakan pengetahuan kita
tentang kinerja kehidupan

berasal dari melihat cuplikan ini.

Ilmuwan mampu mengetahui banyak hal
dari melihat foto-foto yang mirip,

tapi akhirnya, agar mereka memahami
cara kerja kehidupan,

mereka perlu melihatnya secara langsung.

Dan pada dasarnya,
di sinilah kehidupan terjadi,

pemahaman tentang
cara kerja kehidupan unit dasar.

Agar bisa melihatnya,

kita perlu memahami
cara kerja kehidupan.

Dibandingkan dengan semut ini,

sel manusia memiliki ukuran
yang seratus juta kali lebih kecil.

Apakah Anda melihat selnya
di sebelah semut ini?

Ini ada di sana.

Agar bisa melihat sel ini,

kita perlu membuatnya kasatmata,

dan kita melakukannya dengan mikroskop.

Bukan mikroskop ini;

mikroskop buatan kami
terlihat seperti ini.

Ini membantu karena saya semacam
bagian dari paparazi.

Daripada memotret orang,

saya lebih tertarik
untuk memotret sel-sel terkenal.

Jalur karier saya sampai sekarang
masih tidak menentu,

waktu kecil, saya memiliki
obsesi dan hasrat dalam ilmu komputer,

kemudian berbelok tajam
menjadi ilmu teknik,

dan barusan,

bergeser lagi untuk
mencoba memahami biologi sel.

Kombinasi berbagai bidang inilah

yang menuntun saya sampai hari ini.

Saya bisa mengerjakan
riset antardisiplin

dengan satu tujuan jelas.

Dan idenya adalah
untuk memajukan inovasi dan penemuan

dengan menggabungkan para ahli
dari banyak bidang tersebut

untuk menyelesaikan masalah
yang tak mungkin diselesaikan sendirian.

Kami tertarik untuk mempelajari sel.

Sel ... apakah itu?

Itu adalah unit dasar kehidupan.

Sederhananya, itu sebuah kantung.

Sebuah kantung dengan
triliunan molekul tak hidup,

baik itu protein, karbohidrat,
lipid atau lemak.

Ternyata,
selama setengah abad terakhir,

ahli biologi molekuler dan biokimia
telah menemukan cara

untuk membuat protein ini bersinar.

Proteinnya menyala
seperti kunang-kunang.

Pengembang mikroskop
telah mampu membuat

instrumen yang semakin bagus

untuk menangkap cahaya
yang dipancarkan oleh molekul ini,

dan ilmuwan komputer dan matematikawan
telah mampu memahami

sinyal yang direkam oleh kameranya.

Dengan menggabungkan alat-alat ini,

kami bisa memahami
kelompok molekul-molekul tersebut

di dalam sel-sel ini,

memahami perubahannya
seiring dengan waktu,

dan itulah yang ingin kami cari tahu,

berusaha memahami kehidupan
pada intinya.

Jadi, kami ingin menggambarkan kehidupan,

yang biasanya dilakukan
dalam dua dimensi,

menjadi gambaran
dalam tiga dimensi.

Bagaimana cara mengubah
gambar dua dimensi menjadi tiga dimensi?

Ternyata ini cukup sederhana.

Kami ambil satu seri
gambar-gambar dua dimensi

sementara sampelnya dinaik turunkan,

kemudian gambar-gambarnya ditumpuk
dan membentuk volume tiga dimensi.

Masalah dari pendekatan ini adalah

mikroskop tradisional membuang
terlalu banyak energi ke sistemnya.

Artinya, sel yang Anda lihat di sini
mengalami toksisitas cahaya,

dan itu sebuah masalah.

Izinkan saya menjelaskannya.

Contohnya,

di planet ini, kehidupan berevolusi
di bawah satu matahari.

Misalnya saya ingin mengamati
para pembeli di jalan ini

untuk mengamati
kebiasaan belanja mereka:

seberapa lama
mereka mengamati toko dari luar,

jumlah toko yang dimasuki,

dan berapa lama mereka menetap
di dalam tiap tokonya.

Jika saya duduk di sebuah kedai kopi
dan mengamati mereka,

mereka tak akan sadar
bahwa saya mengamatinya.

Bagaimana jika tiba-tiba
saya memancarkan cahaya

yang terangnya setara dengan
lima atau 10 matahari?

Akankah mereka
berperilaku seperti biasanya?

Akankah mereka
berdiam lama-lama di luar?

Bisakah saya percaya
bahwa perilaku mereka tidak berubah

setelah terpapar
seluruh sinar matahari ini?

Tidak.

Kebanyakan mikroskop saat ini,

dan mikroskop konvensional,

telah memancarkan cahaya
antara 10 hingga 10.000 kali lebih terang

daripada sinar matahari di planet ini,
tempat kehidupan berevolusi.

Dan karena ini,

ternyata saya adalah
bagian dari paparazi sel,

jadi kita harus berhati-hati
dengan intensitas cahaya

yang kita berikan ke selnya.

Jika tidak, kita bisa mendapatkan
sel yang tergoreng.

Dan ternyata,

tidak ada unsur alamiah
dari mengamati sel rusak

yang perilakunya telah berubah.

Mari gunakan sel ini sebagai contoh.

Sel ini ada di atas sepotong kaca.

Anda lihat bintik-bintiknya?

Bintik-bintik ini mewakili
mesin molekuler

yang terbentuk di permukaan sel

untuk membawa makanan dari luar
masuk ke dalam selnya.

Lab kami menggunakan
mikroskop lembaran cahaya kisi

yang menghasilkan
selembar cahaya yang sangat tipis

agar tidak merusak sel

atau memasukkan
terlalu banyak cahaya ke sistemnya.

Ketika ini dilakukan,

kita bisa melihat dinamika prosesnya
dengan lebih lama

tanpa mengganggu selnya.

Kami telah menggunakan
teknik dan alat mikroskopi ini

untuk memahami
cara virus menginfeksi sel.

Dalam contoh ini,
kami memaparkan selnya ke rotavirus.

Ini patogen yang sangat menular
yang membunuh 200.000 orang tiap tahunnya.

Dengan mengamati molekul ini,
partikel virus ini,

cara mereka
menembus permukaan selnya,

kita bisa memahami
kinerja virusnya.

Ketika kita memahami kinerjanya,

kita bisa mengalahkannya,

baik dengan terapi obat pintar

untuk mengurangi, mengelola,
atau bahkan mencegah

pengikatan virus ke sel.

Sekarang,
kita telah membuatnya kasatmata,

tapi pertanyaannya sama:

kapan kita bisa memercayai
penglihatan kita?

Semua yang telah saya tunjukkan

adalah sebuah sel yang ditahan
di sepotong kaca atau cawan petri.

Ternyata sel tidak berevolusi
di atas sepotong kaca, ya?

Mereka tak berevolusi sendirian,

dan mereka tak berevolusi
di luar konteks fisiologisnya.

Untuk benar-benar
memahami perilaku alami sel,

kita perlu melihatnya secara langsung
di habitat alaminya.

Mari kita lihat sistem kompleks ini.

Ini adalah embrio ikan zebra
yang sedang berkembang,

Anda melihat sel-sel
yang mengatur diri mereka sendiri

untuk membentuk jaringan
dan sistem organ.

Ketika kita tonton filmnya lagi,
Anda bisa lihat di jam ke-20

bahwa mata dan ekor ikan zebranya
mulai terbentuk.

Kita melihatnya
tidak dalam resolusi rendah,

kita bisa melihatnya
dengan sangat detail,

dan kita ingin melihatnya
dalam tiga dimensi

dalam jangka waktu
beberapa menit, detik, jam, atau hari.

Masalah dari sistem kompleks ini

adalah kami mengacaukan cahayanya,

atau mereka mengacaukan cahaya
yang kita pancarkan pada mereka,

yang menyebabkan gambarnya
menjadi buram.

Dan ternyata, ahli astronomi
punya masalah yang mirip,

tapi bagi mereka,
masalahnya terjadi

saat mencoba merekam cahaya
dari bintang yang jauh

dengan teleskop di daratan.

Masalahnya, setelah cahayanya
menempuh ribuan tahun cahaya

dan tiba-tiba mengenai
atmosfer kita yang bergolak,

cahayanya terkacaukan.

Untungnya,
mereka telah menemukan solusinya

setengah abad yang lalu.

Mereka membuat sebuah bintang buatan

90 kilometer di atas permukaan Bumi,

dan mereka memakai cahayanya,

yang melewati atmosfer kita
seperti cahaya dari bintang jauh tadi,

untuk memahami
bagaimana cahayanya terkacaukan,

dan cermin digunakan
untuk mengubah bentuknya

dan mengembalikannya
ke posisi awal.

Jadi, kami mengambil ide tersebut

dan menerapkannya
ke sistem mikroskop kami.

Ketika itu dilakukan,

Anda bisa menguraikan
kerumitan dari pengacauan cahayanya

yang disebabkan oleh sistem kompleks.

Dan kami melakukannya pada ikan zebra.

Kami suka ikan zebra
karena, seperti kita, mereka vertebrata.

Bedanya dengan kita, mereka transparan.

Artinya, ketika mereka disinari cahaya,

kita bisa melihat
dinamika seluler dan subselulernya

dengan sangat mendetail.

Izinkan saya beri satu contoh.

Di video ini, Anda melihat
tulang belakang dan otot ikan zebra.

Kita bisa melihat kelompok selnya --

ratusan sel dalam volume ini --

dengan ada dan tidak adanya
optik adaptif.

Dengan alat ini,

kita bisa melihat
dengan lebih jelas dari sebelumnya.

Dalam sebuah contoh spesifik,

pada perkembangan mata ikan zebra,

Anda bisa melihat betapa ramainya
perkembangan di dalam embrio ikan zebra.

Anda bisa melihat selnya menari.

Dalam satu contoh,
Anda bisa melihat selnya membelah.

Dalam contoh lain,

Anda melihat sel yang ingin pergi
dan menyelip di antara sel lain.

Dan dalam contoh terakhir,
Anda melihat sel yang ribut

dan meninju tetangganya.

Benar?

Teknologi ini memungkinkan kita
untuk melihat lebih dalam dan jelas,

seakan-akan kita melihat

sel individu yang ditahan
di atas sepotong kaca.

Untuk mendemonstrasikan
potensi teknologi ini,

kami telah bermitra dengan
beberapa ilmuwan terbaik di dunia.

Kami sudah mulai mengajukan
beberapa pertanyaan dasar

yang sedang kami kerjakan bersama.

Contohnya, bagaimana kanker
menyebar dalam tubuh?

Dalam contoh ini, Anda melihat
sel kanker payudara manusia

yang sedang bermigrasi

menggunakan pembuluh darah
yang berwarna magenta.

Mereka menggunakan pembuluh darah
sebagai jalan raya

untuk mengelilingi tubuh.

Anda bisa melihat mereka
menyelip keluar dari pembuluhnya.

Mereka terlihat bergelindingan
saat ruangnya cukup.

Dalam satu contoh,
ini terlihat seperti trailer Ridley Scott

untuk film "Alien" selanjutnya.

Sel kanker ini sedang berusaha
untuk keluar dari pembuluh darah

untuk menyerang bagian tubuh lain.

Dalam contoh terakhir selanjutnya,

kami berusaha memahami
perkembangan telinga.

Dalam kasus ini, kami terkecoh
oleh neutrofil yang menjalar.

Sel imun ini berpatroli setiap waktu.

Pada dasarnya, mereka tak berhenti.

Mereka selalu bekerja
untuk mendeteksi adanya bahaya,

untuk mendeteksi adanya infeksi.

Mereka merasakan lingkungannya
dan selalu bergerak.

Sekarang, kita bisa melihat
gambar dan film ini

dengan detail yang jauh lebih bagus
dari sebelumnya.

Dengan teknologi dan kemampuan baru,
datanglah tantangan baru,

dan bagi kami, tantangan besarnya adalah
cara mengolah datanya.

Mikroskop ini menghasilkan
banyak sekali data.

Kami menghasilkan antara
satu sampai tiga terabita data per jam.

Dengan kata lain, kami mengisi
dua juta disket tiap jamnya --

bagi para audiens yang berpengalaman.

(Tawa)

Ini setara dengan 500 DVD,

atau agar lebih jelas lagi
bagi para generasi Z,

ini setara dengan selusin iPhone 11
yang terisi tiap jamnya.

Kami punya banyak sekali data.

Kami perlu cara baru
untuk memvisualisasikan ini.

Kami perlu cara baru

untuk mengambil
informasi biologis yang bermakna

dari data-data ini.

Lebih pentingnya,

kami ingin mikroskop canggih ini
bisa dimiliki

oleh para ilmuwan di seluruh dunia.

Dan kami membagikan
desain mikroskop ini secara gratis.

Tapi, intinya adalah,

kami perlu berkolaborasi lebih lagi
untuk membuat dampak.

Kami mengumpulkan ilmuwan

yang bisa mengembangkan
peralatan biologi dan kimia.

Kami bekerja sama
dengan ilmuwan data

dan ilmuwan instrumentasi

untuk membangun dan mengolah datanya.

Karena kami memberi instrumen ini
secara cuma-cuma

untuk semua akademisi dan nonprofit,

kami juga membangun
pusat penggambaran canggih,

untuk mengumpulkan
kelompok ahli mikroskop,

kelompok ahli biologi dan komputasi,

dan untuk membangun tim
yang bisa menyelesaikan masalah

yang tak bisa diselesaikan sendirian.

Berkat mikroskop ini,

garis depan sains terbuka lagi.

Mari kita lihat bersama.

Terima kasih.

(Tepuk tangan)