Pamela Silver sedang mengeksplorasi penggunaan ekstrofil laut dalam untuk menciptakan biofuel baru. Dia menggambarkan bakteri yang bekerja dengannya sebagai "seperti baterai kecil."
"Biologi adalah ahli kimia terbaik di luar sana," kata ilmuwan Harvard Pamela Silver. Departemen Energi A.S. mendanai penelitian Silver yang mengeksplorasi penggunaan ekstrofil laut dalam untuk membuat biofuel baru. Dia menggambarkan bakteri yang bekerja dengannya sebagai "seperti baterai kecil" yang menggerakkan elektron. Tujuan Silver adalah memprogram genetik bakteri laut ini untuk memulihkan karbon dari udara atau air dan memprosesnya menjadi bahan bakar. Wawancara ini adalah bagian dari seri EarthSky, Biomimicry: Nature of Innovation, diproduksi dalam kemitraan dengan Fast Company dan disponsori oleh Dow. Silver berbicara dengan EarthSky's Jorge Salazar.
Pamela Silver
Jelaskan proyek yang Anda pimpin ...
Proyek kami mengeksplorasi rekayasa balik bakteri untuk bahan bakar. Ini adalah proyek yang didanai DOE yang disebut Proyek ElectroFuels. Ini berasal dari aspirasi oleh DOE untuk berpikir tentang memperoleh biofuel dari organisme selain yang standar.
Organisme industri standar mungkin adalah e-coli, ragi, atau bahkan bakteri fotosintetik. Tetapi ada banyak jenis bakteri lain di dunia, yang sering disebut ekstrofil, yang hidup jauh di lautan, di ventilasi, atau di tanah.
Beberapa bakteri ini mampu memindahkan elektron masuk dan keluar dari mereka. Idenya adalah bahwa elektron-elektron tersebut dapat memberikan tenaga atau energi yang berkurang ditambah dengan fiksasi CO2, atau karbon, untuk menghasilkan biofuel.
Apa yang baru tentang penelitian ini?
Penelitian ini sangat berbeda dari apa yang telah terjadi sebelum ini, dan itulah yang menarik bagi kami. Langitnya juga cukup biru untuk Departemen Energi. Itu didanai oleh sesuatu yang disebut Program ARPA-E, yang dimaksudkan untuk mendanai penelitian bergaya petualangan. Apa yang baru di sini adalah gagasan bahwa kita akan menggunakan berbagai jenis mikroba atau ekstrofil ini dengan cara yang berbeda, untuk mengambil listrik, membubuhkan karbon dan menghasilkan bahan bakar. Itu usaha besar. Tapi itu berbeda dari menggunakan tebu sebagai sumber karbon untuk bahan bakar, atau menggunakan sinar matahari, yang akan Anda gunakan dengan tanaman, atau bakteri fotosintesis.
Bagaimana cara kerjanya? Bagaimana bakteri laut dalam membuat bahan bakar?
Bakteri laut Shewanella
Ada tiga hal yang perlu dilakukan bakteri ini. Kita membutuhkan mereka untuk menerima listrik atau elektron. Itu salah satu bagian yang perlu kita lakukan. Kedua, mereka perlu memiliki karbon karena Anda membutuhkan karbon untuk menghasilkan bahan bakar. Dan kemudian kita perlu merekayasa mereka untuk menghasilkan bahan bakar.
Departemen Energi sangat tertarik dengan bahan bakar yang disebut 'transportasi yang kompatibel.' Itu ada hubungannya dengan cara penanganan bahan bakar di Amerika Serikat. Ini sangat tersentralisasi. Sulit untuk menggunakan bahan bakar yang bersifat korosif terhadap plastik atau untuk hal-hal yang sudah ada di dalam mobil. Itulah yang kami maksud dengan bahan bakar yang kompatibel dengan transportasi. Jadi kami memilih Octanol sebagai bahan bakar kami, karena itu harus berenergi tinggi dan kompatibel dengan infrastruktur yang ada.
Cara mendapatkan sel untuk menerima elektron sangat menantang. Pertama-tama, kita harus menetapkan bahwa mereka dapat melakukannya, dan bahwa mereka dapat melakukannya dengan kecepatan dan pada tingkat yang cukup baik untuk menggunakan energi untuk menghasilkan bahan bakar. Ini berarti penggabungan organisme hidup - dalam hal ini mikroba - dengan elektroda, benda padat buatan manusia, yang telah dilakukan tetapi tidak pernah pada skala komersial. Kemudian, ketiga, tergantung pada organisme, kita juga harus menggunakan organisme yang sudah memperbaiki karbon atau merekayasa fiksasi karbon ke dalam sel.
Seperti apa organisme ini?
Dalam kasus kami, kami memilih Shewanella. Saya harus mengatakan ada beberapa kelompok penelitian lain yang terlibat dalam upaya ini. - Upaya ElectroFuels - dan mereka menggunakan berbagai jenis bakteri. Beberapa menggunakan yang disebut Ralstonia. Beberapa menggunakan Geobacter.
Tetapi fitur umum dari bakteri ini adalah bahwa mereka mampu memindahkan elektron melalui mereka. Shewanella terkenal karena mengambil elektron dan benar-benar memompa mereka keluar dari sel. Ini adalah cara sel mengatasi metabolisme dengan tambahan ekivalensi dalam sel.
Di Shewanella, sebagian, mereka memompa elektron. Orang sebenarnya menggunakan fakta itu untuk menggunakan Shewanella untuk mentransfer elektron dari organisme hidup ke elektroda. Kami ingin melakukan yang sebaliknya. Kami ingin mereka mengambil elektron. Kami pikir itu mungkin karena mereka sudah memiliki mekanisme untuk memindahkan elektron, jadi kami pikir mungkin untuk membalikkan itu. Dan sebenarnya kami sudah menunjukkan itu.
Shewanella juga memiliki genom yang diurutkan, yang merupakan prioritas sangat tinggi. Kami tahu segalanya tentang organisme dalam hal genomnya. Itu juga setuju dengan teknologi bioengineering - ramah bioteknologi. Itu penting dalam proyek ini.
Apa artinya menjadi ramah bioteknologi?
Ini berarti bahwa kita dapat memperkenalkan gen atau potongan DNA - gen yang menyediakan fungsi tertentu untuk sel. Kita dapat mengambil gen-gen itu dan memasukkannya ke dalam sel dan membuatnya melakukan hal-hal yang kita inginkan.
Misalnya, dalam kasus Shewanella, kami ingin memperbaiki karbon. Ada sekitar lima cara berbeda yang digunakan bumi untuk memperbaiki karbon. Yang paling umum menggunakan enzim yang disebut RuBisCo dan siklus Calvin. Kami ingin mencoba merekayasa itu ke dalam Shewanella.
Tetapi ada juga jalur lain yang baru ditemukan yang kami coba rekayasa. Ini akan menjadi pertama kalinya jalur-jalur lain ini direkayasa menjadi organisme lain. Ada komponen sains untuk ini. Ini tidak semua tentang aplikasi.
Kemampuan untuk mentransfer DNA dari satu jenis organisme ke jenis lain dengan cara yang dapat diprediksi adalah inti dari apa yang kita lakukan.
Ceritakan lebih lanjut tentang mengapa bakteri laut dalam ini, Shewanella oneidensis, begitu menarik bagi para ilmuwan yang meneliti energi?
Dalam memodifikasi secara genetik organisme ini kami ingin memprogram mereka untuk melakukan fungsi spesifik tertentu. Dalam kasus kami, kami perlu memprogram mereka untuk mengambil karbon, karena Anda membutuhkan karbon untuk menghasilkan molekul bahan bakar. Molekul bahan bakar semuanya berbasis karbon. Itu yang kita dapatkan dari tanah. Itulah minyak - karbon fosil. Dan proses penggunaan bahan bakar adalah pembakaran karbon.
Jadi kita perlu memulihkan karbon, idealnya dari atmosfer, dan memproses karbon itu menjadi molekul bahan bakar. Organisme biasanya tidak melakukan itu. Beberapa melakukannya sampai batas tertentu tetapi organisme ini tidak.
Apa tujuan dari penelitian yang Anda lakukan, dan bagaimana Anda melihatnya pada akhirnya digunakan?
Saya ingin kata pengantar ini dengan mengatakan ada beberapa kelompok, sehingga pemerintah benar-benar menutup taruhannya. Beberapa akan berhasil dan beberapa tidak. Dan itu bagus. Ketika Anda melakukan riset berisiko tinggi, Anda membutuhkannya. Tapi itu ide yang luar biasa dari sudut pandang pemerintah untuk memikirkan hal ini.
Ada sumber biofuel lainnya. Anda memiliki tanaman, yang memanen sinar matahari. Anda mungkin pernah mendengar tentang cyanobacteria, atau bakteri fotosintetik yang tumbuh di kolam besar. Ini memunculkan kemungkinan memiliki organisme hasil rekayasa genetika di lingkungan. Beberapa orang mungkin merasa tidak nyaman dengan itu. Keuntungan dari proses ini adalah bahwa organisme tidak perlu harus terpapar ke lingkungan. Tidak perlu cahaya untuk tumbuh. Bisa saja duduk di bawah tanah, dan sumber listrik bisa apa saja. Itu bisa solar. Bisa jadi angin. Selama Anda dapat mengakses organisme, organisme itu bertindak seperti baterai atau pabrik produksi kecil tempat Anda akan memompa listrik, dan kemudian memompa bahan bakar keluar. Tapi itu diasingkan, jadi Anda tidak harus berurusan dengan masalah ini yang mungkin dilihat publik sebagai memiliki banyak organisme rekayasa genetika tertentu yang mungkin keluar jika dikatakan, di kolam terbuka atau sesuatu. Itu mengasumsikan Anda akan menggunakan pertanian kolam terbuka untuk mengatakan mikroba fotosintesis. Anda mungkin atau mungkin tidak; Anda mungkin membangun bioreaktor tertutup, yang merupakan tantangan besar dan orang-orang harus mengerjakannya juga. Saya pikir tidak ada satu solusi. Ini mungkin memberikan satu bagian dari solusi yang lebih besar.
Apa pendapat Anda tentang biomimikri, mempelajari bagaimana alam melakukan sesuatu dan menerapkan pengetahuan itu pada masalah manusia?
Bagian biomimikri dalam kasus kami akan datang dari fakta bahwa organisme ini sudah menggunakan elektron. Mereka bertindak seperti baterai kecil. Kami menggunakan aspek biologi itu untuk menyelesaikan masalah biofuel ini.