Material Super Kecil yang Dirakit Oleh Makhluk Kecil: Biosintesis Nanopartikel
Pada tahun 1935, dunia material maju selangkah lebih depan ketika Hermann Staudinger menciptakan nilon sebagai material sintetis pertama di dunia. Dari serangkaian penelitiannya, ia berhasil mendemonstrasikan pembentukan polimer dari molekul kecil. Memasuki 1980-an, instrumen dikembangkan untuk mendukung penelitian berskala nano. Manipulasi objek dari komponennya yang sangat kecil memperluas pemanfaatan material untuk menjadi solusi bagi kehidupan manusia.
Dengan nanoteknologi, beragam material diproduksi dengan dimensi kurang dari 100 nanometer (nm). Material tersebut disebut nanopartikel dan memiliki ukuran yang sangat kecil, sama dengan membagi 1 cm menjadi 100.000 bagian. Molekul dari nanopartikel tersusun atas tiga lapisan: permukaan, cangkang, dan inti. Fungsi nanopartikel ini dapat diperkaya dari interaksi permukaan dengan ion metal, molekul kecil, ataupun polimer.
Peneliti menyebut nanoteknologi sebagai penemuan revolusioner karena fokus penelitian pada ukuran tersebut menciptakan material sintetik dengan karakteristik yang bervariasi. Dengan memandang fungsi dan karakteristik tersebut, nanopartikel didesain untuk aplikasi di bidang medis, elektronik, dan bahan sandang. Fungsi yang banyak dimanfaatkan dari nanopartikel meliputi proteksi antimikroba, antikoagulan, penyerapan gelombang, dan konduktivitas.
Indonesia juga turut berkontribusi dalam kemajuan teknologi nanopartikel. Studi di Indonesia terutama berfokus pada peran nanopartikel sebagai obat, biosensor, dan agen terapi. Di Indonesia sendiri, peningkatan efektivitas obat menjadi isu dalam menangani beragam jenis penyakit. Selain itu, teknologi deteksi penyakit juga turut masuk dalam isu tersebut. Teknologi diagnostik penyakit yang cepat dan akurat sangat dibutuhkan untuk kemudian diikuti penanganan penyakit yang serius.
Sintesis nanopartikel dapat dilakukan dengan memecah molekul besar atau membentuk dari molekul/substansi yang lebih kecil. Saat ini, cara yang digencarkan adalah dengan memanfaatkan mikroba. Nanoteknologi yang memanfaatkan biosintesis, seperti oleh mikroba, dapat memproduksi nanopartikel dengan jumlah yang cukup tinggi, biaya yang efektif, dan ramah lingkungan.
Mikroba, seperti bakteri dan fungi, menjadi karakter utama dalam pengembangan nanopartikel dalam dunia medis. Selain menjadi pelaku sintesis, mikroba menjadi salah satu target utama pengobatan. Metal adalah agen antimikroba dengan spektrum yang luas. Karenanya, nanopartikel berbasis metal (MtNP) memiliki potensi besar sebagai agen terapi dan diagnostik serta obat. Belakangan ini, MtNP bahkan disebut mampu membantu pengobatan tumor.
Mikroba memiliki enzim intraseluler dan ekstraseluler yang terlibat dalam produksi material berstruktur nano. Sintesis ini dapat dilakukan di luar sel atau di dalam sel. Hampir seluruhnya menyangkut enzim oksireduktase. Enzim tersebut mampu mereduksi garam metal (logam) menjadi nanopartikel metal. Selain reaksi tersebut, produksi MtNP oleh mikroba melibatkan komponen dinding sel dan molekul organik.
Jenis mikroba yang telah ditentukan akan dikultivasi pada medium yang terkontrol. Beberapa strain Escherichia coli dan Pseudomonas aeruginosa yang terlibat dalam sintesis nanopartikel perak telah dioptimasi sehingga produktivitasnya optimum. Optimasi tersebut terdiri dari parameter fisika-kimia dan prekursor yang ditambahkan ke medium. Prekursor dalam produksi MtNP adalah garam metal. Melalui proses inkubasi, mikroba diberi waktu untuk tumbuh dan melakukan serangkaian reaksi yang menghasilkan MtNP target. Produk tersebut lalu dipisahkan dari komponen lain pada medium melalui proses purifikasi seperti dengan pencucian dan sentrifugasi.
Untuk sintesis dengan pendekatan ekstraseluler, proses sintesis terjadi antara komponen dinding sel dengan substrat. Sementara untuk intraseluler, ion metal akan ditransfer ke dalam sel untuk terlibat dalam reaksi di sitoplasma. Pendekatan lain dikembangkan sebagai metode alternatif, yaitu dengan tidak menggunakan sel (cell-free). Enzim dan komponen penting dalam sel yang penting untuk sintesis nanopartikel akan dipisahkan dari sel melalui sentrifugasi. Supernatan yang mengandung enzim dan komponen lainnya tersebut lalu diinkubasi dengan larutan garam metal. Bersamaan dengan jenis MtNP-nya, proses upstream dan downstream antara ketiga jenis pendekatan ini tentu akan berbeda.
Nanopartikel yang dihasilkan dari biosintesis dengan mikroba terbukti lebih stabil dengan metal yang memiliki aktivitas katalitik. Pendekatannya berasal dari keberadaan mikroba yang resisten terhadap lingkungan dengan kadar metal tinggi. Mikroba tersebut resisten karena telah beradaptasi memproses metal menjadi produk lain dengan sistem selnya.
Beberapa contoh mikroba yang umum dikenal dan digunakan dalam sintesis MtNP adalah Bacillus subtilis, Escherichia coli, Acetobacter xylinum, Saccharomyces cerevisiae, dan Aspergillus flavus. Escherichia coli digunakan dalam sintesis nanopartikel perak untuk melawan penyakit infeksi saluran kemih. Saccharomyces cerevisiae, ragi dalam pembuatan roti, dapat mensintesis nanopartikel campuran Au-Ag yang digunakan untuk sensor elektrokimia. Bakteri asam laktat yang telah dimodifikasi seperti Leuconostoc mesenteroides dan Streptococcus mutans memproduksi dekstran yang dengan ion besi dapat memiliki aktivitas seperti peroksida yang menargetkan biofilm.
Dekstran adalah nanopartikel yang menarik yang banyak digunakan dalam produk medis. Sendiri, dekstran biasa dipakai sebagai pelapis biomaterial. Dalam campuran MtNP, dekstran dapat menjadi penstabil dan ion metal yang terikat dengannya menjadi situs katalitik yang menjalankan fungsi MtNP tersebut. Aplikasi MtNP dari dekstran yang paling dikenal adalah besi oksida-dekstran (dextran-coated iron oxide) yang melindungi gigi dari karies dan turunan besi-dekstran yang mengobati kondisi kekurangan zat besi atau anemia.
Berbagai jenis tumbuhan dan rempah-rempah sangat identik dengan Indonesia. Para peneliti di Indonesia telah menyadari potensi tumbuhan dan rempah-rempah sebagai substrat dalam produksi nanopartikel. Beberapa di antaranya adalah tebu, lemon, daun sendok (Plantago major L.), dan daun okra (Abelmoschus esculentus L. moench). Untuk dapat mensintesis dekstran, cukup dibutuhkan medium tumbuh yang mengandung sukrosa. Dengan memanfaatkan kelimpahan tumbuhan dan limbah yang mengandung sukrosa, dekstran berpotensi diproduksi secara melimpah di Indonesia.
Dekstran sebagai eksopolisakarida (EPS) merupakan metabolit sekunder hasil fermentasi sukrosa oleh dekstransukrase (DSR). Dekstran diisolasi dari bakteri yang telah disebutkan sebelumnya untuk kemudian dioksidasi menghasilkan polialdehidodekstran (PAD). Nanopartikel dekstran diperoleh dari serangkaian reaksi terhadap PAD.
Selain dekstran, masih banyak nanopartikel lain yang potensi manfaatnya tidak kalah banyak. Sekarang dan ke depannya, beragam nanopartikel akan banyak diproduksi demi memenuhi kebutuhan. Karenanya, nanopartikel harus dioptimasi produksinya sehingga kuantitas dan kualitas unit yang dihasilkan optimal. Produksi nanopartikel dengan memanfaatkan mikroba adalah yang paling banyak dioptimalkan karena tidak hanya produktivitasnya yang tinggi, tetapi juga proses hulu-hilirnya yang ramah lingkungan.
Optimasi produksi yang dilakukan bisa dengan mencari alternatif dari tahapan produksi. Adapun mikroba yang terlibat langsung dalam produksi nanopartikel dapat ditingkatkan aktivitasnya melalui rekayasa genetika. Gen pengkode dekstransukrase dan protein lainnya yang berperan dalam sintesis dekstran telah diidentifikasi dan diuji dalam studi rekayasa sejak lama. Gen tersebut akan disisipkan pada plasmid dan diinjeksikan ke bakteri target. Hasilnya adalah bakteri rekombinan yang mampu memproduksi dekstran secara optimal dari satu dua faktor.
Menilik kembali ke dekstran, sebagai contoh, penelitian bioteknologi oleh Wang et al. (2021) menguji sintesis dekstran dengan massa molar yang rendah dari Escherichia coli mutan. Perakitan kompleks dekstran dan ion besi lebih efektif apabila dekstran yang digunakan memiliki massa molar yang lebih rendah. Mikroba yang digunakan adalah Escherichia coli yang telah disisipi gen DSR-MΔ2 yang telah melalui molecular docking dengan sukrosa. Hasilnya, terbukti mutan tersebut menghasilkan dekstran dengan massa molar yang lebih rendah dan proporsi L-dekstran yang tinggi.
Seperti yang dilansir dari ulasan Li et al. (2011) pada Journal of Nanomaterials, peneliti semakin tertarik dengan biosintesis nanopartikel oleh mikroorganisme. Beragam metode hayati mendukung sintesis nanopartikel terutama kategori metal. Untuk mengoptimalkan pemanfaatannya, seperti kuantitas dan kualitas nanopartikel yang disintesis, penelitian terhadap mikroba telah menyentuh level genomik dan proteomik. Hal ini terbukti dengan semakin banyaknya studi dan eksperimen di level tersebut yang dikerahkan peneliti untuk mendalami proses biosintesis nanopartikel.
Dari penjelasan di atas, dekstran dan nanopartikel lain memiliki potensi manfaat yang besar di Indonesia. Pengembangan dan pengaplikasian nanopartikel di Indonesia dapat menjadi langkah yang signifikan untuk memajukan teknologi di bidang kesehatan. Tidak hanya fleksibel serta memiliki fungsi yang beragam, sintesisnya yang diperantarai mikroba memiliki banyak keuntungan. Juga kontribusi mikroba, si makhluk kecil, masih sangatlah banyak dan menawarkan dunianya untuk dieksplor lebih dalam.
DAFTAR PUSTAKA:
Khan, I., Saeed, K., & Khan, I. (2019). Nanoparticles: Properties, applications and toxicities. Arabian Journal of Chemistry, 12(7): 908–931. doi: https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2017.05.011.
Li, X., Xu, H., Chen, ZS., & Chen, G. (2011). Biosynthesis of Nanoparticles by Microorganisms and Their Applications. Journal of Nanomaterials, 2011: 1–16. doi: https://doi.org/10.1155/2011/270974.
Wang, T., Jiang, Z., Wang, Y., et al. (2021). Low Molar Mass Dextran: One-Step Synthesis With Dextransucrase by Site-Directed Mutagenesis and its Potential of Iron-Loading. Front. Bioeng. Biotechnol., 9:747602 doi: https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.747602.
