Bayangkan karbon dioksida yang biasanya dipandang sebagai emisi justru dipakai sebagai bahan baku untuk menumbuhkan biomassa hidup. Itulah arah riset terbaru dari Inggris, ketika cahaya matahari, enzim, dan bakteri E. coli rekayasa digabungkan dalam satu reaktor cair untuk mengubah CO2 menjadi sesuatu yang berguna.
Yang membuat pendekatan ini menarik bukan hanya hasil akhirnya, tetapi cara kerjanya yang mencoba menyatukan proses kimia dan biologi dalam satu sistem. Jika platform seperti ini terus dikembangkan, bahan kimia dan material suatu hari berpotensi diproduksi dari udara dengan bantuan energi terbarukan, tanpa bergantung penuh pada minyak, batu bara, dan gas alam.
Tim yang dipimpin Dr. Lin Su dari Queen Mary University of London mengembangkan reaktor surya terintegrasi yang meniru sebagian fotosintesis, tetapi tanpa tanaman, alga, atau mikroba fotosintetik alami. Hasil kerja itu dipublikasikan di Journal of the American Chemical Society, dan memperlihatkan bagaimana penangkapan karbon serta pertumbuhan sel bisa dijalankan di lingkungan cair yang sama.
Di dalam sistem itu, satu elektroda memecah air dan menghasilkan oksigen. Oksigen tersebut membantu pertumbuhan bakteri, sementara elektroda lain memakai enzim untuk menangkap karbon dioksida terlarut dan mengubahnya menjadi formate.
Formate adalah molekul sederhana berbasis satu atom karbon yang menyimpan energi kimia. Senyawa ini dianggap menjanjikan karena dapat dibuat langsung dari CO2 dengan energi terbarukan dan berpotensi menjadi pembawa energi untuk manufaktur rendah karbon.
Setelah formate terbentuk, E. coli rekayasa memakainya sebagai sumber energi. Dengan bantuan oksigen dari sistem, bakteri itu mengambil energi dari formate lalu memakai karbon dioksida untuk membangun biomassa baru.
Pemilihan E. coli juga bukan tanpa alasan. Peneliti memilih bakteri ini karena genetika dan metabolismenya sudah dipahami sangat baik, sehingga lebih mudah dipakai untuk kebutuhan rekayasa dibanding banyak bakteri alami lain yang bisa tumbuh memakai formate.
Meski begitu, strain E. coli yang mampu memakai formate sebelumnya masih tumbuh lambat. Untuk mempercepatnya, tim melakukan adaptive laboratory evolution selama 168 hari dengan membiakkan bakteri berulang kali dalam kondisi berbasis formate.
Hasilnya cukup menonjol. Strain yang berevolusi mencapai tingkat pertumbuhan serupa hanya dalam dua hari, bukan hampir dua minggu.
Di sisi produksi formate, tim memakai enzim formate dehydrogenase yang dipasang pada elektroda titanium dioksida khusus. Mereka juga menambahkan enzim carbonic anhydrase untuk mempercepat pemrosesan CO2 dan menjaga kestabilan keasaman lokal.
Saat listrik dialirkan, sistem menghasilkan sekitar 650 mikromole formate per sentimeter persegi selama 10 jam operasi. Hampir semua elektron yang masuk dipakai untuk membentuk formate, dengan hasil Faradaic mendekati 98%.
Setelah itu, para peneliti memasukkan strain E. coli yang sudah berevolusi ke larutan kaya formate. Dalam beberapa hari, bakteri menghabiskan sebagian besar formate dan biomassanya terus meningkat.
Tahap berikutnya memakai tenaga surya secara langsung lewat sel surya organik yang memberi tegangan cukup untuk mereduksi CO2. Pilihan ini juga penting karena tidak melepas ion logam beracun yang bisa merusak bakteri.
Perangkat lengkap itu disebut semiartificial leaf. Di atas platform kaca kecil, photocathode semikonduktor organik dan photoanode bismuth vanadate bekerja bersama untuk membelah air, menghasilkan oksigen, dan mengubah CO2 menjadi formate.
Reaktor itu berjalan selama 20 jam di bawah cahaya dan tetap mendukung kelangsungan hidup bakteri. Saat tim memakai CO2 berlabel karbon-13, formate yang terbentuk juga membawa karbon-13, sehingga asal karbon dari CO2 benar-benar terverifikasi.
Walau masih sebatas bukti konsep awal, hasil ini menunjukkan arah yang cukup jelas. Ukurannya masih kecil dan perangkat baru bekerja dalam hitungan jam, bukan minggu, tetapi platformnya dianggap punya modal untuk dikembangkan lebih jauh.
Para peneliti menilai tantangan berikutnya ada pada efisiensi, stabilitas jangka panjang, manajemen oksigen, dan produktivitas. Jika aspek-aspek itu meningkat, sistem semacam ini bisa menjadi fondasi bagi formate bioeconomy dan pabrik surya yang memproduksi plastik, bahan kimia khusus, bahan bakar, atau protein mikroba.
Dr. Celine Wing See Yeung dari University of Cambridge menyebut karya ini sebagai hasil kerja lintas bidang yang telah bertahun-tahun dikembangkan. Para peneliti juga menekankan bahwa kekuatan utama sistemnya ada pada sifat modular, karena enzim, material surya, atau strain bakteri bisa diganti untuk menghasilkan molekul yang berbeda.
-
-
-
-
