“Rekayasa Metabolik Alga untuk meningkatkan Produksi Biohidrogen”

Energi merupakan kebutuhan mutlak yang sangat diperlukan dalam kehidupan manusia. Berbagai kegiatan manusia ditunjang dengan adanya sumberdaya energi. Ketersediaan energi akan sangat mempengaruhi kegiatan perekonomian suatu bangsa. Akan tetapi penggunaan bahan bakar fosil sebagai sumber energi sedang menghadapi permasalahan yang sebelumnyatidak dibayangkan, yaitu menipisnya cadangan bahan bakar fosil dan meningkatnya suhu bumi akibat emisi CO₂ serta terjadinya pencemaran udara.

Menipisnya cadangan bahan bakar fosil di Indonesia dapat dilihat dari produksi minyak yang rendah  dibandingkan dengan konsumsi jauh lebih tinggi. Data SKK Migas memperlihatkan bahwa produksi minyak dalam negeri terus mengalami penurunan sejak tahun 2000. Menipisnya cadangan minyak dan bahan bakar fosil lainnya menuntut dilakukannya eksplorasi energi alternatif sebagai pengganti bahan bakar fosil. Ada dua kriteria yang harus dipenuhi oleh sumber energi baru, yaitu haruslah bersifat terbarukan dan juga ramah lingkungan.

Energi yang bersifat terbarukan ialah energi yang dapat terus diproduksi tanpa jangka waktu dan jumlahnya tidak terbatas. Sementara ramah lingkungan berarti tidak menyebabkan emisi gas rumah kaca, polusi udara, pencemaran perairan dan juga tidak bersifat toksik. Biohidrogen merupakan salah satu solusi energi baru, terbarukan dan juga ramah lingkungan.

Kata atau pengertian biohidrogen mengacu pada hidrogen yang dihasilkan oleh makhluk hidup, seperti yang kita ketahui bahwa hidrogen merupakan salah satu bahan bakar digunakan pada roket. Makhluk hidup misalnya tumbuhan menghasilkan hidrogen secara alami melalui tahapan fotolisis air dengan bantuan sinar matahari. Adapun reaksinya dapat digamabarkan sebagai berikut:

2H₂O            ----------->        2H₂  +  O₂

Akan tetapi, biohidrogen yang dihasilkan oleh tanaman tidak dapat dipanen. Pemanenan biohidrogen biasanya dilakukan pada alga uniseluler,  cyanobacteria, dan mikroorganisme fermentasi.

Beberapa literatur menyebutkan bahwa bahan bakar hidrogen mampu menghasilkan energi sebesar 122 kJ/g, sekitar 2 kali lipat lebih besar dibandingkan bahan bakar hidrokarbon. Hidrogen mempunyai karakteristik tidak berbau, berwarna, berasa, dan juga tidak beracun serta menghasilkan air sebagai produk tunggal pada saat proses pembakaran. Umumnya biohidrogen diproduksi dengan menggunakan alga dan cyanobacteria, dimana kedua mikroorganisme tersebut sangat mudah untuk dikultivasi selain itu biohidrogen yang dihasilkan juga lebih banyak karena dilakukan dengan bantuan cahaya matahari melalui reaksi fotolisis air.

Akan tetapi, penggunaan alga sebagai penghasil biohidrogen harus melalui berbagai tahapan lebih lanjut, yaitu perlunya dilakukan rekayasa metabolik untuk meningkatkan produktivitas hidrogennya. hal tersebut bisa dilakukan dengan mempelajari proses terbentuknya biohidrogen terlebih dahulu. Berikut adalah gambar yang menjaelaskan proses terbentuknya biohidrogen pada jalur fotosintesis dan glikolisis

Berdasarkan gambar tersebut diketahui bahwa produksi biohidrogen sangat dipengaruhi oleh enzim hidrogenase, dimana enzim tersebut mempunyai peranan membentuk 2H⁺ menjadi H₂.

   Klon gen hidrogenase ke vektor overekspresi dapat meningkatkan produksi enzim hidrogenase didalam sel alga sehingga sebagai akibatnya banyak ion H⁺ yang dikonversi menjadi H₂. Penelitian mengenai vektor overekspresi pertama kali dilakukan oleh Napoli et al (1990) yaitu dengan melakukan rekayasa pada tanaman petunia. Berdasarkan penelitian tersebut, kloning gen Chalcone synthase (chs) meningkatkan terbentuknya pigmen antosianin, dimana enzim tersebut berperan dalam mensintesis chalcone yang merupakan prekursor antosianin (Prymrose & Twyman, 2006).

Meningkatnya ekspresi gen chs pada tanaman petunia disebabkan oleh adanya strong promoter berupa promoter CaMV (Cauliflower Mosaic Virus) pada vektor overekspresi. Keberadaan promoter tersebut mengakibatkan suatu gen bersifat konstitutif atau diekspresikan secara terus-menerus. Tahapan selanjutnya setelah klon gen hidrogenase ke vektor overekspresi adalah dengan melakukan transformasi.

Transformasi vektor rekombinan kedalam sel alga dapat dengan mentransformasikan vektor rekombinan kedalam sel Agrobacterium tumefaciens terlebih dahulu, barulah transformasi kedalam sel alga. Hal ini dikarenakan alga mempunyai karakteristik tumbuhan sehingga dapat diinfeksi oleh Agrobacterium tumefaciens. Selain melalui Agrobacterium tumefaciens transformasi vektor rekombinan juga dapat langsung dilakukan dengan teknik elektroporasi apabila alga yang digunakan dari golongan cyanobacteria.

Seleksi mutlak dilakukan untuk mengetahui dan memisahkan alga yang tidak memiliki vektor rekombinan dikarenakan proses transformasi bisa saja tidak berhasil 100%, sehingga tidak semua alga memiliki gen kloning. Umumnya seleksi yang digunakan adalah dengan menambahkan antibiotik kedalam media, koloni yang dapat hidup adalah koloni yang memiliki vektor rekombinan. Proses ini dimungkinkan karena sebuah vektor biasanya dilengkapi dengan selectable marker yang dapat digunakan menseleksi individu dengan vektor rekombinan. Selain tahapan tersebut juga perlu dilakukan seleksi lebih lanjut untuk memverifikasi keberadaan insert pada vektor dan orientasi insert (sense atau antisense) terhadap promoter.

Kultivasi alga hasil rekayasa metabolik dapat dilakukan dengan menggunakan media berupa limbah contohnya adalah limbah tahu. Penggunaan limbah cair industri tahu sebagai tambahan pada media kultivasi alga bertujuan untuk meningkatkan pertumbuhannya. Limbah cair tahu sangat kaya akan sisa-sisa protein yang sangat penting untuk pertumbuhan alga sebagai sumber nitrogen dan karbon. Kultivasi alga dilakukan dengan menggunakan photobiological reactor yang permukaan wadah kulturnya transparan karena terbuat dari kaca. Permukaan transparan akan mempermudah masuknya cahaya yang sangat penting dan digunakan oleh alga untuk reaksi fotolisis air. Selain itu penggunaan photobiological reactor juga bertujuan untuk mempermudah proses pemanenan biohidrogen (H₂).

Agar layak diaplikasikan dalam skala besar, produktivitas biohidrogen oleh alga harus ditingkatkan. Produktivitas biohidrogen dapat ditingkatkan melalui proses rekayasa metabolik dengan mengklon gen hidrogenase ke vektor overekspresi. Kultivasi alga dapat dilakukan dengan menambahkan limbah cair tahu sebagai sumber nutrisi bagi pertumbuhan alga. Rekayasa dan penambahan limbah cair tahu kedalam media kultivasi merupakan langkah yang bisa dilakukan untuk memproduksi biohidrogen dalam skala besar. Kedua hal tersebut dapat meningkatkan efiktivitas dan efisiensi produksi biohidrogen, selain itu juga mampu menurunkan biaya operasional karena penggunaan limbah cair tahu sebagai sumber nutrisi alga.

Rujukan Pustaka:

Beer, L.L., E.C. Boyd., J.W. Peters., & M.C. Posewitz. 2009. Engineering algae for Biohydrogen and Biofuel Production. Biotechnology. 20: 264-271.

Primrose, S.B & R.M. Twyman. 2006. Principles of Gene Manipulation an Genomics. Victoria: Blackwell Publishing.