Peneliti Stanford Mengungkap Rahasia Genetik pada Cyanobacteria yang Dapat Mengubah Penyimpanan Karbon

Peneliti Stanford telah mengidentifikasi berbagai bentuk enzim yang ada di mana-mana pada mikroba yang tumbuh subur di daerah rendah oksigen di sepanjang pantai Amerika Tengah dan Selatan.

Peneliti Stanford telah menemukan anomali genetik yang menarik pada sejenis mikroba yang secara signifikan dapat mempengaruhi penyimpanan karbon laut. Mikroba ini, biasa disebut ganggang biru-hijau atau cyanobacteria, memiliki dua bentuk enzim berbeda yang jarang muncul bersamaan dalam organisme yang sama.

“Ini adalah salah satu contoh sains yang luar biasa di mana Anda mencari sesuatu, namun akhirnya menemukan hal lain yang lebih baik lagi,” kata Anne Dekas, asisten profesor ilmu sistem bumi di Stanford Doerr School of Sustainability and penulis senior studi 25 November di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.

Miliaran tahun yang lalu, jauh sebelum tumbuhan muncul, cyanobacteria menemukan oksigen fotosintesis. Dalam proses menghasilkan makanan dari karbon dioksida dan sinar matahari, mikroba yang tersebar luas melepaskan oksigen ke udara, menjadikan atmosfer planet kita ramah terhadap berbagai kehidupan di Bumi saat ini. “Cyanobacteria bisa dibilang merupakan bentuk kehidupan paling penting di Bumi,” kata Dekas. “Mereka memberi oksigen pada atmosfer bumi dan menciptakan revolusi biologis.”

Sianobakteri khusus

Seperti tumbuhan, cyanobacteria menggunakan enzim yang disebut ribulosa bifosfat karboksilase, atau RuBisCo, untuk mengubah karbon dioksida menjadi biomassa. Salah satu protein paling melimpah di alam, RuBisCo hadir dalam beberapa bentuk: Jenis yang paling umum, dikenal sebagai RuBisCo bentuk I, sering menggunakan struktur yang disebut karboksisom untuk bereaksi secara selektif dengan karbon dioksida tetapi tidak dengan oksigen, sehingga memungkinkan fotosintesis berjalan secara efisien. Organisme dengan jenis enzim yang kurang umum, yang dikenal sebagai bentuk II, tidak memiliki karboksisom dan dapat secara efektif membangun biomassa dari karbon dioksida di lingkungan yang kekurangan oksigen.

Biasanya, organisme hanya memiliki satu bentuk RuBisCo, kata penulis utama Alex Jaffe, seorang sarjana pascadoktoral dalam ilmu sistem Bumi. Jadi dia terkejut ketika menemukan pengecualian terhadap aturan tersebut saat mempelajari fiksasi karbon pada mikroba laut. Jaffe sedang menganalisis DNA dari sampel air laut yang dikumpulkan dari perairan dalam di lepas pantai Amerika Tengah dan Selatan ketika dia menyadari bahwa beberapa sampel DNA perairan dangkal secara tidak sengaja menyelinap masuk. Dia menemukan bahwa cyanobacteria dalam sampel ini tampaknya memiliki gen untuk kedua bentuk RuBisCo. “Reaksi awal saya adalah ini mungkin salah,” kata Jaffe.

Penelitian lebih lanjut menegaskan bahwa kedua bentuk enzim tersebut ada dan secara aktif digunakan untuk fotosintesis pada cyanobacteria dari perairan dangkal, meskipun pengujian tambahan akan diperlukan untuk memahami bagaimana cyanobacteria menggunakan kedua bentuk tersebut. “Dengan memiliki dua versi,” kata Jaffe, “hal ini memungkinkan Anda menghilangkan lebih banyak karbon dioksida dari air dibandingkan jika Anda hanya memiliki salah satunya, atau berpotensi melakukannya dengan sedikit lebih efisien.”

Efisiensi mungkin menjadi kunci untuk kelangsungan hidup di tempat asal sampel, di zona minimum oksigen sekitar 50 hingga 150 meter di bawah permukaan, di mana pasokan oksigen dan cahaya terbatas. “Sangat sulit untuk tinggal di sana,” kata Dekas. “Untuk organisme fotosintetik, jika cahayanya redup, energinya akan berkurang.”

Penyimpanan karbon dan tanaman ekstra efisien

Temuan ini dapat membantu para ilmuwan mengantisipasi bagaimana kapasitas laut dalam menyerap karbon dapat berubah seiring perubahan iklim memperluas zona rendah oksigen. Pengungkapan bahwa beberapa cyanobacteria memiliki kedua bentuk RuBisCo menunjukkan bahwa mereka mungkin menyimpan karbon lebih efisien daripada yang diperkirakan sebelumnya dan dapat berkembang biak seiring dengan perluasan zona minimum oksigen.

Jika dua RuBisCo ternyata lebih baik dari satu, temuan ini juga dapat menghasilkan produksi tanaman yang lebih efisien. Selama beberapa dekade, para peneliti telah mencoba merekayasa bentuk I RuBisCo untuk memungkinkan tanaman tumbuh lebih banyak dengan lebih sedikit pupuk dan air. “Kami menantikan untuk terus memikirkan hal ini dengan orang-orang yang bekerja di bidang teknik pabrik untuk melihat apakah hal ini dapat membuahkan hasil, secara harfiah dan metaforis,” kata Jaffe.

Temuan ini memberi Jaffe apresiasi baru atas kemampuan kehidupan beradaptasi terhadap lingkungan yang menantang. “Gen-gen ini, meskipun penting bagi metabolisme organisme, sebenarnya cukup fleksibel dan dapat dikonfigurasi ulang serta diubah dengan cara yang tidak kita duga,” katanya.

Referensi: “Cyanobacteria dari zona kekurangan oksigen laut mengkode Rubiscos bentuk I dan II” oleh Alexander L. Jaffe, Kaitlin Harrison, Renée Z. Wang, Leah J. Taylor-Kearney, Navami Jain, Noam Prywes, Patrick M. Shih , Jodi Young, Gabrielle Rocap dan Anne E. Dekas, 25 November 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2418345121

Penelitian ini didanai oleh program Stanford Science Fellows, National Science Foundation, dan Simons Foundation.