Para Ilmuwan Membuka Hubungan Listrik untuk Sel-sel Hidup

Minggu, 24 Oktober 2010 - Strategi kami didasarkan pada penyadapan langsung ke dalam rantai transportasi elektron molekul yang digunakan sel untuk menangkap energi secara efisien."

---

Terminator. Borg. Six Million Dollar Man. Fiksi ilmiah sudah siap dengan makhluk biologis bersenjata disertai kemampuan artifisialnya. Namun dalam kenyataannya, hubungan kikuk di antara dunia hidup dan non-hidup seringkali kekurangan saluran yang jelas untuk komunikasi. Sekarang, para ilmuwan di Lawrence Berkeley National Laboratory (Lab Berkeley) telah merancang hubungan listrik untuk sel hidup rekayasa ke elektron antar-jemput di keseluruhan membran sel ke akseptor eksternal di sepanjang jalur yang jelas. Saluran langsung ini dapat menghasilkan sel-sel yang dapat membaca dan menanggapi sinyal elektronik, elektroniknya mampu mereplikasi dan perbaikan diri, atau secara efisien mentransfer cahaya matahari menjadi listrik.

“Penyatuan dunia hidup dan non-hidup merupakan gambaran kanonik dalam fiksi ilmiah,” kata Caroline Ajo-Franklin, staf ilmuwan dari Fasilitas Nanostruktur Biologi di Foundry Molekuler. “Namun, sebagian besar upaya untuk menyatukan sistem hidup dan non-hidup, Anda aduk sel-selnya dengan benda keras yang tajam, dan sel-sel merespon dengan cara yang dapat diprediksi – mereka mati. Namun, banyak organisme alam telah berevolusi untuk berinteraksi dengan bebatuan dan mineral yang merupakan bagian dari lingkungan mereka. Di sini, kami mengambil inspirasi dari pendekatan alam dan menumbuhkan hubungan sel keluar.”

Memancing elektron melintasi membran selular bukanlah hal yang sepele: upaya untuk menarik elektron dari sel dapat mengganggu fungsi, atau membunuh seluruh sel dalam prosesnya. Terlebih lagi, pada teknik saat ini, mentransfer elektron selular ke sumber eksternal kekurangan sebuah peta jalan molekul, artinya, jika elektron-elektron tiba di luar sel, tidak ada cara untuk mengarahkan perilaku mereka, menemukan di mana mereka berhenti di sepanjang jalan, atau mengirim sinyal kembali ke bagian dalam sel.

“Kami tertarik dalam mencari jalur yang tidak akan membunuh sistem kehidupan yang sedang kami pelajari,” kata Heather Jensen, seorang mahasiswa pascasarjana dari Universitas California, Berkeley, yang tesis kerjanya merupakan bagian dari publikasi ini. “Dengan menggunakan sistem yang hidup dalam elektronik, suatu hari kita bisa menciptakan bioteknologi yang dapat memperbaiki dan mereplikasi diri.”

Dalam pendekatan mereka, Jensen, Ajo-Franklin beserta para kolega pertama mengkloning bagian rantai transfer elektron ekstraselular dari spesies Shewanella oneidensis MR-1, sejenis bakteri laut dan tanah yang mampu mengurangi logam berat dalam lingkungan bebas oksigen. Rantai ini atau “kaset genetik” pada dasarnya merupakan hamparan DNA berisi instruksi untuk membuat saluran elektron. Selain itu, karena semua kehidupan seperti yang kita tahu menggunakan DNA, kaset genetik dapat dipasang ke dalam organisme apapun. Tim peneliti menunjukkan bahwa jalur elektron alami ini bisa muncul ke dalamE. coli (yang tidak berbahaya) – bakteri model serbaguna di bidang bioteknologi – ke saluran elektron yang tepat di dalam sel hidup untuk suatu mineral anorganik: oksida besi, yang juga dikenal sebagai karat.

Bakteri di dalam lingkungan tanpa oksigen, seperti Shewanella, menggunakan oksida besi di lingkungan mereka untuk bernapas. Akibatnya, bakteri ini mengembangkan mekanisme pada transfer muatan langsung ke mineral anorganik yang ditemukan di kedalaman laut atau tanah. Tim Lab Berkeley menunjukkan bahwa E. coli rekayasa mereka secara efisien dapat mengurangi nanopartikel besi dan oksida besi – yang kemudian lima kali lebih cepat daripada E. coli itu sendiri.

“Terobosan ini merupakan bagian dari proyek Departemen Energi yang lebih besar dalam memelihara kehidupan pada tingkat sel dan molekul. Dengan menggabungkan langsung perangkat sintetik dengan organisme hidup, kami dapat memanfaatkan kemampuan hidup secara luas dalam konversi fotosintetis dan energi kimia, sintesis kimia, serta perakitan dan perbaikan diri,” kata Jay Groves, seorang ilmuwan fakultas di Lab Berkeley dan juga profesor kimia di Universitas California, Berkeley. “Sel-sel memiliki cara-cara canggih dalam mentransfer elektron dan energi listrik. Namun, hanya dengan menempelkan elektroda ke dalam sel tidak seefektif menempel jari Anda pada stopkontak listrik saat kelaparan. Sebaliknya, strategi kami didasarkan pada penyadapan langsung ke dalam rantai transportasi elektron molekul yang digunakan sel untuk menangkap energi secara efisien.”

Para peneliti berencana menerapkan kaset genetik pada bakteri fotosintetik, sebagaimana elektron selular dari bakteri-bakteri ini dapat diproduksi dari sinar matahari – maka hal itu menyediakan  baterai surya  replikasi diri yang murah. Bakteri-bakteri pengurang logam ini juga dapat membantu dalam memproduksi obat farmasi, kata Ajo-Franklin, sebagai langkah fermentasi dalam pembuatan obat yang membutuhkan energi-intensif untuk memompa oksigen. Sebaliknya, bakteri-bakteri rekayasa ini bernapas menggunakan karat, bukan oksigen, hemat energi.

Makalah pelaporan penelitian ini berjudul, “Engineering of a synthetic electron conduit in living cells,” muncul dalam Proceedings of the National Academy of Sciences. Para penilus mitra makalah Jensen adalah Ajo-Franklin, sedangkan mitra Groves adalah Harun Albers, Konstantin Malley, Yuri Londer, Bruce Cohen, Brett Helms dan Peter Weigele.

Bagian pekerjaan di Molecular Foundry ini didukung oleh DOE’s Office of Science.

Sumber Artikel: newscenter.lbl.gov
Referensi Jurnal:
H. M. Jensen, A. E. Albers, K. R. Malley, Y. Y. Londer, B. E. Cohen, B. A. Helms, P. Weigele, J. T. Groves, C. M. Ajo-Franklin. Engineering of a synthetic electron conduit in living cells. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010; DOI: 10.1073/pnas.1009645107