Nationalgeographic.co.id—Jauh di bawah dasar laut, ditemukan bakteri kecil yang "menghembuskan" listrik melalui snorkel yang panjang dan kecil. Kini, para ilmuwan telah menemukan cara menghidupkan dan mematikan napas listrik mikroba ini.
Bakteri aneh ini bergantung pada dua protein, yang bersatu dalam satu struktur seperti rambut yang disebut pilus (bahasa Latin untuk rambut; jamak: Pili). Para peneliti melaporkan dalam sebuah studi baru, yang diterbitkan Rabu (1 September) di jurnal Nature. Banyak dari pili ini terletak tepat di bawah membran bakteri dan membantu mendorong snorkel keluar dari sel dan masuk ke lingkungan sekitarnya, sehingga memungkinkan mikroba untuk bernapas.
“Penemuan ini tidak hanya mengungkapkan sesuatu yang tidak terduga tentang biologi bakteri tetapi juga dapat membuka jalan bagi teknologi baru, dari baterai bertenaga mikroba yang kuat hingga perawatan medis baru untuk infeksi bakteri,” ujar senior Nikhil Malvankar, asisten profesor biofisika molekuler dan biokimia di Yale Institut Ilmu Mikroba Universitas, dilansir dari Live Science.
Bakteri tersebut termasuk dalam genus Geobacter dan dapat ditemukan di seluruh dunia, tumbuh jauh di bawah tanah yang sama sekali tidak mengandung oksigen. Manusia bergantung pada oksigen untuk mengubah makanan menjadi energi yang dapat digunakan dan untuk menyerap elektron yang tersisa dari proses metabolisme ini. Jika elektron yang tersisa terakumulasi, mereka akan dengan cepat menjadi racun bagi tubuh, kata Malvankar.
Sama seperti manusia, Geobacter mikroba menghasilkan elektron limbah selama metabolisme, tetapi mereka tidak memiliki akses ke oksigen seperti kita. Jadi, untuk membuang kelebihan elektronnya, bakteri melapisi dirinya sendiri dalam filamen tipis dan konduktif, yang disebut kawat nano, yang dapat memindahkan elektron keluar dari mikroba dan ke bakteri atau mineral lain di lingkungan, seperti besi oksida.
Kawat nano tipis ini 100.000 kali lebih kecil dari lebar rambut manusia dan dapat mengangkut elektron melalui jarak yang sangat jauh, ratusan hingga ribuan kali panjang tubuh mikroba asli.
Baca Juga: Bakteri Perairan Arktika Kanada Mampu Mengurai Minyak dan Diesel
"Manusia tidak bisa menghirup oksigen yang jaraknya 100 meter dari mereka," kata Malvankar. "Dan entah bagaimana, bakteri ini menggunakan kawat nano ini seperti snorkel yang ukurannya 100 kali lipat, sehingga mereka bisa tetap bernapas dalam jarak yang begitu jauh," lanjutnya. Prestasi yang mengesankan ini menghasilkan arus listrik, karena elektron terus mengalir melalui kawat nano yang panjang.
Tetapi meskipun para ilmuwan menemukan kawat nano ini pada awal 2000-an, Malvankar dan rekan-rekannya baru-baru ini menemukan dari apa sebenarnya snorkel itu dibuat. Awalnya, para ilmuwan berasumsi bahwa kawat nano adalah pili. Gagasan ini tampaknya didukung oleh fakta bahwa, jika Anda menghapus gen yang diperlukan untuk konstruksi pili dari Geobacter bakteri, kawat nano tidak lagi muncul di permukaannya, kata Malvankar.
Akan tetapi ada masalah: Protein pili tidak mengandung logam, seperti besi, yang menghantarkan listrik. Malvankar dan timnya menyelidiki teka-teki ini dalam studi 2019, yang diterbitkan dalam jurnal Cell, di mana mereka memeriksa Geobacter bakteri menggunakan cryo-electron microscopy (cryo-EM), sebuah teknik yang melibatkan penyinaran elektron melalui suatu zat untuk mengambil snapshot dari molekul komponennya.
"Saat itulah kami menyadari bahwa tidak ada pili pada permukaan bakteri sama sekali," kata Malvankar. "Itu adalah kejutan besar."
Sebaliknya, tim menemukan bahwa kawat nano terbuat dari protein yang disebut sitokrom, yang dengan mudah mentransfer elektron sampai ke ujungnya dan karenanya membuat kawat nano jauh lebih baik daripada pili. Dalam sebuah studi pada 2020, yang diterbitkan dalam jurnal Nature Chemical Biology, tim melaporkan bahwa kawat nano berbasis sitokrom ini hadir dalam berbagai "rasa", yang menghantarkan listrik dengan tingkat efisiensi yang berbeda.
Tetapi bahkan setelah tim mengungkapkan susunan kimiawi kawat nano, protein pili masih muncul dalam penilaian biokimia Geobacter bakteri. Jika pili tidak menghantarkan listrik, "pertanyaan besar sebenarnya adalah, apa yang sebenarnya dilakukan pili ini? Di mana mereka?" kata Malvankar.
Dalam studi Nature terbaru mereka, tim melihat lebih dekat pada struktur pili ini dengan terlebih dahulu menghapus gen untuk kawat nano dan didikembangkan di laboratorium Geobacter sulfurreducens. Pili biasanya akan diblokir oleh kawat nano, jadi tanpa struktur itu menghalangi, proyeksi seperti rambut tumbuh dari permukaan sel. Ini memberi tim kesempatan untuk memeriksa pili dengan cryo-EM, yang mengungkapkan dua protein berbeda—PilA-N dan PilA-C—di dalam setiap rambut.
Baca Juga: Mengenal Lebih Dekat Mikrobioma, Jasad Renik si Penghuni Tubuh Manusia
Tim juga menjalankan tes untuk melihat seberapa baik pili menghantarkan listrik, dan menemukan bahwa "mereka memindahkan elektron 20.000 kali lebih lambat dari OmcZ," protein sitokrom yang paling konduktif dan membentuk Geobacter kawat nano, kata Malvankar; "mereka tidak benar-benar dibuat untuk memindahkan elektron."
Pili itu sepertinya memiliki fungsi yang berbeda. Pada spesies bakteri lain, beberapa pili duduk di bawah membran sel dan bergerak seperti piston kecil; gerakan ini memungkinkan mereka mendorong protein melalui membran, dan keluar masuk sel.
Misalnya, bakteri Vibrio cholerae, yang menyebabkan penyakit diare kolera, menggunakan pili tersebut untuk mengeluarkan racun kolera, menurut laporan pada 2010 dalam jurnal Nature Structural & Molecular Biology. Dalam serangkaian percobaan, tim menentukan bahwa pili di Geobacter memenuhi peran yang sama, yaitu membantu mendorong kawat nano melalui membran mikroba.
"Kami menemukan bahwa sitokrom terjebak di dalam bakteri ketika protein piston tidak ada," kata Malvankar. "Dan ketika kami mengembalikan gen, sitokrom bisa keluar dari bakteri." Ini, kemungkinan, adalah saklar on-off bakteri, tim menyimpulkan.
Baca Juga: Hari Mikrobioma Sedunia: Sains Mikrobioma & Tradisi Rempah Nusantara
Ke depan, para peneliti berencana untuk menyelidiki berapa banyak jenis bakteri lain yang membangun kawat nano dan menggunakannya untuk menghirup listrik. Mereka juga tertarik untuk mengeksplorasi aplikasi praktis untuk penelitian tersebut.
Para peneliti telah menggunakan Geobacter koloni untuk memberi daya pada elektronik kecil selama lebih dari satu dekade, tetapi hingga saat ini, baterai-bakteri ini hanya dapat menghasilkan daya dalam jumlah kecil.
Dalam penelitian sebelumnya, Malvankar dan timnya menemukan bahwa koloni dapat dibuat lebih konduktif di bawah pengaruh medan listrik, yang dapat membantu meningkatkan daya perangkat ini; sekarang, penelitian baru dapat memberi para ilmuwan tingkat kontrol lain, dengan memungkinkan mereka untuk menghidupkan atau mematikan listrik.
Penelitian ini juga dapat diterapkan dalam pengobatan dan, khususnya, dalam perawatan untuk infeksi bakteri, kata Malvankar. Misalnya, Salmonella berhasil mengalahkan bakteri baik di usus karena dapat beralih dari fermentasi, yang menghasilkan energi secara perlahan tanpa memerlukan oksigen, menjadi respirasi, menghasilkan energi dengan cepat dan biasanya membutuhkan oksigen.
Dalam lingkungan usus rendah oksigen, Salmonella menggunakan senyawa yang disebut tetrathionate sebagai pengganti oksigen, sehingga bisa mengalahkan bakteri baik dalam tubuh.
Akan tetapi, bagaimana jika bakteri yang membantu itu bisa bangkit? Secara teori, jika Anda melengkapi bakteri dengan kawat nano dan memasukkannya ke dalam usus, sebagai semacam pengobatan probiotik, mereka berpotensi mengalahkan patogen berbahaya seperti Salmonella, kata Malvankar. Malvankar dan rekan-rekannya sedang mempelajari pengobatan potensial ini, tetapi pekerjaannya masih dalam tahap awal.
Baca Juga: Peneliti Temukan Kehidupan di Dasar Laut yang Tertidur Selama 100 Juta Tahun