Polusi air menjadi kekhawatiran yang semakin meningkat secara global memperkirakan penelitian yang dikeluarkan oleh industri kimia 300-400 megaton (600-800 miliar pon) limbah industri ke badan air setiap tahunnya.
Sebagai tim ilmuwan materialkami sedang mengerjakan rekayasa “bahan hidup” yang mungkin mampu mengubah polutan pewarna kimia dari industri tekstil menjadi zat yang tidak berbahaya.
Polusi air merupakan masalah lingkungan dan kemanusiaan yang dapat mempengaruhi ekosistem dan kesehatan manusia. Kami berharap materi yang kami kembangkan dapat menjadi salah satu alat yang tersedia untuk membantu mengatasi masalah ini.
Merekayasa material hidup
“materi hidup yang direkayasa” tim kami sedang mengerjakannya mengandung bakteri terprogram tertanam dalam bahan hidrogel yang lembut. Kami pertama kali menerbitkan makalah yang menunjukkan potensi efektivitas materi ini Komunikasi Alam pada bulan Agustus 2023.
Hidrogel yang menjadi bahan dasar memiliki sifat yang mirip dengan Jell-O – lembut dan sebagian besar terbuat dari air. Hidrogel khusus kami terbuat dari bahan alami dan dapat terurai secara hayati polimer berbahan dasar rumput laut yang disebut alginatbahan yang umum dalam beberapa makanan.
Hidrogel alginat memberikan dukungan fisik yang kuat untuk sel bakteri, serupa dengan caranya jaringan pendukung sel dalam tubuh manusia. Bahan ini sengaja kami pilih agar bakteri yang kami tanam dapat tumbuh dan berkembang.
(Kredit: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering, CC BY-NC-ND) Bentuk grid material membantu bakteri menyerap karbon dioksida
Kami memilih alginat berbahan dasar rumput laut sebagai bahan dasar karena berpori dan dapat menahan air. Hal ini juga memungkinkan sel bakteri untuk mengambil nutrisi dari lingkungan sekitar.
Setelah kami menyiapkan hidrogel, kami menyematkan bakteri fotosintetik – atau penangkap sinar matahari – yang disebut sianobakteri ke dalam gel.
Cyanobacteria yang tertanam dalam material masih perlu menyerap cahaya dan karbon dioksida untuk melakukan fotosintesis, yang membuat mereka tetap hidup. Hidrogel tersebut cukup berpori untuk memungkinkan hal tersebut, namun untuk membuat konfigurasi seefisien mungkin, kami Dicetak 3D gel menjadi bentuk khusus – kisi-kisi dan sarang lebah. Struktur ini memiliki rasio permukaan terhadap volume yang lebih tinggi sehingga memungkinkan lebih banyak cahaya, CO₂, dan nutrisi masuk ke dalam material.
Sel-sel senang dengan geometri itu. Kami mengamati pertumbuhan dan kepadatan sel yang lebih tinggi dari waktu ke waktu pada gel alginat dalam struktur kisi atau sarang lebah jika dibandingkan dengan bentuk cakram default.
Membersihkan pewarna
Seperti semua bakteri lainnya, cyanobacteria memiliki sifat yang berbeda sirkuit genetik, yang memberi tahu sel keluaran apa yang harus dihasilkan. Tim kita direkayasa secara genetis bakteri DNA sehingga sel menciptakan enzim tertentu disebut lakase.
Enzim lakase yang diproduksi oleh cyanobacteria bekerja dengan melakukan reaksi kimia dengan polutan yang mengubahnya menjadi bentuk yang tidak lagi berfungsi. Dengan memutus ikatan kimia, polutan beracun dapat diubah menjadi tidak beracun. Enzim diregenerasi pada akhir reaksi, dan berfungsi untuk menyelesaikan lebih banyak reaksi.
Setelah kami memasukkan cyanobacteria penghasil lakase ini ke dalam hidrogel alginat, kami memasukkannya ke dalam larutan yang terbuat dari polutan pewarna industri untuk melihat apakah mereka bisa membersihkan pewarna. Dalam pengujian ini, kami ingin melihat apakah bahan kami dapat mengubah struktur pewarna sehingga berubah dari berwarna menjadi tidak berwarna. Namun, dalam kasus lain, bahan tersebut berpotensi mengubah struktur kimianya dari beracun menjadi tidak beracun.
Pewarna yang kami gunakan, nila merah tua, adalah polutan air limbah industri umum yang biasanya ditemukan di air dekat pabrik tekstil – ini merupakan pigmen utama pada celana jeans biru. Kami menemukan bahwa bahan kami menghilangkan semua warna dari sebagian besar pewarna selama sekitar 10 hari.
Ini adalah kabar baik, namun kami ingin memastikan bahwa bahan kami tidak menambah limbah ke air yang tercemar dengan melepaskan sel bakteri. Jadi, kami juga merekayasa bakteri tersebut untuk menghasilkan protein yang dapat merusak membran sel bakteri – sebuah tombol pembunuh yang dapat diprogram.
Sirkuit genetik diprogram untuk merespons bahan kimia tidak berbahaya yang disebut teofilin, umumnya ditemukan dalam kafein, teh, dan coklat. Dengan menambahkan teofilin, kita bisa menghancurkan sel bakteri sesuka hati.
Bidang rekayasa bahan hidup masih terus berkembang, namun hal ini berarti terdapat banyak peluang untuk mengembangkan bahan baru yang mengandung komponen hidup dan tak hidup.
Jonathan K. Pokorski adalah Profesor Nanoengineering di Universitas California, San Diego. Debika Datta adalah Sarjana Postdoctoral di bidang Nanoengineering di University of California, San Diego. Artikel ini diterbitkan ulang dari Percakapan di bawah a Lisensi Creative Commons. Membaca artikel asli.