HULUK: Hijau untuk Lingkungan yang ber-Kelanjutan

Jika saya menyebut satu tokoh cendekiawan jenius fiktif yang bernama Dr Robert Bruce Banner, mungkin sebagian besar pembaca tulisan ini akan mengernyitkan kening dan berkata; “siapa dia ?” Tapi kalau saya menyebutnya sebagai Hulk, tentu hampir semua pembaca mengenalnya, setidaknya mengetahuinya.

Hulk sendiri adalah tokoh pahlawan super (fiksi) yang ada di jajaran super hero Marvel Comics. Tokoh Hulk diciptakan oleh Stan Lee dan Jack Kirby, dan muncul pertama kali di The Incredible Hulk pada tanggal 1 Mei 1962 . Saat ini menurut majalah Wizard, Hulk masuk dalam jajaran 7 super hero Marvel yang paling terkenal.

Lalu kenapa tulisan hari ini diawali dengan bahasan soal Hulk ? Tak lain dan tak bukan karena saya terinspirasi oleh hasil mutasi Hulk yang disebabkan oleh percobaan Dr Bruce Banner, yang menjadikan dirinya kuat, beringas, impulsif, emosional, dan betubuh kekar dengan warna kulit hijau.

Ya, hijau adalah kata kunci tulisan hari ini. Hijau Daun tepatnya, klorofil dan kloroplasnya. Teman-teman dekat saya yang tersebar di berbagai grup WA tentu “hafal” dengan salah satu gagasan utopis saya, yang telah sering saya gaungkan sejak 15-20 tahun terakhir, manusia hijau yang mampu berfotosintesis mandiri dengan cara menginsersikan gen kloroplas ke struktur genomnya.

Bahkan dalam beberapa even off air, konsep atau gagasan ini kerap saya jadikan jokes yang saya tujukan untuk memantik sistem berpikir kritis dari audiens. Narasinya kurang lebih seperti ini: “Teman-teman ada satu spesies siput laut di California yang bernama Elysia Chlorotica yang dapat mengambil gen kloroplas dari alga yang dikonsumsinya, dan ia pun berubah menjadi siput hijau yang bisa berfotosintesis dan tinggal membutuhkan karbondioksida dan air untuk mendapatkan energi dari gula dan menghasilkan oksigen untuk digunakan dalam proses respirasi.”

Punchline dari narasi jokes itu adalah sebagai berikut : “Nah coba teman-teman bisa selipkan gen kloroplas dari sayur bayem atau kangkung yang kita makan hampir setiap hari ke dalam urutan gen kita, maka untuk mendapatkan energi dalam bentuk kalori dan oksigen yang semakin tipis karena polusi, teman-teman cukup setiap pagi berjongkok saja di depan knalpot motor, mobil, angkot, bahkan busway, untuk menghirup dalam-dalam gas buangnya yang kaya karbondioksida sambil berjemur di bawah terik matahari, dan voila…teman-teman akan bisa menghasilkan energi gula dan oksigen secara mandiri !!!”

Kemarin sebuah kepala berita di salah satu kanal berita digital membuat saya termenung. Gagasan gila nan utopis itu ternyata jauh lebih cepat tinimbang estimasi prakiraan saya, mulai mendekati kenyataan dapat dipraktekkan oleh manusia. Dalam berita sains itu diwartakan bahwa Prof Sachihiro Matsunaga dari Universitas Tokyo telah berhasil mengimplantasikan kloroplas dari alga ke sel eukariot Hamster, hewan kelas mamalia dari ordo rodentia, yang setelannya tentu tidak bisa berfotosintesa bukan?

Membaca isi berita gembira itu, sontak pikiran liar saya mengembara dan kembali membuka-buka kenangan la akan Elysia chlorotica, siput artis yang bahkan kalau tidak salah, telah saya masukkan dalam tulisan saya di 3 buku yang berbeda.

Elysia chlorotica, atau siput laut hijau, adalah organisme unik yang mampu berfotosintesis, meskipun secara biologis merupakan hewan. Kemampuan fotosintesis ini didapat dari mekanisme kleptoplasty, yaitu fenomena dimana hewan “menggunakan” dan memanfaatkan kloroplas dari alga yang mereka konsumsi.

Elysia chlorotica mendapatkan kloroplasnya dari alga hijau Vaucheria litorea, yang menjadi sumber makanan utamanya. Saat memakan alga ini, Elysia chlorotica tidak hanya mencernanya, tetapi juga mengambil kloroplas dari sel alga dan menyimpannya dalam sel-sel tubuhnya, terutama di sel epitel jaringan pencernaan.

Lalu bagaimana kloroplas dapat menjadi bagian dari sistem tubuhnya?

Saat Elysia chlorotica mengkonsumsi alga Vaucheria litorea, kloroplas tidak dihancurkan oleh sistem pencernaannya. Sebaliknya, kloroplas diangkut dan diintegrasikan ke dalam sel tubuhnya, khususnya di dalam vakuola sel epitel yang dekat dengan permukaan tubuh.

Kloroplas ini akan tetap aktif di dalam tubuh siput selama berbulan-bulan, yang memungkinkan Elysia chlorotica untuk melakukan fotosintesis dan menghasilkan energi (karbohidrat) dari sinar matahari.

Proses ini sangat efisien sehingga siput tidak perlu makan selama berbulan-bulan, asalkan mendapat cukup cahaya.

Penelitian lain menunjukkan bahwa siput ini mungkin telah memperoleh gen tertentu dari alga melalui transfer gen horizontal. Gen-gen inilah yang memungkinkan kloroplas tetap berfungsi di dalam tubuh siput, meskipun terpisah dari sel asalnya. Salah satunya adalah gen yang membantu produksi protein spesifik yang dibutuhkan kloroplas untuk tetap aktif.

Sel-sel epitel siput memiliki mekanisme yang memungkinkan kloroplas tetap stabil dan tidak dicerna. Sel ini juga memungkinkan kloroplas menerima materi yang diperlukan untuk melakukan fotosintesis, seperti CO2 dan air.

Fotosintesis memungkinkan siput Elysia yang habitatnya adalah daerah rawa dan pesisir, menghasilkan glukosa, terutama saat makanan sulit ditemukan. Dengan memiliki kemampuan fotosintesis, Elysia chlorotica dapat bertahan lebih lama tanpa makan, sehingga sangat efisien dalam pengolahan energi.

Kloroplas yang dimanfaatkan oleh Elysia chlorotica tidak bisa direplikasi sendiri karena siput tidak memiliki gen yang sepenuhnya mendukung reproduksi kloroplas. Oleh karena itu, kloroplas ini harus terus diperbarui dengan makan alga secara periodik.

Studi tentang Elysia chlorotica inilah yang telah membuka wawasan tentang potensi transfer gen lintas spesies dan kemungkinan mengadaptasi fotosintesis pada sistem biologis hewan. Fenomena ini juga relevan dalam bidang biologi sintetik dan bioteknologi, termasuk penelitian tentang rekayasa organisme untuk efisiensi energi yang lebih tinggi.

Lalu bagaimana sebenarnya proses dan mekanisme fotosintesis di sel-sel tumbuhan itu dapat menghasilkan energi dari gula (kalori) dan mengubah karbondioksida menjadi oksigen dengan hanya dibantu oleh cahaya matahari dan air? Simak penjelasan singkat berikut ya.

Untuk mengenal proses fotosintesis seperti yang terjadi di Elysia Chlorotica denga lebih baik, kita dapat mulai pelajari dari mengenal kloroplas ya. Di mana kloroplas adalah organela yang bertanggung jawab untuk proses fotosintesis pada tumbuhan dan alga. Di dalamnya terdapat beberapa komponen penting seperti;
membran Tilakoid, tempat berlangsungnya reaksi terang. Lalu ada Stroma, cairan di dalam kloroplas tempat reaksi gelap (siklus Calvin) berlangsung. Kemudian juga tentu ada Klorofil, pigmen yang menangkap cahaya, terutama cahaya biru dan merah.

Fotosintesis sendiri terdiri dari dua tahap utama, yaitu reaksi terang dan reaksi gelap. Reaksi Terang (Light-Dependent Reaction) berlokasi di membran tilakoid dan bertujuan untuk mengubah energi cahaya menjadi energi kimia berupa ATP dan NADPH, melalui langkah-langkah sebagai berikut;

1. Penangkapan Cahaya:

Cahaya diserap oleh klorofil yang berada di fotosistem II (PSII). Elektron pada klorofil tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi.

2. Fotolisis Air:

Molekul air dipecah menjadi oksigen, proton (H⁺), dan elektron melalui enzim di PSII.
Reaksi: 2H2O –> 4H+ + 4e- + O2

3. Transpor Elektron:

Elektron yang tereksitasi melewati rantai transpor elektron di membran tilakoid.

Energi dari elektron digunakan untuk memompa proton (H⁺) ke dalam lumen tilakoid, menciptakan gradien proton.

4. Produksi ATP:

Gradien proton menyebabkan proton mengalir kembali ke stroma melalui _ATP synthase,_ menghasilkan ATP melalui proses fotofosforilasi.

5. Fotosistem I (PSI):

Elektron dari PSII mencapai PSI, tereksitasi lagi oleh cahaya, dan akhirnya digunakan untuk mengubah NADP⁺ menjadi NADPH.

Hasil Reaksi Terang:

– Oksigen dilepaskan ke atmosfer.

– ATP dan NADPH dihasilkan sebagai sumber energi dan elektron untuk reaksi gelap.

Lalu Reaksi Gelap (Light-Independent Reaction) / Siklus Calvin berlangsung di Stroma kloroplas, dan bertujuan untuk menggunakan molekul ATP dan NADPH untuk mengubah karbon dioksida menjadi glukosa, melalui langkah-langkah sebagai berikut;

1. Karboksilasi:

Enzim Rubisco mengikat dengan molekul ribulosa-1,5-bisfosfat (RuBP), menghasilkan dua molekul 3-fosfogliserat (3-PGA).

2. Reduksi:

3-PGA diubah menjadi gliseraldehida-3-fosfat (G3P) menggunakan ATP dan NADPH.

3. Regenerasi:

Sebagian G3P digunakan untuk membentuk RuBP kembali dengan bantuan ATP.

4. Produksi Glukosa:

Sebagian G3P disisihkan untuk membentuk glukosa dan molekul gula lainnya.

Hasil Reaksi Gelap:

– Karbohidrat (glukosa) terbentuk.

– ATP dan NADPH dihabiskan untuk proses ini.

Fotosintesis adalah proses utama yang memasok energi kimia dalam bentuk glukosa, yang kemudian digunakan oleh sel untuk metabolisme. Juga menjadi inti dari Siklus Karbon yang menjaga keseimbangan karbon di atmosfer melalui mekanisme pengikatan dan mengonversinya menjadi gula dan O2. Fotosintesis menghasilkan oksigen, esensial untuk respirasi seluler.

Lalu spesies atau filum apa sajakah yang dapat memanfaatkan mekanisme kleptoplasti untuk mendapatkan keuntungan dan manfaat proses fotosintesis yang semula adalah “hak eksklusif” keluarga tanaman ?

Siput Laut (Sea Slugs)

Kelompok siput laut dari famili Sacoglossa adalah yang paling terkenal dengan kemampuan kleptoplasty-nya. Mereka mengkonsumsi alga dan menyimpan kloroplas dalam sel tubuh mereka.

Contoh spesiesnya antara lain tentu saja adalah Elysia chlorotica yang mendapatkan kloroplas dari alga hijau Vaucheria litorea. Lalu ada Elysia crispata (Lettuce Sea Slug) yang mendapatkan kloroplasnya dari berbagai jenis alga. Spesies yang satu ini dikenal karena penampilannya yang menyerupai sayur selada.

Kemudian ada Elysia viridis yang mengambil kloroplas dari alga hijau seperti Codium fragile. Di mana kleptoplasty-nya bersifat sementara dan tergantung pada ketersediaan alga. Demikian pula Elysia timida yang memanfaatkan kloroplas dari alga Acetabularia acetabulum dan dapat mempertahankan fotosintesis dalam jangka waktu terbatas.

Ciliata (Protozoa Bersel Satu)

Beberapa protozoa bersel satu juga mampu melakukan kleptoplasty dengan “pinjam pakai” kloroplas dari alga yang mereka makan.

Contoh spesiesnya antara lain adalah Mesodinium rubrum, protozoa laut yang meminjam pakai kloroplas dari alga kriptofit (cryptophyte). Tidak hanya menyimpan kloroplas, tetapi juga bagian lain dari alga seperti nukleus untuk mendukung fungsi kloroplas.

Foraminifera

Foraminifera adalah kelompok protista laut yang dikenal dengan struktur tubuh berbentuk cangkang. Beberapa spesies menggunakan kloroplas dari alga yang mereka konsumsi. Contoh spesiesnya antara lain adalah Haynesina germanica, yang menyimpan kloroplas dari diatom (sejenis alga), dan menggunakan fotosintesis untuk mendapatkan energi tambahan.

Lalu ada pula Elphidium spp, foraminifera yang hidup di sedimen laut dangkal.Kloroplas yang dipinjam pakai membantu kelangsungan hidup mereka di lingkungan dengan sumber makanan yang terbatas.

Dinoflagellata

Beberapa dinoflagellata, kelompok plankton fotosintetik, juga melakukan kleptoplasty. Mereka meminjam pakai kloroplas dari alga yang mereka mangsa.Contoh spesiesnya antara lain adalah Dinophysis spp, yang mengambil kloroplas dari alga kriptofit. Dinoflagella menggunakan kloroplas untuk mendukung fotosintesis hingga beberapa hari. Kemudian juga ada Gymnodinium spp yang beberapa spesiesnya dapat menyimpan kloroplas dari alga yang mereka konsumsi.

Acoel Flatworms

Beberapa jenis cacing pipih acoel juga menunjukkan kemampuan kleptoplasty. Contoh spesiesnya antara lain adalah; Symsagittifera roscoffensis, yang hidup dalam simbiosis dengan kloroplas dari alga hijau Tetraselmis convolutae, dan mendapatkan hampir seluruh kebutuhan energinya dari fotosintesis.

Karang dan Anemon Laut (Terkait Kleptoplasty Parsial)

Meski lebih dikenal karena simbiosis dengan alga zooxanthellae, beberapa spesies karang dan anemon laut dapat “menyimpan” kloroplas dari alga yang hidup di dalam jaringan mereka, meskipun ini lebih terkait dengan simbiosis mutualistik daripada kleptoplasty murni.

Kembali pada berita heboh dari Jepang soal kloroplas yang bisa dititipin pada sel-sel Hamster, saya jadi penasaran. Kira-kira bagaimana ya cara atau mekanismenya?

Ternyata ada informasi bahwa tim yang dipimpin oleh Profesor Sachihiro Matsunaga dari Universitas Tokyo berhasil mengimplantasikan kloroplas dari alga merah Cyanidioschyzon merolae ke dalam sel kultur hamster (garis sel CHO-K1) dengan menggunakan metode yang kira-kira sebagai berikut;

1. Isolasi Kloroplas: Kloroplas diekstraksi dari alga merah Cyanidioschyzon merolae, yang dikenal mampu berfungsi pada suhu tubuh mamalia.

2. Pengenalan Kloroplas ke Sel Hewan: Kloroplas yang telah diisolasi kemudian dimasukkan ke dalam sel kultur hamster (garis sel CHO-K1). Meskipun detail spesifik mengenai teknik pengenalan ini tidak dijelaskan dalam sumber yang tersedia, namun kita sitir metode umum yang kerap digunakan dalam penelitian serupa yang meliputi beberapa langkah berikut;_

– Fagositosis Terinduksi: Mendorong sel hewan untuk menelan partikel eksternal, seperti kloroplas, melalui proses fagositosis.

– Mikroinjeksi: Menggunakan mikropipet untuk secara langsung menyuntikkan kloroplas ke dalam sel hewan.

– Fusi Sel: Menginduksi fusi antara membran sel hewan dan kloroplas untuk memungkinkan masuknya kloroplas.

Setelah proses introduksi, aktivitas fotosintesis dalam sel hamster yang mengandung kloroplas dipantau menggunakan teknik seperti mikroskopi konfokal, mikroskopi elektron, dan pulse amplitude modulation fluorometry. Hasilnya menunjukkan bahwa kloroplas tetap aktif melakukan fotosintesis selama setidaknya dua hari setelah diintroduksi ke dalam sel hewan.

Tentu saja penelitian ini membuka peluang baru dalam rekayasa jaringan dan bioteknologi, terutama dalam mengatasi masalah kekurangan oksigen pada jaringan tubuh dengan memanfaatkan kemampuan fotosintesis dari kloroplas yang diimplantasikan, juga kapasitas penghasil energi/kalori secara mandiri bukan?

Coba saya WA asisten saya yang alumni MBA Telkom ah, siapa tahu dia mau saya jadikan probandus untuk diinsersikan kloroplas dan gen-gennya ke sel epitel kulitnya dengan bantuan teknik CRISPR-Cas9 yang juga digunakan oleh He Jiankui untuk menonaktifkan gen CCR5 reseptor HIV di tubuh probandusnya. Siapa tahu Kang Sendy, asisten saya itu, bisa menjadi makhluk super sejenis Hulk, yang menjadi kuat dan bertubuh hijau saat menghirup asap knalpot angkot Hijau Caheum-Ledeng. Kalau berhasil dia mau saya beri nama ala-ala Marvel: HULUK, alias Hijau untuk Lingkungan yang ber-Kelanjutan.