Para peneliti di Institut Politeknik Rensselaer telah mengembangkan strain bakteri yang dapat mengubah limbah plastik menjadi benang laba-laba yang dapat terurai secara alami dengan banyak kegunaan.
Studi baru mereka, yang dipublikasikan dalam jurnal Microbial Cell Factories, menandai kali pertama ilmuwan menggunakan bakteri untuk mengubah plastik polietilena—jenis yang digunakan dalam banyak barang sekali pakai—menjadi produk protein bernilai tinggi.
Produk tersebut, yang disebut “benang laba-laba yang terinspirasi oleh biologi” oleh para peneliti karena kemiripannya dengan sutra laba-laba yang digunakan laba-laba untuk memintal jaringnya, memiliki aplikasi dalam tekstil, kosmetik, bahkan kedokteran.
“Sutra laba-laba adalah Kevlar alami,” kata Helen Zha, Ph.D., seorang asisten profesor teknik kimia dan biologi dan salah satu peneliti RPI yang memimpin proyek ini. “Sutra laba-laba hampir sama kuatnya dengan baja dalam tegangan. Namun, sutra laba-laba enam kali lebih ringan dari baja, sehingga sangat ringan. Sebagai bioplastik, sutra laba-laba ini lentur, kuat, tidak beracun, dan dapat terurai secara alami.”
Semua atribut tersebut membuatnya menjadi bahan yang sangat baik untuk masa depan di mana sumber daya terbarukan dan penghindaran polusi plastik yang persisten adalah hal yang biasa, kata Zha.
Plastik polietilena, yang ditemukan dalam produk seperti tas plastik, botol air, dan kemasan makanan, adalah penyumbang terbesar polusi plastik secara global dan dapat memakan waktu hingga 1.000 tahun untuk terurai secara alami. Hanya sebagian kecil plastik polietilena yang didaur ulang, sehingga bakteri yang digunakan dalam studi ini dapat membantu “mendaur ulang” sebagian limbah yang tersisa.
Pseudomonas aeruginosa, bakteri yang digunakan dalam studi ini, secara alami dapat mengonsumsi polietilena sebagai sumber makanan. Tim RPI mengatasi tantangan untuk mengubah bakteri ini agar dapat mengonversi atom karbon polietilena menjadi protein sutra yang dienkripsi secara genetik. Mereka menemukan bahwa bakteri yang baru dikembangkan mereka dapat membuat protein sutra dengan hasil yang menyaingi beberapa strain bakteri yang lebih umum digunakan dalam biomanufaktur.
Proses biologis mendasar di balik inovasi ini adalah sesuatu yang telah dimanfaatkan oleh manusia selama ribuan tahun.
“Pada dasarnya, bakteri tersebut mengolah plastik. Fermentasi digunakan untuk membuat dan mengawetkan berbagai macam makanan, seperti keju, roti, dan anggur, dan dalam industri biokimia digunakan untuk membuat antibiotik, asam amino, dan asam organik,” kata Mattheos Koffas, Ph.D., Dorothy dan Fred Chau ʼ71 Career Development Constellation Professor di Bidang Biokatalisis dan Rekayasa Metabolik, dan peneliti lain yang memimpin proyek ini, dan yang bersama dengan Zha adalah anggota Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies di Rensselaer.
Untuk membuat bakteri mengolah polietilena, plastik tersebut pertama-tama “dipredigesti,” kata Zha. Sama seperti manusia perlu memotong dan mengunyah makanan kita menjadi potongan-potongan kecil sebelum tubuh kita dapat menggunakannya, bakteri kesulitan memakan rantai molekul panjang, atau polimer, yang terdiri dari polietilena.
Dalam studi ini, Zha dan Koffas bekerja sama dengan para peneliti di Laboratorium Nasional Argonne, yang mendepolimerisasi plastik dengan memanaskannya di bawah tekanan, menghasilkan zat lembut dan berlilin. Selanjutnya, tim menempatkan lapisan lilin yang berasal dari plastik di bagian bawah labu, yang berfungsi sebagai sumber nutrisi untuk kultur bakteri. Ini berbeda dengan fermentasi tipikal, yang menggunakan gula sebagai sumber nutrisi.
“Ibaratnya, daripada memberi makan bakteri kue, kami memberinya lilin di atas kue,” kata Zha.
Kemudian, saat piring pemanas perlahan-lahan mengaduk isi labu, bakteri mulai bekerja. Setelah 72 jam, para ilmuwan menyaring bakteri dari kultur cairan, membersihkan protein sutra, dan mengeringkannya. Pada tahap itu, protein yang menyerupai bola kapas yang terkoyak tersebut dapat dipintal menjadi benang atau dibuat menjadi bentuk lain yang berguna.
“Apa yang benar-benar menarik dari proses ini adalah bahwa berbeda dengan cara plastik diproduksi saat ini, proses kami menggunakan energi rendah dan tidak memerlukan penggunaan bahan kimia beracun,” kata Zha. “Para ahli kimia terbaik di dunia tidak dapat mengubah polietilena menjadi sutra laba-laba, namun bakteri ini bisa. Kami benar-benar memanfaatkan apa yang telah dikembangkan alam untuk melakukan manufaktur bagi kita.”
Namun, sebelum produk sutra laba-laba yang didaur ulang menjadi kenyataan, para peneliti pertama-tama harus menemukan cara membuat protein sutra lebih efisien.
“Studi ini menegaskan bahwa kami dapat menggunakan bakteri ini untuk mengubah plastik menjadi sutra laba-laba. Penelitian masa depan kami akan menyelidiki apakah memodifikasi bakteri atau aspek lain dari proses tersebut akan memungkinkan kami untuk meningkatkan produksi,” kata Koffas.
“Profesor Zha dan Koffas mewakili generasi baru insinyur kimia dan biologi yang menggabungkan rekayasa biologis dengan ilmu bahan untuk memproduksi produk ramah lingkungan. Karya mereka adalah pendekatan baru untuk melindungi lingkungan dan mengurangi ketergantungan kita pada sumber daya yang tidak dapat diperbarui,” kata Shekhar Garde.
