Metode penelitian modern ditandai oleh resolusi tinggi (melihat sangat detail) dan skala besar (menganalisis data masif), yang memicu integrasi data dari tingkat molekuler, seluler, hingga ekosistem.

A. Teknologi Pencitraan Beresolusi Tinggi (Struktur Ultrastruktural)

Teknologi ini memungkinkan visualisasi organel, kompleks protein, dan susunan molekuler, baik pada sel tumbuhan maupun hewan.

1. Krioelektron Mikroskopi (Cryo-EM)

• Prinsip Kerja: Sampel biologis (seperti virus, ribosom, atau kompleks fotosintesis) tidak dikristalkan atau diwarnai. Sebaliknya, mereka dibekukan sangat cepat (vitrifikasi) dalam nitrogen cair, sehingga air di dalamnya menjadi es amorf (tidak kristal), menjaga struktur molekul tetap alami.
• Detail Rinci: Menggunakan berkas elektron untuk mengambil ribuan gambar 2D dari molekul yang dibekukan pada berbagai orientasi. Komputer kemudian menggabungkan gambar-gambar ini menjadi model 3D dengan resolusi sub-nanometer.
• Aplikasi Lintas Disiplin:
  • Botani: Menentukan struktur kompleks protein seperti ATP sintase atau Rubisco (enzim kunci fotosintesis).
  • Zoologi: Memetakan struktur protein pada permukaan virus (untuk desain vaksin) atau protein reseptor pada membran sel saraf.

2. Mikroskop Elektron Tomografi (ET)

• Prinsip Kerja: Mirip dengan pemindaian CT-scan medis, tetapi pada tingkat sel. Sampel tebal disinari dengan berkas elektron pada berbagai sudut kemiringan (tilt series).
• Detail Rinci: Perangkat lunak mengumpulkan semua proyeksi 2D ini untuk merekonstruksi model 3D detail dari struktur subseluler, seperti organel atau persimpangan sinaptik.
• Aplikasi Lintas Disiplin:
  • Botani: Memvisualisasikan arsitektur kompleks dari jaringan Xilem atau susunan tiga dimensi dari organel dalam kloroplas.
  • Zoologi: Menganalisis bagaimana organel seperti Retikulum Endoplasma berinteraksi dengan Mitokondria, atau struktur kompleks junctio antar sel.

3. Mikroskop Gaya Atom (Atomic Force Microscopy/AFM)

• Prinsip Kerja: Menggunakan cantilever (pegas mini) dengan probe tajam yang merasakan gaya tarik atau tolak di antara probe dan permukaan sampel.
• Detail Rinci: Probe bergerak melintasi sampel, merekam perubahan gaya, dan menghasilkan peta topografi permukaan dengan resolusi hingga tingkat atom. AFM juga dapat mengukur sifat mekanik seperti kekakuan atau elastisitas.
• Aplikasi Lintas Disiplin:
  • Botani: Mengukur kekakuan fisik dinding sel tumbuhan dan bagaimana ia berubah selama pertumbuhan.
  • Zoologi: Menganalisis dinamika protein pada membran sel hidup atau mengukur kekuatan ikatan antara molekul selular.

---

B. Ilmu “Omics” Skala Sel Tunggal (Analisis Molekuler Mendalam) 🧬

Metode Omics skala sel tunggal telah meningkatkan resolusi genetika dan biokimia dari tingkat populasi menjadi individu sel.

1. Transkriptomik Sel Tunggal (scRNA-seq)

• Tujuan: Menentukan gen mana yang aktif (diekspresikan sebagai mRNA) dalam satu sel spesifik pada waktu tertentu.
• Detail Rinci: Setiap sel diisolasi, dan semua molekul mRNA-nya diberi “barcode” unik (DNA barcoding). Kemudian, urutan mRNA dari ribuan sel diurutkan secara serentak. Bioinformatika digunakan untuk mengelompokkan sel-sel berdasarkan profil ekspresi gen yang serupa.
• Aplikasi Lintas Disiplin:
  • Botani: Mengidentifikasi jenis sel yang sangat jarang pada akar yang bertanggung jawab untuk penyerapan mineral, atau melacak perubahan ekspresi gen di sel stomata sebagai respons terhadap kekeringan.
  • Zoologi: Memetakan seluruh sel yang menyusun organ (misalnya “Atlas Sel Otak”), mengidentifikasi subtipe neuron baru, atau melacak perkembangan sel imun saat merespons infeksi.

2. Metabolomik Spasial

• Tujuan: Memetakan lokasi dan konsentrasi molekul kecil (metabolit seperti gula, asam amino, dan senyawa pertahanan) di dalam jaringan atau sel.
• Detail Rinci: Menggunakan teknik seperti Mass Spectrometry Imaging (MSI). Spektrometer massa digunakan untuk menganalisis molekul secara langsung dari permukaan irisan jaringan tipis, menghasilkan gambar yang menunjukkan di mana molekul tertentu terkonsentrasi.
• Aplikasi Lintas Disiplin:
  • Botani: Melacak sintesis dan penimbunan senyawa toksik sebagai pertahanan di daun atau buah, atau memetakan jalur metabolik cadangan makanan pada biji.
  • Zoologi: Memvisualisasikan distribusi obat di dalam organ, atau memetakan lokasi neurotransmiter di berbagai wilayah otak.

---

C. Bioinformatika dan Pemodelan Tingkat Sistem 💻

Bioinformatika adalah jembatan yang menyatukan data genetik (Botani dan Zoologi) dengan data fisik dan ekologi.

1. Genomik Komparatif Skala Besar

• Prinsip Kerja: Membandingkan seluruh urutan DNA (Genom) ribuan spesies tumbuhan dan hewan.
• Detail Rinci: Menggunakan algoritma untuk mencari urutan DNA yang sangat lestari (conserved sequences) dan urutan yang baru muncul. Urutan lestari menunjukkan fungsi biologis mendasar (misalnya gen Hox pada hewan atau gen pengontrol bunga pada tumbuhan).
• Aplikasi: Merekonstruksi pohon kehidupan yang sangat akurat (Filogenomik), memprediksi kapan peristiwa evolusioner besar terjadi (misalnya, kapan tumbuhan pertama kali memiliki biji), atau mengidentifikasi gen yang membuat spesies tertentu rentan terhadap perubahan lingkungan.

2. Pemodelan Biologi Sistem

• Prinsip Kerja: Menggabungkan data molekuler, seluler, dan fisiologis ke dalam kerangka matematika yang kompleks untuk memprediksi perilaku sistem biologis secara keseluruhan.
• Detail Rinci: Model ini dapat berupa Jaringan Regulasi Gen (bagaimana gen saling mengaktifkan atau menonaktifkan) atau Model Aliran Metabolik (bagaimana nutrisi bergerak melalui jalur biokimia).
• Aplikasi Lintas Disiplin:
  • Botani: Memprediksi hasil panen gandum di bawah skenario perubahan iklim yang berbeda, atau mengoptimalkan jalur biokimia alga untuk produksi biofuel.
  • Zoologi: Memodelkan penyebaran penyakit menular (Epidemiologi) dalam populasi hewan atau memprediksi dampak senyawa toksik pada jaringan organ.