Untuk pertama kalinya, kolaborasi internasional telah menunjukkan bahwa asimilasi karbon sintetis dapat beroperasi lebih efisien dalam sistem hidup daripada rekan alami. Para peneliti di Tobias ERB-S Lab di Max Planck Institute for Microbiology terestrial merekayasa jalur metabolisme sintetis ke dalam bakteri dan menunjukkan secara langsung bahwa ia dapat menghasilkan lebih banyak biomassa secara signifikan dari asam format satu senyawa satu karbon dan CO2 daripada jenis bakteri alami.
Di alam, CO2 terutama ditetapkan melalui siklus Calvin, yang merupakan bagian dari fotosintesis. Namun, jalur fiksasi alami ini memiliki keterbatasan efisiensi. Tobias Erb dan timnya sebelumnya telah mengembangkan siklus buatan seperti siklus Cetch dan Theta, yang mengungguli siklus Calvin alami dalam efisiensi. Jalur ini telah berhasil dalam tabung reaksi tetapi hanya sebagian diintegrasikan ke dalam organisme hidup.
Pendekatan lain untuk fiksasi CO2 di bawah penelitian aktif melibatkan metode fisik-kimia, seperti pengurangan elektrokimia CO2 menjadi asam format menggunakan energi terbarukan. Namun, metode ini berjuang dengan memproses asam format lebih lanjut menjadi molekul kompleks seperti gula atau protein. Beberapa bakteri, di sisi lain, dapat tumbuh pada asam format dan membuat berbagai produk. Oleh karena itu, para peneliti saat ini mengembangkan teknik hibrida yang pertama-tama memperbaiki CO2 secara fisik-kimia menjadi asam format dan kemudian memproses lebih lanjut secara mikroba.
Solusi Hibrida Berkelanjutan
Karena banyak bakteri secara alami mengonversi asam format melalui siklus calvin, alternatif sintetis seperti Cetch dapat digunakan untuk membuat bagian mikroba dari proses hibrida lebih produktif dan menghasilkan bahan baku yang diinginkan lebih berkelanjutan. Tetapi apakah jalur pemrosesan karbon sintetis yang dirancang manusia ini benar-benar lebih efisien daripada yang alami dalam perbandingan langsung?
Untuk menjawab pertanyaan ini, tim peneliti menguji “jalur glisin reduktif,” karena merupakan rute metabolisme sintetis yang paling efisien untuk memproses asam format. Untuk membuktikan bahwa itu dapat mengungguli fiksasi karbon alami secara energik melalui siklus calvin, mereka memilih bakteri non-fototrofik Cupriavidus Nervatoryang secara alami menggunakan siklus calvin untuk memetabolisme asam format. Pada tahun 2020, salah satu kolaborator tim-S, Nico Claassens dari Wageningen University, telah berhasil memperkenalkan jalur glisin reduktif ke dalam organisme ini. Namun, tingkat pertumbuhan yang dihasilkan dan indikator hasil imbal hasil biomassa dari efisiensi metabolisme-lebih rendah daripada bakteri yang tidak dimodifikasi.
Optimasi melalui evolusi laboratorium
Dalam studi baru, para peneliti mentransplantasikan jalur glisin reduktif lengkap ke dalam genom bakteri-S, kali ini mengoptimalkan efisiensinya. Mereka menggunakan elemen DNA seluler yang mampu mengintegrasikan secara acak ke dalam genom dan memuatnya dengan komponen jalur glisin reduktif. Dengan mengoptimalkan modifikasi genom melalui evolusi laboratorium untuk pertumbuhan pada asam format, mereka meningkatkan efisiensi jalur-S. “Sel-sel di mana gen jalur glisin reduktif diintegrasikan dan diekspresikan tumbuh lebih baik daripada yang lain dan diperkaya secara selektif sampai produksinya dekat dengan optimal fisiologis,” jelas Beau Dronsella, penulis pertama studi-s.
Strain yang dimodifikasi dan dioptimalkan secara buatan mampu menghasilkan lebih banyak biomassa secara signifikan dari asam format dan CO2 daripada strain bakteri alami. Para peneliti bahkan mengukur hasil biomassa yang lebih tinggi daripada produksi biomassa berbasis asam format yang dicatat sebelumnya oleh organisme menggunakan siklus calvin atau jalur sintetis. Namun, strain yang dimodifikasi secara artifisial hanya setengah secepat yang alami.
Potensi bioproduksi di masa depan
Para peneliti tetap optimis bahwa evolusi laboratorium adaptif dapat semakin menutup kesenjangan ini. Bukti bahwa biologi sintetis memang dapat digunakan lebih efisien dalam pengaturan bioteknologi untuk memperbaiki karbon tidak hanya relevan untuk jalur glisin reduktif tetapi untuk banyak rute metabolisme buatan yang sedang dikembangkan. “Temuan kami memiliki potensi besar untuk bioproduksi berkelanjutan dari asam format dan juga dapat meningkatkan proses bioproduksi yang ada,” kata Beau Dronsella. “Pada akhirnya, asam format-serupa terhadap hidrogen-dapat berfungsi sebagai pembawa energi kimia, yang memungkinkan surplus energi terbarukan disimpan dan digunakan untuk bioproduksi di masa depan.” Untuk Tobias ERB, penelitian ini menandai tonggak penting dalam bidang biologi sintetis yang muncul: “Sangat menarik bahwa, dengan biologi sintetis, kita dapat merancang solusi baru dalam beberapa tahun yang mengungguli apa yang telah berkembang secara alami selama miliaran tahun.”
Drone, B.; Orsi, E.; Schulz-Mirbach, H.; Bennito-Vaker, S.; Yilmaz, S.; Glatter, T.; Bar-Even, a .; Erb, tje; Classens, NJ
