Di sebuah reaktor cair, cahaya matahari, enzim, dan bakteri rekayasa dipadukan untuk mengubah karbon dioksida menjadi biomassa hidup. Proses ini menjadi langkah awal menuju sistem produksi yang suatu hari dapat membuat bahan kimia dan material dari udara dengan dukungan energi terbarukan.
Pendekatan itu dikembangkan oleh tim yang dipimpin Dr. Lin Su dari Queen Mary University of London. Mereka merancang reaktor surya terintegrasi yang menyatukan kimia dan biologi dalam satu wadah, lalu mempublikasikan hasilnya di Journal of the American Chemical Society.
Berbeda dari fotosintesis alami pada tanaman atau alga, sistem ini hanya meniru sebagian proses pentingnya. Para peneliti sengaja membuat penangkapan karbon dan pertumbuhan sel berlangsung di lingkungan cair yang sama agar reaksi kimia dan aktivitas biologis bisa saling terhubung.
Di dalam reaktor, satu elektroda memecah air dan menghasilkan oksigen. Oksigen itu membantu bakteri bertahan hidup, sementara elektroda lain memakai enzim untuk menangkap CO2 terlarut dan mengubahnya menjadi formate.
Formate adalah molekul sederhana berbasis satu atom karbon yang menyimpan energi kimia. Senyawa ini menarik karena dapat dibuat langsung dari CO2 dengan bantuan energi terbarukan dan berpotensi menjadi pembawa energi untuk manufaktur rendah karbon.
Setelah formate terbentuk, bakteri E. coli rekayasa memakannya. Dengan bantuan oksigen dari sistem, bakteri mengambil energi dari formate lalu memakai karbon dioksida untuk membangun biomassa baru.
Pemilihan E. coli bukan tanpa alasan. Genetika dan metabolismenya sudah dipahami sangat baik, sehingga jenis bakteri ini mudah dijadikan platform uji untuk sistem baru.
Meski begitu, strain E. coli yang mampu memakai formate sebelumnya masih tumbuh lambat. Untuk memperbaikinya, tim melakukan adaptive laboratory evolution selama 168 hari dengan membiakkan bakteri berulang kali dalam kondisi berbasis formate.
Hasilnya cukup mencolok. Strain yang berevolusi mencapai tingkat pertumbuhan serupa hanya dalam dua hari, bukan hampir dua minggu.
Agar produksi formate berjalan efisien, tim menggunakan enzim formate dehydrogenase yang dipasang pada elektroda titanium dioksida khusus. Mereka juga menambahkan enzim carbonic anhydrase untuk mempercepat pemrosesan CO2 dan menjaga kestabilan keasaman lokal.
Saat sistem dialiri listrik, reaktor menghasilkan sekitar 650 mikromole formate per sentimeter persegi selama 10 jam operasi. Hampir semua elektron yang masuk dipakai untuk membentuk formate, dengan hasil Faradaic mendekati 98%.
Setelah itu, peneliti memasukkan strain E. coli yang sudah berevolusi ke larutan kaya formate. Dalam beberapa hari, bakteri menghabiskan sebagian besar formate dan biomassanya terus meningkat.
Tahap berikutnya mengganti pasokan listrik dengan tenaga surya. Tim memakai sel surya organik yang cukup memberi tegangan untuk mereduksi CO2 tanpa melepas ion logam beracun yang bisa merusak bakteri.
Perangkat lengkap ini disebut semiartificial leaf. Di atas platform kaca kecil, photocathode semikonduktor organik dan photoanode bismuth vanadate bekerja bersama untuk membelah air, menghasilkan oksigen, dan mengubah CO2 menjadi formate.
Reaktor itu mampu berjalan selama 20 jam di bawah cahaya dan tetap mendukung kelangsungan hidup bakteri. Untuk memastikan sumber karbonnya, tim juga menggunakan CO2 berlabel karbon-13.
Hasilnya menunjukkan formate yang terbentuk ikut membawa karbon-13, sehingga asal karbon dari CO2 benar-benar terkonfirmasi. Bagi para peneliti, ini masih sebatas bukti konsep awal, bukan sistem yang siap dipakai luas.
Namun arah pengembangannya dinilai besar. Jika efisiensi, stabilitas jangka panjang, manajemen oksigen, dan produktivitas bisa ditingkatkan, platform ini dapat menjadi fondasi bagi formate bioeconomy dan pabrik surya.
Dalam skenario itu, produk yang dihasilkan tidak berhenti pada biomassa. Sistem serupa berpotensi diarahkan untuk membuat plastik, bahan kimia khusus, bahan bakar, atau protein mikroba.
Dr. Celine Wing See Yeung dari University of Cambridge menyebut pekerjaan ini sebagai hasil lintas bidang yang telah dikembangkan bertahun-tahun. Tim peneliti juga menekankan bahwa kekuatan utamanya ada pada sifat modular, karena enzim, material surya, dan strain bakteri bisa diganti untuk menghasilkan molekul yang berbeda.
