Memproduksi Kalori dari Karbon Dioksida
Para peneliti China secara drastis mempercepat proses yang mengubah gas buang industri menjadi pati yang dapat dimakan, dengan produktivitas sepuluh kali lipat dibandingkan metode terobosan mereka pada 2021. Kemajuan ini, yang dilaporkan oleh Akademi Ilmu Pengetahuan China (CAS), membawa dunia semakin dekat pada produksi pati skala industri tanpa lahan pertanian, tanaman pangan, atau pertanian tradisional. Para ilmuwan di Institut Bioteknologi Industri Tianjin (TIB) menyempurnakan sistem enzim bebas sel untuk mengubah karbon dioksida menjadi karbohidrat kompleks dengan kecepatan yang kini jauh melampaui fotosintesis alami. Pengembangan ini berpotensi mengubah paradigma ketahanan pangan global, dengan membuka jalan untuk memproduksi bahan pangan penting dan bahan baku industri tanpa menanggung dampak lingkungan dari pertanian konvensional.
Daftar Isi
Tim peneliti yang dipimpin Profesor Cai Tao telah menghabiskan lima tahun terakhir mengoptimalkan jalur hibrida kimia-biokimia yang pertama kali diperkenalkan dalam jurnal Science. Terobosan awal mereka pada 2021 menunjukkan bahwa pati dapat disintesis dari CO2 dengan laju 8,5 kali lebih cepat dibandingkan tanaman jagung. Peningkatan terbaru telah melipatgandakan hasil tersebut sepuluh kali lagi, menghasilkan sistem yang beroperasi dengan tingkat efisiensi yang sebelumnya hanya menjadi spekulasi teoretis. Jalur anabolik pati buatan (ASAP) ini kini siap menantang tatanan pertanian yang telah mendominasi peradaban manusia selama ribuan tahun.
Kimia Fotosintesis Sintetis
Proses ini meniru alam, tetapi menghilangkan inefisiensi biologis yang melekat pada pertumbuhan tanaman. Alih-alih menunggu berbulan-bulan hingga jagung matang, metode laboratorium ini menuntaskan konversi dalam hitungan jam. Jalur tersebut terdiri atas sebelas reaksi inti yang mengubah karbon dioksida berbentuk gas menjadi pati polimer melalui rangkaian tahapan kimia dan enzimatik yang terkoordinasi dengan cermat.
Pertama, katalis anorganik mereduksi karbon dioksida menjadi metanol dalam kondisi terkendali. Molekul sederhana ini kemudian menjadi bahan dasar bagi rangkaian reaksi enzimatik. Tim peneliti mengambil dan merekayasa enzim dari 31 spesies berbeda, menyeleksi dan memodifikasi 62 kandidat untuk menemukan sepuluh katalis paling efektif. Mesin biologis ini mengubah metanol menjadi unit gula berkarbon tiga dan enam, yang kemudian dipolimerisasi menjadi amilosa atau amilopektin, dua komponen utama pati alami.
Pati sintetis yang dihasilkan identik secara kimiawi dan fisik dengan pati dari pertanian. Analisis laboratorium mengonfirmasi kesamaan komposisi dan sifat, sehingga produk buatan ini dapat langsung menggantikan pati jagung dalam produk pangan, obat-obatan, pembuatan kertas, tekstil, perekat, dan plastik yang dapat terurai secara hayati. Metode ini juga memungkinkan komposisi pati disesuaikan, sehingga berpotensi menghasilkan varietas dengan tingkat pencernaan atau karakteristik fungsional tertentu sesuai kebutuhan industri.
Dari Laboratorium ke Lantai Pabrik
Mengubah keberhasilan laboratorium menjadi usaha yang layak secara komersial menghadirkan tantangan yang bahkan lebih besar daripada terobosan ilmiahnya. Profesor Cai Tao mengakui sulitnya meningkatkan skala produksi dalam wawancara dengan China Science Daily. Ia menjelaskan bahwa peralihan dari pembuktian konsep ke penerapan industri menuntut upaya mengatasi hambatan ekonomi yang besar.
Sulit untuk beralih dari nol ke satu, sulit menekan biaya, dan lebih sulit lagi mewujudkan penerapan industri pada akhirnya. Meski demikian, kita tetap harus menghadapi tantangan ini.
Kendala utamanya adalah biaya enzim. Dalam sistem awal pada 2021, satu enzim kunci menyumbang setengah dari seluruh biaya bahan. Tim tersebut berfokus mengatasi hambatan ini dengan menggunakan kecerdasan buatan untuk menyeleksi varian enzim yang lebih stabil dan efisien, sekaligus mengembangkan metode agar katalis biologis dapat digunakan kembali. Perbaikan ini sangat mengurangi jumlah enzim yang dibutuhkan tanpa mengorbankan efisiensi reaksi.
Para peneliti juga mengoptimalkan kondisi reaksi untuk memangkas biaya energi. Proses ini berlangsung dalam kondisi laboratorium yang terkendali, sehingga hasilnya dapat diprediksi dan tidak terpengaruh cuaca, musim, atau perubahan iklim. Konsistensi ini sangat berbeda dari produksi pertanian, yang hasil tahunannya dapat hancur akibat kekeringan, banjir, dan hama.
Mendefinisikan Ulang Ekonomi Pertanian
Potensi penghematan sumber daya tidak terbatas pada ukuran efisiensi semata. Menurut perhitungan tim TIB, bioreaktor berkapasitas satu meter kubik secara teoretis dapat menghasilkan pati setara dengan produksi tahunan sekitar sepertiga hektare lahan jagung. Jika biaya produksi dapat ditekan hingga mampu bersaing dengan pertanian tradisional, teknologi ini dapat menghilangkan kebutuhan akan lebih dari 90 persen lahan dan air tawar yang saat ini digunakan untuk produksi pati.
Perubahan penggunaan lahan ini membawa implikasi besar bagi pertanian global. Saat ini, produksi pati industri hampir sepenuhnya bergantung pada jagung, tanaman yang membutuhkan lahan subur yang luas, irigasi intensif, serta penggunaan pupuk dan pestisida dalam jumlah besar. Persaingan antara tanaman pangan dan bahan baku industri untuk mendapatkan lahan pertanian yang terbatas semakin ketat seiring pertumbuhan populasi global dan ancaman perubahan iklim terhadap hasil panen.
Ma Yanhe, direktur pendiri TIB, menjelaskan visi yang mendorong penelitian ini dalam pernyataan pada 2021 yang masih relevan hingga kini. Ia menyebut industrialisasi sebagai cita-cita awal sekaligus tujuan akhir proyek tersebut, serta menegaskan bahwa tim tidak akan menghentikan upaya itu meski menghadapi berbagai kesulitan selama pengembangan.
Manfaat bagi lingkungan semakin besar jika dampaknya terhadap siklus karbon diperhitungkan. Alih-alih melepaskan karbon dioksida ke atmosfer, proses ini menggunakannya sebagai bahan baku. Jika ditenagai listrik terbarukan, sistem ini dapat menghasilkan pati dengan emisi karbon negatif, secara aktif menghilangkan gas rumah kaca dari atmosfer sekaligus menghasilkan komoditas bernilai. Sebuah penelitian pada 2023 oleh tim yang sama dan diterbitkan dalam Science Bulletin menunjukkan bahwa sistem mereka dapat mencapai efisiensi energi 3,5 kali lebih tinggi dan laju sintesis 23 kali lebih cepat daripada sistem tanaman alami.
Jalur Biologis Alternatif
Meski pendekatan enzimatik mendominasi pemberitaan, penelitian lain menunjukkan adanya jalur alternatif yang layak untuk mengubah karbon dioksida menjadi pati. Para ilmuwan telah mengembangkan metode alternatif menggunakan ragi hasil rekayasa, khususnya galur penghasil minyak Yarrowia lipolytica, untuk menghasilkan produk yang mereka sebut "mikrobji kaya pati".
Pendekatan biologis ini mengubah metabolisme ragi agar pati menumpuk hingga mencapai 47 persen dari berat kering sel. Dengan mengubah jalur biosintesis pati dan glukoneogenesis serta memanipulasi bentuk sel agar ukurannya membesar, para peneliti mencapai produktivitas spasial-temporal sekitar 50 kali lebih tinggi daripada budidaya tanaman tradisional. Metode ragi ini menggunakan asetat, yang dapat disintesis secara elektrokimia dari karbon dioksida dengan listrik terbarukan, sehingga menciptakan jalur lain untuk produksi pangan beremisi karbon negatif.
Ragi hasil rekayasa ini dapat mengonsumsi limbah pertanian seperti jerami jika dipadukan dengan asetat, sehingga membuka jalan untuk mengubah selulosa menjadi pati yang dapat dimakan. Kemampuan ini mengatasi tantangan pertanian lainnya, yaitu pemanfaatan sisa tanaman yang belum optimal. Meski pendekatan enzimatik dan mikroba berbeda dalam metode, keduanya memiliki tujuan yang sama, yakni memisahkan produksi pangan dari pertanian tradisional.
Konteks Nasional dan Implikasi Global
Investasi China dalam teknologi pati sintetis mencerminkan tekanan besar yang dihadapi negara tersebut. China harus memberi makan populasi terbesar di dunia dengan sumber daya lahan pertanian per kapita dan air yang terbatas. Kegiatan pertanian berkontribusi besar terhadap emisi karbon nasional melalui produksi pupuk, konsumsi bahan bakar mesin, emisi metana dari budidaya padi, serta sistem irigasi yang boros energi.
Data terbaru dari 2005 hingga 2021 menunjukkan bahwa China menerapkan pengelolaan pertanian pada dua skala, dengan menggabungkan usaha pertanian yang lebih besar dan layanan profesional bersama untuk mengurangi intensitas karbon sambil mempertahankan hasil produksi. Namun, perbaikan ini mungkin tidak cukup seiring semakin parahnya perubahan iklim dan degradasi lahan subur. Pati sintetis menawarkan strategi pelengkap yang dapat membebaskan jutaan hektare lahan untuk pemulihan ekosistem atau budidaya tanaman pangan, sekaligus memenuhi kebutuhan industri akan karbohidrat tersebut.
Teknologi ini juga sejalan dengan transisi energi China yang lebih luas. Seiring negara itu meningkatkan pembangkitan listrik terbarukan dan mengurangi emisi sektor ketenagalistrikan, ketersediaan energi bersih membuat teknologi penangkapan dan pemanfaatan karbon semakin layak. Proses pengubahan CO2 menjadi pati membutuhkan masukan energi, terutama untuk mengubah CO2 menjadi metanol pada tahap awal dan memproduksi hidrogen melalui elektrolisis air. Jika ditenagai energi surya atau angin, sistem ini secara efektif menyimpan energi listrik dalam ikatan kimia, menciptakan bentuk penyimpanan energi berbasis pangan.
Poin Utama
- Para ilmuwan China di Institut Bioteknologi Industri Tianjin meningkatkan produktivitas konversi karbon dioksida menjadi pati hingga sepuluh kali lipat dibandingkan metode terobosan mereka pada 2021.
- Proses buatan ini menggunakan sebelas tahapan enzimatik untuk mengubah CO2 menjadi pati yang identik dengan produk pertanian, dengan kecepatan sekitar 85 kali lebih tinggi daripada sintesis alami pada jagung.
- Bioreaktor berkapasitas satu meter kubik secara teoretis dapat menyamai hasil pati tahunan dari sepertiga hektare lahan jagung, sehingga berpotensi menghemat lebih dari 90 persen lahan dan air yang digunakan dalam produksi pati tradisional.
- Tim peneliti menggunakan kecerdasan buatan untuk mengoptimalkan enzim dan menekan biaya, mengatasi hambatan utama dalam penerapan industri secara komersial.
- Penelitian paralel yang menggunakan ragi hasil rekayasa menawarkan jalur biologis alternatif dengan produktivitas spasial 50 kali lebih tinggi daripada budidaya tanaman, menggunakan asetat hasil sintesis elektrokimia sebagai bahan baku.
- Teknologi ini dapat mengurangi emisi karbon pertanian, menghapus persaingan antara tanaman pangan dan tanaman industri dalam penggunaan lahan, serta menyediakan jalur produksi beremisi karbon negatif jika ditenagai energi terbarukan.
