Para ilmuwan telah merekayasa suatu enzim untuk memecah ikatan silikon-karbon dalam siloksan, menandai langkah signifikan menuju pembuatan bahan kimia yang tersebar luas dan ramah lingkungan ini dapat terurai secara hayati. Inovasi ini, yang dicapai melalui evolusi terarah, membuka jalan bagi pengelolaan limbah silikon yang lebih efektif. Di atas adalah gambaran seniman tentang enzim yang berevolusi secara artifisial yang memutus ikatan silikon-karbon. Kredit: Caltech/Dow
Para ilmuwan telah berhasil merekayasa suatu enzim yang mampu memecah ikatan kuat buatan manusia antara silikon dan karbon yang terdapat dalam bahan kimia yang banyak digunakan yang dikenal sebagai siloksan, atau silikon. Terobosan ini menandai langkah pertama menuju penciptaan bahan kimia lingkungan yang persisten dan dapat terurai secara hayati.
“Alam adalah ahli kimia yang luar biasa, dan repertoarnya kini mencakup pemutusan ikatan siloksan yang sebelumnya dianggap dapat menghindari serangan organisme hidup,” kata Frances Arnold, Profesor Teknik Kimia, Bioteknologi, dan Biokimia Linus Pauling di Caltech dan pemenang Hadiah Nobel 2018 di bidang ilmu kimia. Kimia atas karya rintisannya dalam evolusi terarah, suatu metode rekayasa enzim dan protein lain menggunakan prinsip seleksi buatan. Arnold dan rekan-rekannya, termasuk Dimitris (Dimi) Katsoulis dari Dow Inc. Perusahaan yang berbasis di Michigan menggunakan evolusi terarah untuk menciptakan enzim pemecah ikatan silikon-karbon baru. Hasilnya dipublikasikan di jurnal edisi 26 Januari Sains.
Para peneliti mengatakan bahwa meskipun penggunaan praktis dari enzim rekayasa mereka masih satu dekade atau lebih, perkembangannya membuka kemungkinan bahwa siloksan suatu hari nanti dapat terurai secara hayati. “Misalnya, organisme alami dapat berevolusi di lingkungan yang kaya siloksan untuk mengkatalisis reaksi serupa, atau versi enzim yang lebih baik yang dikembangkan di laboratorium seperti ini mungkin dapat digunakan untuk mengolah kontaminan siloksan dalam air limbah,” kata Arnold.
Katsoulis menjelaskan bahwa alam tidak menggunakan silikon–ikatan karbon,” tapi Kami melakukan dan telah melakukannya selama sekitar 80 tahun. Sifat mudah menguap dari beberapa senyawa ini memerlukan penelitian kesehatan dan lingkungan untuk lebih memahami mekanisme degradasi bahan-bahan ini di lingkungan.”
Silikon dalam Produk Sehari-hari
Bahan kimia siloksan dapat ditemukan di banyak produk, termasuk produk pembersih rumah tangga, perawatan pribadi, dan industri otomotif, konstruksi, elektronik, dan ruang angkasa. Tulang punggung kimia senyawa ini terbuat dari silikon–ikatan oksigen, sedangkan gugus yang mengandung karbon, seringkali metil, terikat pada atom silikon. “Tulang punggung silikon-oksigen memberikan polimer karakter anorganik sedangkan gugus silikon-metil memberikan karakteristik organik polimer. “Oleh karena itu, polimer ini memiliki sifat material yang unik, seperti stabilitas termal dan oksidatif yang tinggi, tegangan permukaan yang rendah, dan fleksibilitas tulang punggung yang tinggi,” kata Katsoulis.
Siloxanes diyakini bertahan di lingkungan selama berhari-hari hingga berbulan-bulan, dan oleh karena itu, penelitian yang sedang berlangsung bertujuan untuk memberikan pemahaman ilmiah yang lebih baik tentang kesehatan dan keamanan lingkungan dari bahan silikon. Bahan kimia ini secara alami mulai terurai menjadi potongan-potongan kecil, terutama di lingkungan tanah atau air, dan pecahan tersebut menjadi mudah menguap atau terlepas ke udara, kemudian terurai melalui reaksi dengan radikal bebas di atmosfer. Dari semua ikatan dalam siloksan, silikon–ikatan karbon paling lambat terurai.
Katsoulis mendekati Arnold untuk berkolaborasi dalam upaya mempercepat degradasi siloksan setelah dia membaca tentang pekerjaan labnya dalam membujuk alam untuk memproduksi silikon–ikatan karbon. Pada tahun 2016, Arnold dan rekan-rekannya menggunakan evolusi terarah untuk merekayasa protein bakteri yang disebut sitokrom C untuk membentuk silikon–ikatan karbon, suatu proses yang tidak terjadi di alam. “Kami memutuskan untuk membuat alam melakukan apa yang hanya bisa dilakukan oleh ahli kimia—hanya dengan lebih baik,” kata Arnold dalam rilis berita Caltech. Penelitian menunjukkan bahwa biologi dapat menciptakan ikatan ini dengan cara yang lebih ramah lingkungan dibandingkan metode yang biasa digunakan oleh ahli kimia.
Dalam studi baru ini, para peneliti ingin menemukan cara untuk memutus ikatan tersebut, bukan menciptakannya. Para ilmuwan menggunakan evolusi terarah untuk mengembangkan enzim bakteri yang disebut sitokrom P450. Evolusi terarah mirip dengan pembiakan anjing atau kuda karena prosesnya dirancang untuk menghasilkan sifat-sifat yang diinginkan. Para peneliti pertama kali mengidentifikasi varian sitokrom P450 dalam rangkaian enzim mereka yang memiliki kemampuan sangat lemah untuk memecah silikon.–ikatan karbon dalam apa yang disebut metilsiloksan mudah menguap linier dan siklik, subkelompok umum dari keluarga siloksan.
Mengatasi Hambatan dalam Evolusi Enzim
Mereka bermutasi DNA sitokrom P450 dan menguji enzim varian baru. Enzim dengan kinerja terbaik kemudian dimutasi lagi, dan pengujian diulangi hingga enzim tersebut cukup aktif sehingga memungkinkan peneliti mengidentifikasi produk reaksi dan mempelajari mekanisme kerja enzim.
“Evolusi enzim untuk memutus ikatan pada siloksan menghadirkan kendala unik. “Dengan evolusi terarah, kita harus mengevaluasi ratusan enzim baru secara paralel untuk mengidentifikasi beberapa varian enzim dengan aktivitas yang lebih baik,” kata Tyler Fulton (PhD '22), salah satu penulis utama studi tersebut dan sarjana pascadoktoral di Caltech di laboratorium Arnold. Salah satu tantangannya adalah molekul siloksan melepaskan komponen plastik dari 96 pelat sumur yang digunakan untuk menyaring varian tersebut. Untuk mengatasi masalah tersebut, tim membuat pelat baru yang terbuat dari peralatan laboratorium umum.
“Tantangan lainnya adalah menemukan enzim awal untuk proses evolusi terarah, yang bahkan memiliki sejumlah kecil aktivitas yang diinginkan,” kata Arnold. “Kami menemukannya dalam koleksi unik sitokrom P450 yang dikembangkan di laboratorium untuk jenis kimia silikon baru lainnya.”
Enzim akhir yang ditingkatkan tidak secara langsung memotong ikatan silikon-karbon melainkan mengoksidasi gugus metil dalam siloksan dalam dua langkah berurutan. Pada dasarnya, ini berarti dua karbon–Ikatan hidrogen digantikan dengan karbon–ikatan oksigen, dan perubahan ini memungkinkan ikatan silikon-karbon lebih mudah putus.
Penelitian ini konsisten dengan penelitian yang melibatkan enzim pemakan plastik, jelas Fulton, mengacu pada a enzim pendegradasi polietilen tereftalat (PET). ditemukan pada bakteri ini Ideonella sakaiensis pada tahun 2016 oleh kelompok penelitian yang berbeda. “Meskipun enzim pengurai PET ditemukan secara alami dan bukan oleh para insinyur, enzim tersebut menginspirasi inovasi lain yang pada akhirnya menyebabkan degradasi plastik. “Kami berharap demonstrasi ini akan menginspirasi upaya lebih lanjut untuk membantu memecah senyawa siloksan,” ujarnya.
Referensi: “Evolusi terarah pembelahan ikatan silikon-karbon enzimatik dalam siloksan” oleh Nicholas S. Sarai, Tyler J. Fulton, Ryen L. O'Meara, Kadina E. Johnston, Sabine Brinkmann-Chen, Ryan R. Maar, Ron E . Tecklenburg, John M. Roberts, Jordan CT Reddel, Dimitris E. Katsoulis dan Frances H. Arnold, 25 Januari 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adi5554
Penelitian ini didanai oleh Dow University Partnership Initiative dan National Science Foundation. Penulis Caltech lainnya termasuk rekan penulis utama Nicholas Sarai (PhD '23), serta mahasiswa pascasarjana Ryen L. O'Meara, Kadina E. Johnston (PhD '23), dan manajer lab Arnold Sabine Brinkmann-Chen. Penulis Dow lainnya termasuk Ryan R. Maar, Ron E. Tecklenburg, John M. Roberts, dan Jordan CT Reddel.
NewsRoom.id
