Cyanobacteria adalah kelompok mikroba yang telah hidup di Bumi selama miliaran tahun. Bukan hanya organisme tertua yang masih hidup, tetapi juga memainkan peran penting dalam sejarah kehidupan—terutama dalam menciptakan oksigen di atmosfer Bumi. Baru-baru ini, sebuah tim peneliti berhasil mengungkap struktur sebuah “nanodevice” atau perangkat berskala atom yang digunakan cyanobacteria kuno untuk menangkap cahaya dan mengonversinya menjadi energi listrik. Penemuan ini memberikan wawasan luar biasa tentang bagaimana kehidupan awal mengubah energi matahari menjadi energi yang bisa digunakan sel, sebuah proses yang kemudian membentuk fondasi hampir semua kehidupan di planet ini.
Apa itu Cyanobacteria dan Kenapa Penting?
Cyanobacteria merupakan mikroba bersel tunggal yang mampu melakukan fotosintesis, mengubah cahaya matahari menjadi energi kimia. Dalam fotosintesis, organisme menggunakan sinar matahari untuk memecah air dan menghasilkan energi serta molekul oksigen sebagai produk sampingan. Proses ini berkontribusi besar terhadap Great Oxygenation Event sekitar 2,4 miliar tahun lalu, ketika oksigen mulai terakumulasi di atmosfer Bumi dan memungkinkan evolusi kehidupan kompleks.
Cyanobacteria sangat penting karena merupakan salah satu organisme pertama yang menggunakan cahaya matahari sebagai sumber energi yang efisien. Cyanobacteria memunculkan bentuk fotosintesis yang menghasilkan oksigen, yang pada akhirnya membuat atmosfer menjadi ramah bagi organisme yang bergantung pada oksigen. Tanpa cyanobacteria, mungkin kehidupan hewan termasuk manusia tidak akan pernah ada.
Baca juga: Saintis Menggunakan Fotosintesis sebagai Sumber “Daya” Otak
Nanodevice Cahaya-ke-Listrik: Apa Itu?
Istilah nanodevice merujuk pada struktur yang sangat kecil, berukuran skala nanometer—jutaan kali lebih kecil daripada milimeter. Dalam kasus cyanobacteria, nanodevice ini bukan perangkat elektronik seperti yang dibuat manusia, tetapi merupakan kompleks molekuler yang tersusun dari protein dan pigmen fotosintetik yang mampu menangkap cahaya. Struktur semacam ini mirip dengan panel surya alami dalam organisme hidup.
Nanodevice ini dikenal sebagai Photosystem I (PSI)—sebuah komponen inti dari mesin fotosintesis yang menangkap sinar matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik dalam bentuk elektron bermuatan. Dalam proses fotosintesis, PSI berperan sebagai pintu gerbang untuk mengubah energi cahaya menjadi “energi listrik” dalam sel yang kemudian digunakan untuk menghasilkan bahan kimia berenergi tinggi.
Penelitian Terbaru: Mengungkap Struktur PSI dari Cyanobacteria Tua
Dalam studi terbaru yang dipublikasikan di jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences, tim ilmuwan internasional bekerja dengan spesies cyanobacteria bernama Anthocerotibacter panamensis. Spesies ini adalah salah satu garis keturunan lama cyanobacteria yang bercabang dari semua spesies lainnya sekitar 3 miliar tahun yang lalu. Itu berarti organisme ini telah berevolusi sangat awal dalam sejarah kehidupan dan berbeda jauh dari cyanobacteria modern lainnya.
Para peneliti mengambil Photosystem I dari A. panamensis untuk dianalisis dengan teknik yang sangat canggih sampai pada tingkat atom. Hasilnya adalah snapshot atau gambaran struktur molekuler yang sangat rinci dari PSI. Struktur ini menunjukkan bahwa bentuk dasar nanodevice fotosintesis ini sudah sangat matang bahkan pada tahap awal evolusi kehidupan yang sangat primitif.
Menariknya, walaupun protein inti fotosintesis dalam organisme ini telah mengalami mutasi genetik seperti organisme lain selama miliaran tahun, arsitektur umum PSI tetap hampir tidak berubah dibandingkan dengan versi yang ditemukan pada cyanobacteria dan tumbuhan modern. Ini menunjukkan bahwa desain dasar mesin fotosintesis yang mengubah cahaya menjadi energi telah berkembang sangat awal dan tetap bertahan karena sangat efisien.
Bagaimana PSI Mengubah Cahaya Menjadi Energi
Sebelum kita masuk detail struktur, penting untuk memahami bagaimana PSI bekerja dalam istilah sederhana. Fotosintesis terdiri dari dua fase besar: fase cahaya dan fase gelap. Pada fase cahaya, molekul-molekul khusus di dalam cyanobacteria menyerap energi dari sinar matahari. Energi ini kemudian digunakan untuk “memompa” elektron — partikel bermuatan negatif — sehingga menciptakan gradien energi yang bisa dimanfaatkan sel untuk membuat molekul energi seperti ATP dan NADPH.
Photosystem I adalah salah satu dari dua mesin utama dalam fotosintesis yang melakukan langkah ini. Ketika cahaya mengenai PSI, energi tersebut mengeksitasi elektron (menaikkan energi elektron). Elektron yang tereksitasi ini kemudian dilepaskan dan ditangkap oleh rantai pembawa elektron di dalam sel, yang pada akhirnya membantu mengubah energi cahaya menjadi bentuk kimia yang bisa digunakan organisme hidup.
Dalam penelitian ini, para ilmuwan menemukan bahwa PSI di A. panamensis tersusun dalam bentuk yang disebut arsitektur tiga daun semanggi (three-leaf-clover) — tiga unit PSI yang bergabung bersama secara spesifik. Rangkaian ini mengandung lebih dari 300 pigmen penangkap cahaya, termasuk chlorophylls (pigmen yang memberi warna hijau khas pada tumbuhan dan cyanobacteria) serta carotenoids (pigmen lain yang membantu menangkap cahaya). Pigmen-pigmen ini bekerja seperti panel surya dalam organisme, menangkap energi dari berbagai panjang gelombang cahaya.
Arsitektur Kuno yang Tetap Bertahan
Temuan bahwa struktur tiga daun semanggi ini sangat mirip dengan bentuk PSI yang ditemui di cyanobacteria modern dan tumbuhan menunjuk pada fakta yang mengesankan: desain dasar nanodevice fotosintesis sudah terlihat sangat matang hampir sejak awal kehidupan. Meskipun organisme telah divergen selama miliaran tahun, arsitektur dasar ini tetap bertahan karena kerja efisiennya.
Ini berarti desain alam yang paling awal untuk menangkap cahaya dan mengubahnya menjadi energi listrik melalui PSI adalah ide yang sangat sukses secara evolusi. Dalam istilah sederhana, kehidupan di Bumi tampaknya “menemukan” metode yang sangat efisien untuk mengonversi energi matahari pada tingkat atom jauh sebelum munculnya organisme yang lebih kompleks seperti tanaman.
Mengapa Ini Penting untuk Ilmu Pengetahuan?
Hasil penelitian ini memberikan lebih dari sekadar gambaran tentang struktur molekul kuno. Ia membuka jendela langsung ke masa lalu kehidupan di Bumi dan memberikan kita pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana mekanisme fotosintesis berkembang. Mengetahui struktur nanodevice kuno seperti PSI membantu ilmuwan menjawab pertanyaan besar tentang evolusi kehidupan dan bagaimana organisme awal beradaptasi untuk memanfaatkan sumber energi paling melimpah di Bumi: matahari.
Informasi semacam ini penting bukan hanya untuk ahli biologi evolusi, tetapi juga bagi bidang lain seperti bioteknologi dan pengembangan energi terbarukan. Dengan memahami bagaimana organisme alami menangkap dan mengubah cahaya menjadi energi secara efisien, ilmuwan bisa terinspirasi untuk merancang sistem buatan yang meniru prinsip ini, misalnya dalam teknologi panel surya generasi berikutnya atau bioenergi.
Para peneliti juga menyatakan bahwa untuk menemukan asal-usul sejati dari fotosintesis penghasil oksigen, mereka perlu menggali lebih jauh lagi ke dalam evolusi sebelum munculnya cyanobacteria itu sendiri. Hal ini menunjukkan bahwa perjalanan ilmiah dalam memahami asal-usul kehidupan masih jauh dari selesai.
Fotosintesis: Mesin Energi Hidup
Istilah fotosintesis sendiri sering dianggap rumit, tetapi konsep dasarnya cukup sederhana: organisme seperti cyanobacteria dan tumbuhan menangkap energi dari cahaya matahari dan menggunakannya untuk membuat makanan. Energi ini pertama kali diserap oleh molekul pigmen seperti klorofil di dalam struktur yang disebut photosystem. Fotosintesis adalah proses penting yang menjadi dasar rantai makanan dan menyediakan oksigen — gas yang kita dan banyak organisme lain butuhkan untuk hidup.
Dalam konteks struktur PSI ini, kita sebenarnya melihat bagaimana machine fotosintesis bekerja pada skala atom. Ini seperti mengamati mesin mobil di level paling detailnya untuk mengetahui bagaimana setiap bagian bergerak dan berinteraksi, hanya saja di sini itu terjadi di dalam mikroba yang hidup 3 miliar tahun lalu.
Kesimpulan
Penelitian internasional yang mempelajari struktur Photosystem I dari salah satu cyanobacteria tertua yang ada di Bumi memberikan wawasan tak ternilai tentang evolusi awal fotosintesis. Dengan menggunakan teknik yang memungkinkan visualisasi struktur molekul pada tingkat atom, para ilmuwan menemukan bahwa nanodevice yang mengubah cahaya menjadi energi listrik di Cyanobacteria kuno memiliki arsitektur tiga daun semanggi yang sangat mirip dengan yang ada pada organisme modern. Ini menunjukkan bahwa desain dasar fotosintesis efektif terbentuk sangat awal dalam sejarah kehidupan dan tetap dipertahankan selama tiga miliar tahun evolusi. Penelitian ini membuka kemungkinan pemahaman lebih dalam tentang asal-usul fotosintesis dan memberikan inspirasi bagi teknologi energi masa depan.
Referensi
[1] https://www.qmul.ac.uk/media/news/2025/science-and-engineering/se/light-to-electricity-nanodevice-reveals-how-earths-oldest-surviving-cyanobacteria-worked.html, diakses pada 25 Januari 2026.
[2] Han-Wei Jiang, Christopher J. Gisriel, Tanai Cardona, David A. Flesher, Gary W. Brudvig, Ming-Yang Ho. Structure and evolution of photosystem I in the early-branching cyanobacterium Anthocerotibacter panamensis. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; 122 (20) DOI: 10.1073/pnas.2427090122
