SEL BAHAN BAKAR BIOLOGIS, BISAKAH MENJAWAB TANTANGAN MASA DEPAN?

AHLI kimia sudah menjadi makanan sehari-hari akan reaksi-reaksi reduksi-oksidasi (redoks), karena banyak proses yang meliputi perpindahan elektron dari satu atom atau molekul ke atom atau molekul lainnya.  Reaksi redoks merupakan reaksi yang sangat menarik juga bagi ahli biologi, karena kebanyakan dari jaringan reaksi-reaksi yang membentuk metabolisme suatu sel juga bergantung pada perpindahan elektron. Perakitan dari komponen reaktan-reaktan redoks tertentu, rantai transport elektron, menghasilkan energi bagi sel. Empat puluh tahun setelah penemuan rantai transport elektron (TE) mereka sekali lagi di perbatasan penelitian biokimia. Dua bidang yang sangat menarik adalah konstruksi sel biofuel dan desain rantai transpor elektron (ET) buatan.

 

Redoks untuk Kehidupan

Saat elektron-elektron berpindah antara atom-atom atau molekul-molekul aseptor tereduksi, sementara donor elektron teroksidasi, sehingga proses ini secara keseluruhan disebut reaksi redoks. Pembakaran merupakan satu contoh umum. Bila glukosa dibakar dengan sempurna atom-atom karbon teroksidasi menjadi gas karbon dioksida (CO2) dan hidrogen menjadi air (H2O). Atom-atom oksigen dalam O2 menerima electron dan dengan demikian tereduksi:

C6H12O6

+

6O2

 → 

6CO2

+

6H2O

+

energi

(reduktan)

 

(oksidan)

 

 

 

 

 

 

Reaksi redoks sangat penting terutama dalam biokimia.  Jalur metabolik dari suatu sel merupakan rangkaian dari reaksi-reaksi kimia yang dibutuhkan untuk bertahan hidup, dan kebanyakan dari itu melibatkan perpindahan elektron.  Satu rangkaian reaksi, yang disebut respirasi, terjadi secara kontinyu pada semua sel makhluk hidup untuk memberikan mereka dengan energy yang dapat digunakan. Bakteri melakukan sendiri reaksi ini, tetapi sel-sel hewan atau tanaman mempercayakan pada organelle di antaranya disebut mitokondria untuk melakukan pernafasan.

Selama respirasi, karbohidrat kompleks seperti glukosa dengan cermat memecah satu ikatan pada waktu yang sama. Setiap saat molekul bahan bakar dioksidasi, dengan menghilangkan satu atom karbon atau hidrogen, atau penambahan oksigen, elektron yang dilepaskan dikumpul oleh suatu protein yang disebut pembawa elektron (electron carrier). Pembawa electron mengambil muatan mereka pada protein yang lain, yang melekat pada membrane bakteri (mitokondria). Elektron yang telah dikirimkan ke komponen pertama dari seluruh rangkaian zat pengoksidasi dikenal sebagai rantai transpor elektron (TE).  Elektron yang ditransfer dari protein ke protein menuju rantai TE, masing-masing protein mengoksidasi satu sebelumnya. Beberapa protein sepanjang jalur menggunakan  sebagian energy electron untuk memompa ion H+ (satu proton) menembus membrane dan keluar dari sel tersebut. Proton-proton tersebut dibiarkan mengalir kembali menembus membran melalui satu protein yaitu sintesis ATP, molekul penyimpan energi sel.

Pada akhir dari rantai transpor elektron dilewatkan ke penerima electron terakhir. Beberapa sel mereduksi O2 menjadi air (H2O), yang dikenal sebagai respirasi aerob. Tetapi dalam kondisi-kondisi anaerob, mana kala oksigen tidak tersedia, penerima lain harus ditemukan. Gambar-1 di bawah ini mengilustrasikan proses respirasi aerob tersebut.

Dengan demikian selain dari panas yang dihasilkan dalam respirasi, karena  jika hanya glukosa itu yang akan dibakar, maka sel telah mengendalikan reaksi dan menyimpan energi yang berguna dalam bentuk ATP:

C6H12O6

+

6O2

 → 

6CO2

+

6H2O

+

30ATP

(reduktan)

 

(oksidan)

 

 

 

 

 

(energi)

Oleh karena itu kimia dari reaksi redoks telah dikembangkan menjadi system elektrokimia yang sangat canggih melalui evolusi. Empat puluh tahun setelah penemuannya rantai transport elektron  lagi di sisi penggalan riset biokimia. Kita akan melihat pada dua contoh di sini: membangun sel bahan bakar mikroba dan merancang rantai transpor buatan untuk nanoteknologi.

 

Sel Bahan Bakar Mikroba

Sel-sel bahan bakar bergantung pada reaksi redoks antara agen replenishable untuk menghasilkan listrik. Bahan pereduksdi melewatkan elektronnya ke anoda, mereka menghasilkan arus dalam sirkuit, dan kemudian mereduksi oksidan padaoda. Sebagai contoh,  Pesawat ulang-alik NASA berjalan dengan sel bahan bakar hidrogen-oksigen, tetapi pada prinsipnya setiap pasangan redoks dapat digunakan.

Seperti yang telah kita saksikan, bakteri membuat penggunaan reaksi redoks sangat efisien dalam jalur  respirasi dan rantai transport electron mereka. Apakah itu layak untuk membangun sel biofuel dari bakteri dalam larutan karbohidrat?

Sel bahan bakar mikroba tersebut adalah yang pertama dilaporkan di pertengahan tahun 1980-an, tetapi para ilmuwan tidak pernah mampu untuk mencapai sebuah efisiensi yang wajar. Namun, baru-baru ini saja, dengan penemuan spesies bakteri baru dan publikasi eksperimen terbaru bulan yang lalu, bahwa akhirnya ini tampak praktis.

Ini dimulai dengan ekspedisi ilmiah rutin untuk mencari spesies bakteri yang sebelumnya tidak diketahui, pengerukan untuk sampel sedimen di bawah Oyster Bay di Virginia, USA. Sampel lumpur dibawa ke laboratorium mikrobiologi dan dianalisis untuk melihat apa jenis mikroba yang tumbuh di dalamnya. Beberapa spesies bakteri ditemukan dan kemudian diselidiki dengan lebih dekat untuk karakterisasi mereka.

Uji kemudian dilakukan untuk mengungkap dengan rinci metabolisme mereka, seperti apakah molekul nutrient mereka hidup dari dan apa penerima elektron terakhir dalam jalur pernapasan mereka. Karena hasil dari ini, salah satu dari bakteri baru yang diklasifikasikan sebagai bakteri fakultatif anaerob yang menggunakan ion Fe3+ sebagai penerima elektron.

Ini artinya bahwa meskipun bakteri tersebut dapat bernafas dengan oksigen, ia juga mampu bertahan hidup dalam kondisi-kondisi anaerob. Oksigen sering kali jarang dalam sedimen perairan karena itu digunakan oleh organisme yang bernapas dan berdifusi kembali dengan sangat lambat. Ion-ion metabolik yang teroksidasi relative berlimpah dalam sedimen, namun, terutama dekat muara sungai di mana logam dari batuan telah dilarutkan ke dalam air dan bereaksi dengan oksigen.

Oleh karena itu, bakteri yang baru ditemukan ini ditingkatkan kemampuan untuk mempergunakan besi dioxidasi selain o2  pada akhir dari rantai transpor electron dan ion Fe3+ yang direduksimenjadi Fe2+.  Kini bakteri tersebut telah dinamakan dengan  Rhodoferax ferrireducens dalam metode respirasi terang. Meskipun bakteri pereduksi-besi diketahui, R. ferrireducens memiliki sifat lain yang dapat membantu untuk merevolusi sel bahan bakar organik.

Sel-sel biofuel umumnya terdiri dari dua kompartemen yang terpisah oleh membrane berpori. Bakteri yang ditambahkan ke bagian anoda, yang biasanya menduduki permukaan elektroda itu sendiri daripada mengapung dalam media cair.  Bakteri bernafas dan mengoksidasi karbohidrat yang disediakan dalam media ini. Elektron yang dilepaskan diteruskan ke anoda, dan kemudian ke zat pengoksidasi (biasanya oksigen) dalam kompartemen katoda.

Namun, ada tiga problem utama dengan sel-sel biofuel yang ada: mediator, oksidasi tidak sempurna, dan kurangnya stabilitas jangka-panjang. Mediator ialah pembawa elektron tambahan yang harus ditambahkan pada kebanyakan sel biofuel.

Molekul mediator mengambil elektron secara langsung dari rantai transport sebelum   mereka mencapai penerima elektron terakhir. Elektron ferri mereka untuk anoda di mana mereka teroksidasi dan kemudian tersedia untuk mengumpulkan lebih banyak. Tetapi langkah ekstra ini membuat sel bahan bakar sangat tidak efisien, dan dan biasanya kurang bahwa setengah dari elektron yang dihasilkan oleh oksidasi karbohidrat ditransfer ke anoda.

Namun, R. ferrireducens, dapat menggunakan Fe(III) sebagai penerima elektron, yang ia sendiri ideal untuk menutup elektron ke anoda. Kemampuan ini telah dimanfaatkan oleh Derek Lovley dan timnya di University of Massachusetts, Amerika Serikat, pada sebuah sel biofuel R.ferrireducens, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Hasil dari penelitian ini diterbitkan dalam jurnal Nature Biotechnology bulan lalu.

Lagi pula, banyak sel-sel biofuel konvensional yang tidak mengoksidasi dengan sempurna karbohidrat sehingga banyak energi yang tersedia secara potensial hilang percuma. Sebagai contoh, oksidasi sempurna glukosa menghasilkan 24 elektron, tetapi beberapa sel biofuel hanya dapat mengubah glukosa menjadi asam glukonat, dan dengan demikian hanya melepaskan dua electron. Sel bahan baker makhluk hidup juga dapat tidak stabil, dan sering berhenti mana kala populasi bakterinya mati. R. ferrireducens, pada sisi lain, adalah efisien secara mengherankan dan melepaskan sebanyak-banyaknya 20 elektron yang tersedia. Bakteri menggunakan sisa electron untuk membentuk ATP seperti yang dijelaskan di atas, yang berarti merekan dapat tumbuh dan melipat-gandakan bahkan sambil menghasilkan listrik. Sel biofuel yang dihasilkan itu sangat stabil dan juga mudah isi-ulang. Sekali kebanyakan glukosa digunakan seluruh campuran jarang dialirkan dengan cepat ke luar dan digantikan dengan larutan segar. Bakteri yang bertahan hidup dengan cepat melipat-gandakan diri mengisi kembali populasi dan membawa kembali sel tersebut pada keluaran maksimum.

 

Uji-uji yang dilakukan dalam beaker glass kecil dengan elektroda-elektroda ukuran kartu permainan telah menghasilkan 3,5 x 10-4 Watt tenaga listrik. Namun, ini masih sebuah teknologi yang baru lahir, dan kemampuan menghasilkan dari sel biofuel tersebut dapat dilipat-gandakan berkali-kali. Kenaikan sederhana ukuran sel biofuel akan meningkatkan arus yang dihasilkan, dan lempeng elektroda dapat diganti dengan balok tebal dari busa grafit. Ini memiliki luas permukaan yang besar bagi bakteri untuk mengendap pada dan melewatkan electron-elektron dengan segera ke anoda.

R. ferrireducens memiliki satu lagi keuntungan bahwa sanya ia mampu memetabolisasi karbohidrat sederhana dengan lebih luas.

Kaldu nutrisinya tidak perlu dimurnikan atau dipra-proseskan, dan dengan demikian limbah organic biasa dari lading, rumah tangga atau industri dapat ditangani dengan tipe sel biofuel ini. Selain dibakar atau ditumpuk di lahan kosong, limbah tersebut dapat digunakan  untuk menghasilkan listrik dan membantu meringankan problema emisi karbon dan pemanasan global. Karena karbon dioksida akan dilepaskan ke udara melalui pembakaran atau pembusukan dari limbah ini, kita juga menggunakannya untuk menghasilkan listrik dan mengurangi kebutuhan terhadap pembangkit listrik. Dr Loveley sangat potimistik, dan percaya bahwa  “menggunakan sel biofuel untuk menghasilkan listrik dari bahan limbah organik akhirnya tampaknya dapat dikerjakan dengan mudah “.

Oleh karena itu, sel biofuel merupakan sebuah penggunaan yang sangat efektif dari system transport elektron (TE) bakteri sebagai sebuah keseluruhan. Namun, ahli biokimia yang lain bekerja dengan protein individu yang membangun sebuah rantai TE.  

Sistem Transpor Elektron Rekayasa

Semua pasangan redoks memiliki sebuah potensial standar—yang merepresentasikan nilai kekuatan suatu zat mengoksidasi atay mereduksi yang digunakan untuk menghitung voltase yang dihasilkan oleh sebuah sel elektrokimia. Potensial redoks bahkan dapat ditentukan untuk protein dalam rantai TE. Sebagai contoh, ubiquinone memiliki potensial  +0,10 V, di mana nilai untuk sitokrom c, yang selanjutnya mengalir dalam rantai TE, sebesar +0,22 V. Seperti yang diharapkan, sitokrom c merupakan zat pengoksidasi yang lebih kuat, karena setiap protein dalam rantai tersebut harus mampu untuk mengambil electron dari yang sebelumnya.

Potensial standar ditentukan oleh ikatan kimia antara asam-asam amino, satuan-satuan yang membangun protein. Dengan mengubah beberapa asam amino itu memungkinkan untuk mengubah berapa kekuatan suatu oksidan protein. Ini secara eksak  apakah sekelompok ahli biokimia di Imperial College di London, Inggris, kini melakukan? Menggunakan rekayasa genetik, Gianfranco Gilardi dan tim risetnya secara acak memutasikan gen untuk protein TE tertentu, sehingga beberapa asam amino diganti. Mereka kemudian memilih protein-protein yang dihasilkan tersebut yang memiliki potensial standar tertentu. Hasil dari ini mereka dapat dengan efektif menentukan kekuatan mengoksidasi dari protein rantai transpor (TE) terhadap nilai yang diinginkan. 

Teknik ground-breaking lain yang dikembangkan oleh Dr Gilardi dan timnya dijuluki dengan Lego molekular. Banyak protein kompleks yang dibentuk dari modul-modul atau domain yang berbeda, yang masing-masingnya melakukan fungsi yang berbeda. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk dapat memilih domain dari protein yang terpisah, dan memasukkan mereka bersama-sama menjadi protein chimera baru dengan sifat-sifat yang dibutuhkan. Sebagai contoh, lab Dr Gilardi telah bekerja dengan suatu protein yang disebut sitokrom P450. P450 memiliki tiga domain yang terpisah, termasuk yang mengandung satu atom besi dan katalase mengandung reaksi oksidasi. Domain haem ini baru-baru ini telah digabungkan dengan domain transfer elektron dari protein yang lain, yang disebut flavodoksin (flavodoxin). Bila protein sintetik tersebut adalah tetap ke permukaan elektroda, arus kecil mengalir setiap saat bahwa domain haem mengkatalisis oksidasi molekul target.

Hal ini tidak akan dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik seperti dalam sel biofuel di atas, tetapi dapat digunakan untuk mendeteksi apakah domain haem katalitik sedang aktif atau tidak. Enzim merupakan katalis sangat spesifik, dan hanya beroperasi pada molekul-molekul target tertentu. Oleh karena itu arus hanya dihasilkan  bila senyawa target tersebut ada di sekitar elektroda, dan efek ini dapat digunakan untuk membangun biosensor yang sangat sensitif. Untuk membentuk sebuah sensor yang demikian, pertama-tama kita perlu memilih suatu enzim yang berfungsi pada molekul tersebut adalah menarik, dan kemudian melompat pada domain transport elektron yang menggunakan rekayasa genetik.  Seperti yang dijelaskan di atas, potensial redoks daro modul TE bahkan dapat disetel pada nilai yang tepat yang dibutuhkan.

Jaringan reaksi redoks yang terbentuk oleh evolusi baru-baru ini telah mengilhami banyak riset biokimia. Rantai transpor elektron bakteri adalah yang dieksploitasi untuk menghasilkan listrik dari limbah, dan protein redoks individu direkayasa untuk rantai tiruan. Lego molekular merupakan keadaan dari seri nanoteknologi, dan menjanjikan biosensor sensitif yang bisa dibangun untuk mendeteksi segala sesuatu dari glukosa dalam darah penderita diabetes untuk agen bioterorisme di udara. Bakteri yang umumnya hanya berhubungan dengan penyakit dan kerusakan, tetapi mereka mungkin memegang peranan kunci untuk menghadapi beberapa tantangan terbesar kita di masa depan.***

 

 

 

 

 

 

 

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s