Berbagai jenis makhluk hidup, mulai dari tumbuhan, sampai mikroorganisme mampu menghasilkan senyawa-senyawa yang bermanfaat bagi kebutuhan manusia. Senyawa-senyawa tersebut sering disebut juga sebagai metabolit. Metabolit dapat berupa senyawa fenolik, seperti fenilalanin, yang merupakan salah satu asam amino aromatik. Senyawa tersebut banyak dimanfaatkan sebagai bahan suplemen makanan, kosmetik, maupun obat-obatan[1]. Fenilalanin juga merupakan senyawa yang digunakan dalam memproduksi pemanis aspartam[1]. Selain fenilalanin, senyawa fenolik yang diproduksi oleh tumbuhan, seperti polifenol yang memiliki efek antioksidan sehingga senyawa tersebut banyak diekstrak untuk dijadikan sebagai bahan baku suplemen makanan dan kecantikan[2].
Walaupun metabolit-metabolit yang diproduksi oleh tumbuhan dan mikroorganisme memiliki manfaat yang baik bagi manusia, masih banyak kendala dalam memproduksi senyawa-senyawa tersebut. Pada umumnya, permasalahan dari memproduksi senyawa-senyawa yang diproduksi oleh agen hayati adalah perolehan senyawa yang sedikit. Banyak penelitian yang dilakukan untuk mengoptimasi produksi senyawa-senyawa tersebut. Beberapa metode yang telah dilakukan adalah mengoptimalkan kondisi lingkungan bagi pertumbuhan agen hayati dan produksi senyawa dan melakukan rekayasa genetik pada makhluk tersebut agar meningkatan laju produksi senyawa yang diinginkan. Akan tetapi, metode-metode tersebut masih belum cukup untuk dapat memproduksi metabolit skala industri dengan mudah.
Akhir-akhir ini, penelitian baru telah dilakukan untuk meningkatkan produksi metabolit oleh organisme. Salah satunya adalah pembentukan organisme biohibrida. Sistem hibrida ini dibentuk dengan menggabungkan kemampuan senyawa anorganik yang mampu menyerap energi cahaya dengan makhluk hidup dalam mensintesis berbagai macam senyawa[3]. Penggabungan ini bertujuan untuk meningkatkan laju pembentukan senyawa yang terjadi di dalam sistem metabolisme makhluk tersebut. Salah satu contohnnya adalah penelitian yang dilakukan oleh sekelompok ilmuwan dari Amerika Serikat mengenai organisme biohibrida ragi Saccharomyces cerevisiae dengan nanopartikel indium-fosfida (InP) dalam produksi senyawa asam shikimat[4].Mengapa hal tersebut dapat dilakukan?
Di dalam metabolisme makhluk hidup banyak terjadi reaksi reduksi-oksidasi (redoks). Pada kasus jalur metabolisme asam shikimat, yang merupakan jalur metabolisme dalam pembentukan senyawa-senyawa fenolik, asam 3-dehidrosikimat tereduksi menjadi asam shikimat. Reaksi reduksi tersebut membutuhkan NADPH yang akan teroksidasi menjadi NADP+[2]. NADP+ perlu direaksikan kembali menjadi NADPH agar senyawa 3-dehidroksikimat dapat tereduksi terus-menerus. Proses tersebut dilakukan pada jalur pentosa-fosfat.
Pada jalur pentosa-fosfat, glukosa (atau heksosa pada umumnya) dioksidasi dan NADP+ tereduksi kembali menjadi NADPH. Akan tetapi, karena ada senyawa glukosa yang masuk ke dalam lintasan metabolisme pentosa-fosfat, hal tersebut mengurangi jumlah karbon yang masuk ke dalam lintasan asam sikimat sehingga perolehan produk-produk yang berasal dari lintasan tersebut berkurang. Oleh karena itu, dengan menggunakan semikonduktor yang mampu menyerap energi cahaya, energi tersebut mengeksitasi elektron dari semikonduktor dan dapat dipakai untuk mereduksi NADP+ menjadi NADPH sehingga glukosa yang dibutuhkan pada jalur pentosa-fosfat berkurang (Gambar 1). Para peneliti masih belum mengetahui secara pasti bagaimana proses transfer elektron dari semikonduktor masuk ke dalam sel. Diduga, dinding sel dan senyawa polimer ekstraseluler pada ragi memiliki peran dalam memediasi transfer electron dari luar sel ke dalam sel[4].
Penilitian yang dilakukan oleh Tim peneliti di Amerika Serikat tersebut merekatkan nanopartikel InP pada dinding sel ragi Saccharomyces cerevisiae terekayasa (Gambar 2). InP merupakan salah satu semikonduktor yang mampu menangkap energi cahaya. Senyawa tersebut digunakan karena mampu menyerap cahaya dengan jangkauan spektrum yang lebar, tidak bereaksi dengan oksigen, dan cocok untuk dipakai pada makhluk hidup[4]. Ragi Saccharomyces cerevisiae yang dipilih pun merupakan ragi yang telah direkayasa gennya. Rekayasa gen tersebut membuat ragi tersebut tidak memproduksi glukosa-6-fosfat dehydrogenase sehingga mengganggu lintasan pentose-fosfat, dengan begitu regenerasi NADPH dapat dianggap terjadi karena sistem biohibrida[4].
Dari hasil penelitian tersebut, sel ragi terkayasa dengan InP dan diberikan pencahayaan mampu menghasilkan asam shikimat 24 kali lebih tinggi dibandingkan dengan sel ragi terkayasa tanpa InP dan pencahayaan. Rasio NADPH/NADP+ juga tinggi ketika organisme tersebut diberi pencahayaan dan rendah bila berada di lingkungan gelap menunjukkan bahwa sistem tersebut bekerja dengan baik. Selain itu, berdasarkan hasil perhitungan koloni ragi sebelum dan sesudah melekatnya partikel InP, tidak ada perubahan pada koloni ragi sehingga penggunaan InP aman untuk ragi[4].
Oleh karena itum metode hibrida ini memiliki potensi untuk meningkatkan produksi metabolit pada makhluk hidup. Karena asam shikimat merupakan senyawa intermediet yang ada pada jalur lintasan pembentukan senyawa fenolik, senyawa asam amino-asam amino aromatik dapat diproduksi lebih banyak pula oleh ragi. Bahkan, dengan menyisipkan gen-gen yang mengkode produksi senyawa fenolik pada tumbuhan di dalam DNA sel ragi, sel ragi jadi mampu memproduksi senyawa-senyawa fenolik tersebut sehingga senyawa-senyawa tersebut jadi lebih mudah diproduksi skala industri[5].
Referensi:
[1]Ding, D., Liu, Y., Xu, Y., Zheng, P., Li, H., Zhang, D., & Sun, J. (2016). Improving the production of L-phenylalanine by identifying key enzymes through multi-enzyme reaction system in vitro. Scientific reports, 6, 32208.
[2]Santos-Sánchez, N. F., Salas-Coronado, R., Hernández-Carlos, B., & Villanueva-Cañongo, C. (2019). Shikimic Acid Pathway in Biosynthesis of Phenolic Compounds. In Plant Physiological Aspects of Phenolic Compounds. IntechOpen.
[3]Sakimoto, K. K., Kornienko, N., & Yang, P. (2017). Cyborgian material design for solar fuel production: The emerging photosynthetic biohybrid systems. Accounts of chemical research, 50(3), 476-481.
[4]Guo, J., Suástegui, M., Sakimoto, K. K., Moody, V. M., Xiao, G., Nocera, D. G., & Joshi, N. S. (2018). Light-driven fine chemical production in yeast biohybrids. Science, 362(6416), 813-816.
[5]Li, S., Li, Y., & Smolke, C. D. (2018). Strategies for microbial synthesis of high-value phytochemicals. Nature chemistry, 10(4), 395-404.