E. coli yang Menghirup Listrik Dapat Menjadi Kekuatan Masa Depan Bioteknologi

E. coli Menggunakan Listrik untuk Bernafas: Penemuan Terobosan Dijelaskan

Secara teori, perbedaan antara mesin buatan manusia dan biologi cukup jelas. Penemuan kita kebanyakan beroperasi dengan listrik, sementara kehidupan, mulai dari bakteri hingga manusia, berjalan dengan reaksi kimia. Namun, mungkin perbedaan tersebut tidak sesederhana yang kita asumsikan sebelumnya.

Peneliti di Rice University, University of California, dan Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability telah menemukan bahwa bakteri yang umum terdapat di usus kita menggunakan listrik untuk “bernafas”, alih-alih menggunakan oksigen, dalam proses yang disebut respirasi ekstraseluler.

“Penelitian kami tidak hanya memecahkan misteri ilmiah yang telah lama ada, tetapi juga menunjukkan strategi bertahan hidup baru yang berpotensi luas di alam.”

Ajo-Franklin – Profesor Biosains

Hal ini dapat memiliki aplikasi di luar penelitian biologi, karena proses tersebut meniru cara baterai melepaskan arus listrik.

Temuan mereka dipublikasikan dalam jurnal ilmiah bergengsi Cell, dengan judul “Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli”.

Memahami Respirasi dan Transfer Elektron pada Mikroba

Pada dasarnya, respirasi adalah proses listrik, atau lebih tepatnya, proses elektrokimia. Ia mengambil molekul berenergi dan mentransfer elektron melalui rantai protein yang kompleks hingga mengubah oksigen menjadi air, dengan menambahkan ion hidrogen (H+) dan elektron (e-).

Namun tidak ada yang memaksa proses ini hanya menggunakan oksigen. Misalnya, hal ini terjadi selama fermentasi, tetapi prosesnya jauh kurang efisien dibandingkan respirasi, atau reaksi oksidasi, karena tidak ada oksidasi akhir yang terjadi.

Secara teori, penerima akhir elektron apa pun dapat berfungsi untuk respirasi, dan serupa dengan respirasi berbasis oksigen, meskipun dalam praktiknya, hal ini jauh dari sederhana.

Bagaimana E. coli Menggantikan Oksigen dengan Respirasi Ekstraseluler

Inilah yang tepatnya ditemukan oleh para peneliti. Bakteri Escherichia coli dapat menggunakan senyawa yang disebut naftokuinon untuk mentransfer elektron ke permukaan eksternal.

Proses respirasi ekstraseluler ini telah dikenal selama bertahun-tahun, tetapi ini adalah pertama kalinya cara kerjanya dijelaskan.

“Mekanisme respirasi yang baru ditemukan ini merupakan cara yang sederhana dan cerdik untuk menyelesaikan tugas.

Naftokuinon berfungsi seperti kurir molekuler, membawa elektron keluar dari sel sehingga bakteri dapat memecah makanan dan menghasilkan energi.”

Biki Bapi Kundu – mahasiswa doktoral Rice

Jadi alih-alih bernafas dengan oksigen, bakteri dapat “bernafas” melalui oksidasi material di sekitarnya dengan membuatnya menerima elektron berlebih.

Hal ini menunjukkan bahwa selain respirasi normal dan fermentasi, ini merupakan metode ketiga bagi bakteri untuk memproses makanan dan menghasilkan energi.

Eksperimen Berbasis Elektroda Mengonfirmasi Penggunaan Listrik oleh Bakteri

Dengan menggunakan pemodelan komputer, simulasi mengungkapkan bahwa bakteri dapat mempertahankan diri dengan melepaskan elektron secara eksternal.

Para peneliti kemudian mencoba menumbuhkan bakteri pada area yang kaya akan permukaan konduktif, seperti elektroda yang dapat menerima elektron yang ditransfer oleh naftokuinon.

Pengujian laboratorium lebih lanjut mengonfirmasi bahwa bakteri yang ditempatkan pada material konduktif terus tumbuh dan menghasilkan listrik, secara efektif bernafas melalui permukaan. Bakteri juga mengalami perubahan besar dalam fungsi metabolik dan ekspresi genetik mereka saat beralih ke respirasi ekstraseluler.

Aplikasi Listrik Bakteri dalam Teknologi Bersih dan Bioteknologi

Elektron yang menggerakkan reaksi kimia dan oksidasi merupakan dasar dari beberapa reaksi kimia paling penting, termasuk banyak yang menjadi fokus utama teknologi bersih.

Secara khusus, fiksasi karbon dioksida dapat dibantu oleh proses ini, dengan teknik yang memanfaatkan bakteri seperti E. coli alih-alih tumbuhan untuk menangkap karbon.

“Pekerjaan kami meletakkan dasar untuk memanfaatkan karbon dioksida melalui listrik terbarukan, di mana bakteri berfungsi serupa dengan tumbuhan yang menggunakan sinar matahari dalam fotosintesis.

Ini membuka pintu untuk membangun teknologi yang lebih cerdas dan berkelanjutan dengan biologi sebagai inti.”

Ajo-Franklin – Profesor Biosains

Proses bioteknologi seperti pengolahan air limbah dan bioproduksi dapat ditingkatkan secara signifikan melalui pengelolaan ketidakseimbangan elektron yang lebih baik. Bakteri yang menghembuskan listrik dapat ditambahkan ke operasi ini dan memperbaiki ketidakseimbangan tersebut agar sistem berjalan secara efisien.

Aplikasi potensial lainnya dapat berupa sensor bioelektronik di lingkungan yang kekurangan oksigen, menggunakan metode transfer elektron ini untuk menggantikan oksigen. Hal ini dapat berguna untuk alat baru dalam diagnostik medis, pemantauan polusi, dan eksplorasi ruang angkasa dalam.

Masa Depan Bioelektrisitas: Apa Artinya bagi Bioteknologi

Namun, masih sangat sedikit yang dipahami tentang kapasitas biokimia kompleks mikroba, bahkan bakteri, sebagaimana dipelajari dan “dipahami” sebagai E. coli, model laboratorium umum bagi mikrobiolog.

Hal ini membuka gagasan menarik tentang bagaimana penemuan baru dalam elektrobiologi dapat digunakan untuk merancang solusi yang lebih baik bagi baterai, sensor, pengelolaan polusi, produksi bioproduk, dll.

Kemungkinan besar, hal ini dapat dilakukan dengan mereplikasi secara artifisial proses yang digunakan oleh E. coli dan akhirnya dijelaskan hari ini.

Dalam konteks itu, protein buatan atau molekul serupa dapat melakukan transfer elektron secara terkontrol dan dapat diprediksi.

Berinvestasi dalam Biologi Sintetis

Ginkgo Bioworks

Perusahaan ini memproduksi organisme sesuai permintaan untuk aplikasi spesifik, termasuk aplikasi biomedis serta program ilmu industri dan material.

Ia juga memiliki segmen biosekuriti yang besar, yang berkembang pesat selama pandemi. Dalam kebanyakan kasus, beberapa bentuk evolusi terarah digunakan dalam produksi dan seleksi produk Ginkgo, serta rekayasa genetika tingkat lanjut.

Ginkgo Bioworks (DNA ) telah mendiversifikasi aplikasinya secara luas dengan banyak program riset dan kemitraan:

• Kanabinoid
• Mikroba dapat diprogram untuk penyakit usus
• Bioremediasi mikroplastik
• Daur ulang limbah dan kontaminan

Ia menghasilkan uang dengan menerima pembayaran di muka untuk proses pengembangan dan kemudian melalui royalti pada produk jadi.

Kemitraan Gingko terus berkembang, dengan:

• Kemitraan yang terus berkembang dengan Novo Nordisk.
• Kemitraan dengan perusahaan dagang Jepang Sojitz Corporation.
• Pendanaan DARPA untuk protein baru yang mengendalikan es dalam lingkungan cuaca sangat dingin.
• Kesepakatan $331 juta dengan Pfizer.
• Kesepakatan $490 juta dengan Merck untuk mengoptimalkan produksi biologik.
• Kesepakatan $406 juta dengan Boehringer Ingelheim untuk target yang tidak dapat diobati.

Ginkgo Bioworks juga bermitra dengan semua perusahaan pertanian besar, yang sebagian besar memiliki kepentingan dalam produksi biofuel dan mikrobiologi. Beberapa di antaranya meliputi Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta, dan lainnya.

Pengalaman Gingko dalam desain khusus urutan genetik, organisme, dan seleksi, serta dalam pemantauan biosekuriti, menjadikannya penyedia kunci bagi setiap industri yang ingin memanfaatkan enzim dan antibodi untuk aplikasi spesifik mereka.

Sebagai penyedia layanan, Gingko berada pada posisi yang baik untuk memanfaatkan pertumbuhan industri secara keseluruhan.

Model bisnisnya sedang berkembang, dengan beberapa opsi potensial untuk masa depan. Salah satunya bisa berupa peralihan ke arah yang lebih berfokus pada perangkat keras, sesuatu yang sudah dimulai dengan penjualan laboratorium otomatis kepada peneliti, setelah sebelumnya sebagian besar mengoperasikan fasilitas tersebut secara langsung.

Opsi lain dapat berupa Ginkgo memulai lebih banyak manufaktur kontrak produk bio dalam skala besar. Keahliannya dalam biosains, desain perangkat keras laboratorium, dan optimasi produksi untuk raksasa seperti Merck memberikannya kredensial kuat untuk berhasil di jalur ini.

Terakhir, perlu dicatat bahwa aset perusahaan, seperti misalnya miliaran dolar dalam laboratorium basah otomatis, sangat didiskon pada kapitalisasi pasar saat ini.

Anda juga dapat membaca detail lebih lanjut tentang Gingko Bioworks dalam laporan investasi khusus tentang perusahaan tersebut.

Berita Saham Gingko Bioworks dan Perkembangan Terbaru

Referensi Studi:

1. Biki Bapi Kundu, et al. (2025) Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli. Cell. 10 April 2025.