Oleh Dedi Junaedi
Wartawan dan Dosen INAIS Bogor
Kelak, fotosintetis dapat dilakukan oleh organisme mana pun. Waktunya fleksibel, dapat berlangsung kapan pun sesuai kebutuhan. Tak harus ada sinar matahari. Tidak juga tergantung pada ada tidaknya zat hijau daun: khlorofil.
Sebuah desain model fotosintetis buatan sedang disiapkan para ahli di MIT. Belum lama, memasuki pecan ketiga Januari 2017, mereka telah merilis hasil inovasi rancang bangun kompleks pigmen tertentu untuk menduung berlangsungnya proses fotosintetis yang fleksibel.
Melalui material komleks pigmen buatan, Tim MIT telah membuat simulasi model memanen cahaya, mengubah CO2 dan air menjadi seyawaan karbohidrat plus paket energi. Mereka berhasil membuat antena fotosintesis yang terdiri dari beberapa pigmen, yang mampu mengumpulkan energi cahaya dan mengikat sumber protein tertentu, hingga berjalannya proses lazimnya fotosintetis alamiah.
Fotosintetis Alami
Beratus tahun, kita seakan terpaku pada setidaknya dua postulat. Pertama, fotosintetis hanya berlagsung alamiah pada tanaman hijau. Atau tanaman dan mikroflora yang memiliki pigmen alami khlorofil dan sejenisnya. Keduan, proses fisiologis ini berjalan pada siang hari, ketika matahari bersinar.
Secara alamiah, fotosintetis diakui punya peran vital dan krusial bagi kehidupan tanaman. Melalui proses inilah, unsur hara dan cahaya dapat diubah menjadi cadangan makanan dan sumber energi. Berkat proses ini tanaman bisa tumbuh dan berkembang, serta berbuah menghasilkan aneka bahan pakan dan pangan buat mendukung berlanjutnya sistem kehidupan.
Dalam fotosintetis, tumbuhan menangkap cahaya menggunakan pigmen yang disebut klorofil. Pigmen ini pula yang memberi warna hijau tumbuhan. Klorofil terdapat dalam organel sel kloroplas. Meski seluruh bagian tumbuhan hijau mengandung kloroplas, namun sebagian besar energi diproses dalam daun. Utamanya pada mesofil yang mengandung setengah juta kloroplas setiap milimeter perseginya.
Cahaya akan, melewati lapisan epidermis yang transparan tanpa warna, menuju mesofil, tempat terjadinya sebagian besar proses fotosintesis. Permukaan daun biasanya dilapisi kutikula dari lilin yang bersifat anti air untuk mencegah terjadinya penyerapan sinar matahari ataupun penguapan air yang berlebihan.
Fotosintesis alami terdiri dari dua tahap. Yaittu, reaksi terang (karena memerlukan cahaya) dan reaksi gelap (tidak memerlukan cahaya tetapi memerlukan karbon dioksida. Reaksi terang terjadi pada grana, sedangkan reaksi gelap terjadi dalam stroma. Saat reaksi terang, terjadi konversi energi cahaya menjadi energi kimia dan menghasilkan oksigen (O2). Sedangkan dalam reaksi gelap terjadi seri reaksi siklik yang membentuk gula dari bahan dasar CO2 dan energi (ATP dan NADPH). Energi untuk reaksi gelap diperoleh dari reaksi terang.
Hingga kini, fotosintesis masih terus dipelajari mengingat masih ada sejumlah tahap yang belum bisa dijelaskan, kendati banyak pula yang sudah diketahui. Proses fotosintesis sangat kompleks dan melibatkan hampirt semua cabang sains utama, seperti fisika, kimia, maupun biologii.
Makhluk hidup yang berfotosintesis disebut autotrof. Artinya mereka menyimpan energi, mereka dapat menyintesis makanan langsung dari karbondioksida, air, dan menggunakan energi dari cahaya. Mereka menimbunnya sebagai energi potensial mereka. Akan tetapi, tidak semua organisme menggunakan cahaya sebagai sumber energi untuk melaksanakan fotosintesis. Organisme fotoheterotrof, misalnya, menggunakan senyawa organik, dan bukan karbondioksida, sebagai sumber energi.
Pada tumbuhan, alga, dan cyanobacteria, fotosintesis menghasilkan oksigen. Prosesnya disebut fotosintesis oksigen. Walaupun ada beberapa perbedaan antara fotosintesis oksigen pada tumbuhan, alga, dan cyanobacteria, secara umum proses keduanya mirip. Akan tetapi, ada beberapa bakteri yang melakukan fotosintesis anoksigen, yang menyerap karbondioksida, namun tidak menghasilkan oksigen.
Karbondioksida diubah menjadi gula dalam suatu proses yang disebut fiksasi karbon. Fiksasi karbon adalah reaksi redoks, jadi fotosintesis memerlukan sumber energi dan elektron yang diperlukan untuk mengubah karbondioksida menjadi karbohidrat, yang merupaan reaksi reduksi. Secara umum, fotosintesis adalah kebalikan dari respirasi sel, dimana glukosa dan senyawa lainnya teroksidasi untuk menghasilkan karbondioksia, air, dan energi kimia. Namun, dua proses itu berlangsung melalui rangkaian reaksi kimia yang berbeda dan pada kompartemen sel yang berbeda.
Persamaan umum fotosintesis:
2n CO2 + 2n H2 + foton → 2(CH2O)n + 2n O2
Karbondioksida + donor elektron + energi cahaya → karbohidrat + donor elektron teroksidasi
Model Fotosintetis
Para peneliti dari MIT telah mengembangkan sebuah model baru yang bisa membantu para ilmuwan material baru dapat mendesain fotosintesis buatan. Mereka membuat analodi dengan tanaman dan organisme fotosintetik lain yang biasanya menggunakan berbagai pigmen untuk menyerap panjang gelombang cahaya yang berbeda.
Dalam konteks ini, peneliti MIT telah mengembangkan sebuah model teoritis untuk memprediksi spektrum cahaya diserap oleh struktur kompleks pigmen organik buatan. ‘’Model ini bisa membantu para ilmuwan dalam merancang jenis baru dari sel surya yang terbuat dari bahan organik yang efisien menangkap cahaya dan menyalurkan eksitasi cahaya yang terinduksi untuk mendukung jalannya fotosintetis, kata Aurelia Chenu, peneliti utama MIT.
“Memahami interaksi sensitif antara bangunan pigmen rakitan dan elektronik, optik, dan sifat transportasi yang sangat diinginkan untuk sintesis material baru dan desain dan operasi dari perangkat berbasis organik-,” tulis Aurelia Chenu dalam Physical Review Letters (3/1) dan dirilis Scitech Daily (18/1).
Dia menjelaskan, fotosintesis memungkinkan organisme –tanaman, ganggang, dan beberapa bakteri– memanfaatkan energi dari sinar matahari untuk memproduksi gula dan pati. Kunci proses ini adalah penangkapan foton tunggal cahaya oleh pigmen fotosintesis, kemudian terjadi transfer energi yang mengeksitasi pusat reaksi dan memicu konversi kimia.
Tim mensintesa khlorofil, yang menyerap cahaya biru dan merah, dan karotenoid, yang menyerap cahaya biru dan hijau, serta pigmen lain yang khusus dapat menangkap cahaya langka di dalam laut.
Laksana blok bangunan dengan struktur khas sebagai kompleks pemanen cahaya (antena, pigmen-pigmen itu dapat menyerap panjang gelombang cahaya yang berbeda, tergantung pada komposisi kompleks pigmen dan bagaimana mereka berkumpul.
“Meniru pigmen alami, kami merancang aneka ragam blok bangunan model fotosintesis sebagai kompleks pemanen cahaya yang sangat fleksibel dan efisien,” tambah Chenu, yang juga tercatat sebagai ahli di Swiss National Science Foundation.
Mereka juga membuat antena yang dapat ditanam atau melekat pada membran dalam struktur khloroplas. Ketika pigmen menangkap foton cahaya, electron-elektron tereksitasi sampai tingkat energi yang cukup untuk menggerakkan reaksi mesin fotosintesis untuk akhirnya mendorong transformasi karbon dioksida menjadi gula melalui siklus reaksi kimia.
Lebih lanjut, Chenu dan Jianshu Cao, profesor kimia MIT beniat menjelajahi bagaimana organisasi pigmen berbeda menentukan sifat optik dan listrik setiap antena. ‘’Ini bukan proses yang mudah karena setiap pigmen dikelilingi protein penyerap panjang gelombang tertentu dari foton yang dipancarkan. Protein ini juga mempengaruhi transfer eksitasi dan menyebabkan sebagian energi mengalir dari satu pigmen satu ke pigmen berikutnya.’’
“Tujuan jangka panjang riset ini adalah bagaimana kita dapa desain secara lengkap mesin fotosintetis dengan memanen cahaya buatan,” kata Cao. Dengan mengambil pelajaran dari model sistem fotosintesis pada beberapa mikroorganisme seperti phycobilisome dan cyanobacteria, dia yakin dapat membuat struktur fotosintetis nano seperti halnya polimer, film tipis, dan nanotube.
Dedi Junaedi
