Harapan Baru pada Bakteri ”E.coli”

Rekayasa genetika menciptakan ”strain” baru bakteri ”E. coli” pemakan karbon dioksida. Temuan ini berpeluang mengubah bakteri menjadi pabrik energi, bahkan sumber makanan.

Para ilmuwan berhasil merekayasa strain bakteri Escherichia coli yang tumbuh dengan mengonsumsi karbon dioksida, bukan gula atau molekul organik lain sebagaimana lazimnya. Pencapaian ini merupakan tonggak sejarah karena secara drastis mengubah pola hidup organisme yang bisa memengaruhi seluruh kehidupan di Bumi.

Seluruh organisme di Bumi dibagi menjadi dua, yaitu pertama bersifat autotrofik yang mengonsumsi karbon dioksida (CO2) menjadi biomas. Kedua, bersifat heterotrofik yang mengonsumsi material organik.

NATIONAL INSTITUTES OF HEALTH++Salah satu mikroba usus adalah bakteri Escherichia coli

Tanaman umumnya termasuk jenis autotrofik, yang mengonsumsi karbon dari CO2 dan dengan bantuan sinar matahari bisa melangsungkan proses fotosintesis untuk hidupnya. Mereka lalu melepas oksigen (O2). Organisme autotrofik mendominasi biomassa di Bumi dan memasok banyak makanan dan bahan bakar kita.

Sebaliknya, fauna, temasuk spesies manusia, umumnya mengonsumsi material organik dan menghirup oksigen, untuk kemudian melepaskan CO2. Mekanisme ini secara alami telah membentuk keseimbangan siklus hidup di Bumi.

Keseimbangan itu belakangan terganggu ketika manusia mengekstrak karbon dari minyak bumi dan batubara, yang sebenarnya merupakan fosil flora fauna yang terperangkap selama jutaan tahun. Pembakaran karbon yang masif sejak revolusi industri sekitar 200 tahun lalu menyebabkan efek gas rumah kaca dan menjadi sumber utama pemanasan global.

Data terbaru menunjukkan, emisi karbon dioksida di Bumi naik rata-rata 1,5 persen per tahun selama satu dekade terakhir atau setara dengan 55,3 miliar ton karbon dioksida pada 2018. Jika tren ini berlanjut, kenaikan suhu global dikhawatirkan bakal mencapai 3,2 derajat celsius.

Ron Milo, seorang ahli biologi di Institut Ilmu Pengetahuan Weizmann di Rehovot, Israel, dan timnya, berhasil mengubah karakter bakteri E. coli yang semula bersifat heterotrofik menjadi autrotrofik. Temuan dipublikasikan di jurnal Cell pada 27 November 2019.

Dengan temuan ini, E. coli pemakan CO2 dapat digunakan untuk membuat molekul karbon organik sebagai biofuel, bahkan menciptakan makanan. Produk yang dibuat dengan cara ini akan memiliki emisi lebih rendah dibandingkan produksi konvensional. Tak hanya itu, temuan ini berpeluang membantu mengatasi krisis iklim yang disebabkan meningkatnya emisi karbon dioksida.

Rekayasa genetika
Milo dan timnya menghabiskan satu dekade terakhir untuk merombak pola makan bakteri E. coli, yang umumnya terdapat di pencernaan manusia ini. Bakteri E. coli dipilih karena mudah dibiakkan dan cepat tumbuh sehingga bisa dipantau perubahannya. Mereka menggunakan campuran rekayasa genetika dan evolusi laboratorium untuk membuat strain E. coli yang bisa mendapatkan semua kebutuhan karbonnya dari CO2.

”Tujuan utama kami adalah menciptakan platform ilmiah yang dapat membantu mengatasi tantangan terkait produksi pangan dan bahan bakar berkelanjutan dan pemanasan global yang disebabkan oleh emisi CO2,” kata Milo.

Tantangan besar dalam biologi sintetik adalah menghasilkan autotropi sintetis dalam model organisme heterotrofik. Berbagai kajian sebelumnya untuk merekayasa organisme model heterotrofik menjadi mengonsumsi CO2 sebagai satu-satunya sumber karbon telah gagal.

”Dari sudut pandang teori, transformasi besar dalam makanan bakteri, dari ketergantungan pada gula hingga beralih menjadi hanya mengonsumsi CO2 adalah mungkin. Itulah yang kemudian kami coba rekayasa di laboratorium,” kata penulis pertama Shmuel Gleizer dari Institut Sains Weizmann.

”Selain menguji kelayakan transformasi semacam itu di laboratorium, kami ingin tahu seberapa ekstrem adaptasi diperlukan untuk mengubah cetak biru DNA bakteri,” katanya lagi.

Di alam, tumbuhan dan cyanobacteria memberi daya pada konversi ini dengan cahaya, tetapi hal itu tidak bisa dilakukan E. coli. Kemudian mereka menonaktifkan enzim sentral dari E. coli yang terlibat dalam pertumbuhan heterotrofik, membuat bakteri lebih tergantung pada jalur autotrofik untuk pertumbuhan. Milo dan tim juga menyisipkan gen yang memungkinkan bakteri mengumpulkan energi dari molekul organik yang disebut ”format” sehingga bisa mengonsumsi CO2.

Dengan penambahan gen, bakteri ini menolak untuk mengonsumsi gula dengan CO2. Para peneliti lalu membiakkan E. coli yang dimodifikasi ini selama satu tahun berturut-turut dengan hanya jumlah gula yang sedikit dan CO2 pada konsentrasi sekitar 250 kali lipat dari yang ada di atmosfer Bumi.

Mereka berharap bakteri akan berevolusi dan mengalami mutasi untuk beradaptasi dengan diet baru ini. Setelah sekitar 200 hari, sel-sel pertama yang mampu menggunakan CO2 sebagai satu-satunya sumber karbon muncul. Dan setelah 300 hari, bakteri ini tumbuh lebih cepat di kondisi laboratorium daripada yang tidak mengonsumsi CO2.

Dengan mengurutkan genom dari sel autotrofik yang berevolusi, para peneliti menemukan bahwa sedikitnya ada 11 mutasi yang diperoleh melalui proses evolusi dalam kemostat. Satu set mutasi memengaruhi gen yang meng-kode enzim yang terkait dengan siklus fiksasi karbon.

Kategori kedua terdiri dari mutasi yang ditemukan pada gen yang biasanya diamati bermutasi dalam eksperimen evolusi laboratorium adaptif sebelumnya, menunjukkan bahwa mereka tidak harus spesifik untuk jalur autotrofik. Kategori ketiga terdiri dari mutasi pada gen tanpa peran yang diketahui.

Studi ini untuk pertama kali berhasil memicu proses evolusi bakteri sesuai dengan kriteria yang diinginkan. Meski merupakan sukses besar, para peneliti ini mengatakan masih ada kelemahan. Strain bakteri baru yang ditemukan ini melepaskan lebih banyak CO2 daripada yang dikonsumsi melalui fiksasi karbon.

Selain itu, dibandingkan E. coli biasa, yang dapat berlipat dalam setiap 20 menit, strain baru E. coli autotrofik ini berbiak lebih lambat, yaitu 18 jam sekali ketika berada di atmosfer dengan kondisi karbon dioksida 10 persen.

Ke depan, menurut Milo, timnya akan mencoba memasok energi melalui listrik terbarukan untuk mengatasi masalah pelepasan CO2 ini, untuk mencoba mempersempit mutasi yang paling relevan untuk pertumbuhan autotrofik.

”Temuan ini membuka prospek baru yang menarik untuk menggunakan bakteri hasil rekayasa mengubah produk yang kita anggap limbah menjadi bahan bakar, makanan, atau senyawa menarik lainnya,” kata Milo.

Kajian ini juga dapat berfungsi sebagai platform untuk lebih memahami dan meningkatkan mesin molekuler yang merupakan dasar produksi makanan untuk kemanusiaan dan dengan demikian membantu di masa depan untuk meningkatkan hasil pertanian. Namun, masih butuh beberapa tahun sampai kita melihat organisme ini diaplikasikan.

Oleh AHMAD ARIF

Editor EVY RACHMAWATI

Sumber: Kompas, 2 Desember 2019