Anggota tim melalui proses penentuan bertahap unsur dan molekul apa yang dapat digunakan strain bakteri tersebut untuk tumbuh. Mereka telah mengetahui bahwa ia dapat memanfaatkan oksigen, sehingga mereka menguji kombinasi lain di laboratorium. Ketika oksigen tidak ada, RSW1 ternyata mampu memproses gas hidrogen dan sulfur elemental—bahan kimia yang akan ditemukannya semburan dari ventilasi vulkanik—dan menghasilkan hidrogen sulfida sebagai produknya. Namun meskipun sel-sel tersebut secara teknis masih hidup dalam keadaan ini, mereka tidak tumbuh atau bereplikasi. Mereka hanya menghasilkan sejumlah kecil energi—cukup untuk bertahan hidup, tidak lebih. “Sel tersebut hanya berputar-putar tanpa benar-benar mendapatkan keuntungan metabolik atau pertumbuhan biomassa,” kata Boyd.
Kemudian tim menambahkan oksigen kembali ke dalam campuran. Seperti yang diduga, bakteri itu tumbuh lebih cepat. Namun, yang mengejutkan para peneliti, RSW1 juga masih menghasilkan gas hidrogen sulfida, seolah-olah ia masih melakukan respirasi anaerob. Bahkan, bakteri tersebut tampaknya melakukan respirasi aerob dan anaerob secara bersamaan, dan mendapatkan manfaat energi dari kedua proses tersebut. Respirasi ganda ini melampaui laporan sebelumnya: Sel tidak hanya memproduksi sulfida di hadapan oksigen tetapi juga melakukan kedua proses yang bertentangan itu pada saat yang sama. Bakteri seharusnya tidak mampu melakukan hal itu.
“Itu membuat kami mulai menelusuri, ‘Oke, sebenarnya apa yang terjadi di sini?’” kata Boyd.
Bernapas dengan Dua Cara
RSW1 tampaknya memiliki metabolisme hibrid, menjalankan mode anaerob berbasis sulfur bersamaan dengan mode aerob yang menggunakan oksigen.
“Bagi suatu organisme untuk dapat menjembatani kedua metabolisme tersebut sangatlah unik,” ujar Ranjani Murali, seorang mikrobiolog lingkungan dari University of Nevada, Las Vegas, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Biasanya, ketika organisme anaerob terpapar oksigen, molekul-molekul perusak yang dikenal sebagai senyawa oksigen reaktif menimbulkan stres, katanya. “Fakta bahwa hal itu tidak terjadi benar-benar menarik.”
Di mata air panas Roadside West (kiri) di Taman Nasional Yellowstone, para peneliti mengisolasi mikroba yang tidak biasa dari biofilm berwarna abu-abu (kanan).
Foto: Eric Boyd; Quanta Magazine
Tim Boyd mengamati bahwa bakteri tersebut tumbuh paling baik ketika menjalankan kedua metabolisme secara bersamaan. Ini mungkin merupakan keunggulan di lingkungannya yang unik: Oksigen tidak terdistribusi secara merata di mata air panas seperti tempat RSW1 hidup. Dalam kondisi yang selalu berubah, di mana Anda bisa terendam oksigen satu saat lalu menghilang, melakukan ‘lindung nilai’ pada taruhan metabolik mungkin merupakan sifat yang sangat adaptif.
Mikroba lain telah diamati bernapas dengan dua cara sekaligus: secara anaerob dengan nitrat dan aerob dengan oksigen. Namun proses-proses itu menggunakan jalur kimia yang sama sekali berbeda, dan ketika dipasangkan, mereka cenderung menimbulkan biaya energetik bagi mikroba. Sebaliknya, metabolisme hibrid sulfur/oksigen pada RSW1 justru memperkuat sel-selnya alih-alih membebaninya.
Jenis respirasi ganda seperti ini mungkin lolos dari deteksi hingga sekarang karena dianggap tidak mungkin. “Anda benar-benar tidak punya alasan untuk mencarinya,” kata Boyd. Selain itu, oksigen dan sulfida bereaksi dengan cepat satu sama lain; kecuali Anda mengawasi sulfida sebagai produk sampingan, Anda mungkin sama sekali melewatkannya, tambahnya.
Faktanya, sangat mungkin bahwa mikroba dengan metabolisme ganda tersebar luas, kata Murali. Dia menunjuk pada banyak habitat dan organisme yang ada di gradien tipis antara area kaya oksigen dan area tanpa oksigen. Salah satu contohnya adalah pada sedimen yang terendam, yang dapat menyimpan cable bacteria. Mikroba memanjang ini berorientasi sedemikian rupa sehingga satu ujung tubuhnya dapat menggunakan respirasi aerob di air yang beroksigen sementara ujung lainnya terkubur jauh di dalam sedimen anoksik dan menggunakan respirasi anaerob. Cable bacteria berkembang dalam partisi mereka yang berisiko dengan memisahkan secara fisik proses aerob dan anaerob mereka. Tetapi RSW1 tampaknya melakukan banyak tugas sementara ia teraduk-aduk di dalam mata air yang mendidih.
Masih belum diketahui bagaimana bakteri RSW1 berhasil melindungi mesin anaerob mereka dari oksigen. Murali berspekulasi bahwa sel-sel mungkin menciptakan superkompleks kimia di dalam diri mereka yang dapat mengelilingi, mengisolasi, dan ‘memulung’ oksigen, katanya—dengan menggunakannya dengan cepat begitu mereka menjumpainya sehingga tidak ada kesempatan bagi gas tersebut untuk mengganggu pernapasan berbasis sulfur.
RSW1 dan mikroba lain yang memiliki metabolisme ganda menjadi model menarik untuk mempelajari bagaimana kehidupan mikroba mungkin berevolusi selama Peristiwa Oksigenasi Besar, kata Boyd. “Itu pasti merupakan masa yang cukup kacau bagi mikroba di planet ini,” katanya. Saat tetesan oksigen yang lambat menyaring ke atmosfer dan laut, setiap bentuk kehidupan yang dapat menangani paparan sesekali dengan gas baru yang beracun itu—atau bahkan menggunakannya untuk keuntungan energetiknya—mungkin memiliki keunggulan. Pada masa transisi itu, dua metabolisme mungkin lebih baik daripada satu.
—
Cerita asli direproduksi dengan izin dari Quanta Magazine, publikasi independen editorial dari Simons Foundation yang misinya adalah meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan dan tren penelitian dalam matematika serta ilmu fisika dan kehidupan.