Artikel ini disponsori oleh Wingify Earth.
Dalam terobosan yang signifikan, para peneliti di Indian Institute of Technology Guwahati (IIT-G) telah mempelajari secara dekat kemanjuran enzim endoglucanase bakteri tertentu — RfGH5_4 dari Ruminococcus flavefaciens (bakteri yang ditemukan di usus sapi) dalam memecah biomateri kayu menjadi gula sederhana yang dapat difermentasi secara efisien untuk menghasilkan bioetanol.
Profesor Arun Goyal dari Department of Biosciences and Bioengineering, IIT-G, memimpin tim peneliti di India ini, termasuk mahasiswa doktoralnya Parmeshwar Gavande, bekerja sama dengan rekan-rekan mereka dari University of Lisbon, Portugal. Mereka baru-baru ini menerbitkan penemuan dan pengamatan penelitian di International Journal of Biological Macromolecules.
(Di atas gambar Prof. Arun Goyal dan Parmeshwar Gavande di sebelah kiri dan gambar perwakilan di sebelah kanan)
Beberapa konteks
Produksi bahan bakar dari sumber biologis terbarukan telah menimbulkan minat ilmiah yang signifikan dalam beberapa tahun terakhir karena masalah berkurangnya cadangan bahan bakar fosil dan pencemaran lingkungan yang terkait dengan pembangkitan dan penggunaannya.
Dari sekian banyak biofuel yang dikenal, etanol (atau etil alkohol) banyak dipelajari karena dampak positifnya terhadap lingkungan. Komponen minuman keras dan minuman yang memabukkan ini, yang juga dapat digunakan untuk bahan bakar kendaraan, biasanya diproduksi dengan fermentasi gula dan bahan mentah yang mengandung pati — antara lain anggur, jelai, dan kentang.
Namun, ada minat dalam mengembangkan metode untuk mengekstrak bioetanol untuk bahan bakar dari residu pertanian dan kehutanan dan tanaman yang kaya akan polimer karbohidrat (lignoselulosa) — bahan kering tanaman yang merupakan bagian kayu dari tanaman.
“Untuk produksi industri bioetanol sebagai bahan bakar, lignoselulosa yang diekstraksi dari tanaman didekonstruksi dengan menggunakan katalis biologis (enzim) yang disebut selulase dan selanjutnya difermentasi. Endoglukanase adalah salah satu enzim selulase tersebut. Hambatan konversi biomassa lignoselulosa menjadi bioetanol adalah rendahnya efisiensi enzim ini. Selain itu, biomassa lignoselulosa mengandung hemiselulosa bersama dengan selulosa, yang tidak dapat diuraikan oleh banyak endoglukanase,” catat siaran pers yang dikeluarkan oleh IIT-Guwahati awal pekan ini.
Hanya untuk tujuan representasional: Mengapa membakar limbah tanaman jika Anda dapat menggunakannya untuk menghasilkan bahan bakar bioetanol?
Mengapa studi ini penting?
Biomassa sisa pertanian terbuang atau dibakar menyebabkan berbagai bahaya lingkungan termasuk pemanasan global dan perubahan iklim. Dekonstruksi mereka oleh RfGH5_4 dapat memperluas penggunaannya dari memfasilitasi proses pembuatan bioetanol menjadi obat makanan juga.
“Minyak mentah berbasis minyak bumi cepat habis sehingga kita membutuhkan sumber bahan bakar alternatif yang efisien. Saat ini, penelitian ekstensif didedikasikan untuk sektor bioenergi, terutama untuk mengembangkan bioetanol dari biomassa tanaman. Kami memulai penelitian ini pada enzim selulase RfGH5_4 dengan tujuan mencari enzim selulase yang efisien. Penelitian ini merupakan bagian dari proyek bantuan pemerintah dalam pengembangan enzim baru dan efisien untuk bioenergi berkelanjutan, yang didanai oleh Departemen Bioteknologi, Pemerintah India,” kata Prof Goyal.
Penelitian dimulai pada tahun 2018 dan dieksplorasi sebagai bagian dari pekerjaan tesis PhD oleh Parmeshwar Gavande, di bawah bimbingan Prof. Arun Goyal.
“Kami membutuhkan waktu sekitar empat setengah tahun untuk mempelajari secara ekstensif sifat-sifat enzim selulase RfGH5_4, mekanisme kerjanya, dasar struktural dari multifungsinya, dan akhirnya untuk memeriksa kompatibilitasnya dalam mendekonstruksi biomassa sisa pertanian yang diproses secara mekanis dan kimia seperti sebagai batang tanaman sisa kapas, batang sorgum, ampas tebu, dll,” tambahnya, dalam percakapan dengan The Better India.
Lebih lanjut menjelaskan pentingnya penelitian ini, Prof Goyal mengatakan, “Produksi bioetanol — bahan bakar abad ke-21 — membutuhkan gula tertentu seperti glukosa sebagai bahan awal yang diubah menjadi etil alkohol (atau alkohol atau bioetanol) dengan menggunakan jamur yang berbeda. atau bakteri melalui proses fermentasi. Biomassa tanaman seperti sisa tanaman pertanian adalah sumber daya terbuang yang penuh dengan selulosa dan polimer karbohidrat lainnya.”
Menggunakan bioteknologi, upaya sedang dilakukan untuk mengubah limbah ini menjadi kekayaan dalam bentuk bioetanol. Apa yang paling dibutuhkan oleh industri bioetanol saat ini adalah enzim yang efisien yang dapat mengubah biomassa tanaman menjadi gula yang dapat difermentasi.
“Penelitian kami mencoba untuk mengatasi masalah ini, di mana kami melaporkan selulase yang efisien namun multifungsi (sekelompok enzim kompleks yang disekresikan oleh berbagai mikroorganisme termasuk jamur, bakteri) enzim pendegradasi yang kami beri nama RfGH5_4,” jelasnya.
“Terlepas dari selulosa, RfGH5_4 mampu mendekonstruksi berbagai polimer karbohidrat dengan tingkat efisiensi berbeda yang terdapat dalam biomassa tanaman dan ini membuatnya menjadi enzim multifungsi – biasanya properti langka untuk selulase,” tambahnya.
Multifungsi menghasilkan peluang yang berbeda untuk penggunaan RfGH5_4, selain dari produksi bioetanol, di industri tekstil, makanan, obat makanan dan obat-obatan.
Menghancurkan proses
Enzim multifungsi yang efisien ini disebut RfGH5_4 adalah bagian dari mesin metabolisme bakteri Ruminococcus flavefaciens yang biasanya berada di dalam rumen sapi (kompartemen perut sapi dalam kasus ini). Sapi merumput di rerumputan atau batang lunak apa pun dari biomassa tumbuhan yang, pada gilirannya, digunakan bakteri ini sebagai sumber energi. Prosesnya hampir mirip dengan asupan karbohidrat seperti pati oleh manusia dalam bentuk makanan.
“Biomassa tumbuhan diperkaya dengan polimer karbohidrat yang berbeda – yang terbesar adalah selulosa. Selulosa tidak lain adalah rantai gula glukosa yang terikat erat satu sama lain melalui ikatan kimia yang disebut hubungan glikosidik. Untuk memanfaatkan selulosa terkait glukosa sebagai sumber energi, ikatan kimia ini harus diputus sehingga masing-masing glukosa tersedia untuk bakteri dan juga untuk sapi,” jelas Gavande.
“Tetapi sebagai salah satu ikatan kimia terkuat, diperlukan setidaknya satu set dari tiga enzim berbeda untuk memotong selulosa menjadi glukosa secara bertahap. Di sinilah RfGH5_4 atau jenis enzim ini (disebut selulase) berperan penting dalam mengubah rantai selulosa yang lebih panjang menjadi rantai yang lebih pendek (disebut selooligosakarida). Rantai selulosa yang lebih pendek ini kemudian diubah menjadi unit glukosa individu, ”tambahnya.
Glukosa yang dihasilkan mudah difermentasi menjadi bioetanol menggunakan jamur atau bakteri tertentu.
Hanya untuk tujuan representasi: Alih-alih membiarkan limbah tanaman terbakar, kita dapat memanfaatkannya untuk menghasilkan bahan bakar bioetanol
Potensi untuk ditingkatkan?
“Penelitian ini memiliki potensi untuk ditingkatkan; sebagai ekonomi pertanian, India menghasilkan sejumlah besar — sekitar beberapa juta metrik ton — biomassa residu pertanian. Namun, peningkatan akan menimbulkan beberapa tantangan waktu nyata, yang perlu ditangani secara empiris sebelum melanjutkan, selain fakta bahwa penelitian sedang berlangsung. Karena itu, kami telah menerima minat industri tertentu yang antusias untuk meningkatkan penelitian kami, ”kata Gavande.
“Penelitian yang disajikan secara konstruktif mencoba untuk membantu dalam mencapai Tujuan Pembangunan Berkelanjutan 2030 (SDGs) Perserikatan Bangsa-Bangsa”, tambah Prof. Goyal lebih lanjut. Gavande menggarisbawahi pentingnya penelitian ini untuk ekonomi yang berkelanjutan dan ramah lingkungan.
(Gambar milik IIT-Guwahati, Flickr/neufcent9, Flickr/Alliance of Biodiversity International/Wikimedia Commons)
(Diedit oleh Pranita Bhat)
