Redesign Photosynthesis, Mungkin Gak Sih?

Ilustrasi. Sumber: https://tinyurl.com/y9nhmdep 

Permintaan dan konsumsi bahan pangan global terus meningkat setiap tahunnya seiring dengan kenaikan jumlah populasi. Populasi dunia diperkirakan akan mencapai jumlah 9,6 miliar pada tahun 2050, dan dengan itu permintaan makanan diprediksi akan meningkat secara substansial. Maka dari itu, perlu adanya peningkatan hasil panen. Untuk meningkatkan hasil panen terdapat 2 pilihan, yaitu meningkatkan area produksi atau meningkatkan produktivitas pada lahan yang sudah ada. Pilihan peningkatan produktivitas lebih baik karena menghindari emisi gas rumah kaca dan gangguan skala besar dari ekosistem. Pertanian adalah penyebab yang signifikan terhadap gas rumah kaca dan diperkirakan mencapai 10-12% dari total emisi gas rumah kaca. Maka dari itu, pilihan yang diambil adalah peningkatan produktivitas dengan mendesain ulang fotosintesis. Salah satu penghambat produktivitas tanaman adalah ketidakmampuan fotosintesis secara efisien. Penghalang utama peningkatan laju asimilasikarbon pada daun adalah enzim karboksilasi Rubisco. Produktivitas tanaman dipengaruhi oleh jumlah energi matahari yang tersedia dan efisiensi tanaman. Sejauh ini, efisiensi fotosintesis hanya berperan kecil dalam meningkatkan produktivitas, namun fotosintesis adalah satu-satunya penentu yang tidak mendekati batas teoritisnya, sehingga masih memiliki potensi untuk dikembangkan. Ada berbagai prinsip yang dapat ditingkatkan seperti:

Penangkapan Cahaya: tanaman menyerap cahaya lebih banyak dibandingkan cahaya yang digunakan untuk produksi. Tingkat absorptivitas tinggi ini disebabkan karena tanaman harus dapat menyerap cahaya secara efektif pada keadaan intensitas cahaya rendah, seperti saat sore hari. Kelebihan energi juga menyebabkan fotooksidasi yang merusak. Mekanisme alami tanaman untuk membuang kelebihan energi dinilai tidak efisien. Salah satu cara untuk mengatasi hal ini adalah mengurangi jumlah light-harvesting pigments seperti klorofil dan karotenoid, yang telah sukses diterapkan di alga dan sianobakteria. Bila jumlah pigmen berkurang maka energi yang dihasilkan akan cukup dan tidak terbuang sia-sia. Akan tetapi teknik ini belum menyakinkan untuk diterapkan di tanaman karena terdapat kemungkinan terjadi kerugian dan memerlukan pemeliharaan khusus.

Konversi Energi Cahaya: fotosintesis hanya menggunakan sekitar satu setengah dari foton matahari (<700 nm) dengan dua fotosistem untuk mengoksidasi air dan mereduksi NADP+ serta menyediakan proton motive force (PMF). Kedua fotosistem ini saling berkompetisi untuk mendapatkan foton. Efisiensi dapat ditingkatkan dengan mengganti fotosistem I (PSI) menjadi pusat reaksi dan transportasi elektron siklik menggunakan bakterioklorofil b. Serta mengganti klorofil a dalam fotosistem II (PSII) menjadi klorofil d. Susunan kompleks ini dapat meningkatkan efisiensi dua kali lipat jika mengarahkan panjang gelombang yang sesuai.

Penangkapan dan Konversi Karbon: Meningkatkan serapan karbon salah satu cara yang tersedia. Transportasi CO2 di ruang antar sel ke lokasi karboksilasi dalam kloroplas mesofil merupakan faktor pembatas dalam fiksasi karbon. Peningkatan kinerja fotosintesis dapat dilakukan dengan memberikan saluran CO2 dan transporter bikarbonat ke sel fotosintetik tanaman, seperti pada ganggang dan bakteri fotosintetik. Hal ini dapat mengurangi jumlah kebutuhan Rubisco dan meningkatkan efisiensi penggunaan nitrogen. Konsentrasi CO2 antar sel yang lebih rendah yang diakibatkan oleh laju fotosintesis meningkat dapat mempercepat difusi dari udara luar, memungkinkan stomata menjadi lebih sedikit terbuka, sehingga dapat meningkatkan efisiensi penggunaan air.

Meningkatkan konversi karbon:. Fotorespirasi adalah faktor penghalang produktivitas karena menyebabkan hilangnya senyawa karbon dan energi metabolik akibat aktivitas oksigenase Rubisco. Tanaman C4 memiliki mekanisme menangkap CO2 dalam bentuk malat ke dalam sel mesofil, yang selanjutnya didekarboksilasi ke dalam sel yang mengandung Rubisco. Hal ini menghasilkan lebih banyak biomassa walaupun membutuhkan lebih banyak ATP. Salah satu pendekatan alternatif adalah menyalin mekanisme konsentrasi CO2 sianobakteria, yang dicirikan oleh transporter bikarbonat dalam microcompartments yang mengandung Rubisco yang disebut karboksisom.

Smart Canopy. Konsep smart canopy menggambarkan interaksi kooperatif tanaman untuk memaksimalkan penerimaan cahaya dan produksi biomassa per satuan luas tanah.. Salah satu variabel dalam kanopi adalah rasio far-red radiation. Transmisi far-red radiation dan rasio absorptivitas hampir tidak dipengaruhi oleh jumlah sinar matahari yang masuk dalam kanopi. Sistem fitokrom dapat mendeteksi rasio tersebut sehingga promoter downstream dari fitokrom signalling dapat digunakan untuk membuat smart canopies. Daun-daun tersebut telah menyesuaikan diri dengan kondisi cahaya umumnya untuk meningkatkan total produksi dari tanaman. Pemodelan metabolik dan biofisik menunjukkan 3 keuntungan signifikan dari daun yang semakin shaded. Pertama, perubahan dari daun vertikal yang berada di bagian atas kanopi dan terpapar banyak cahaya matahari menjadi jenis daun horizontal yang lebih sedikit terpapar cahaya dan terletak di bagian bawah kanopi yang memungkinkan lebih meratanya distribusi sinar matahari dan meminimalkan terjadinya kejenuhan penyerapan cahaya oleh daun yang terletak di bagian atas kanopi dan kurangnya cahaya yang terserap oleh daun yang terletak di bagian bawah kanopi. Kedua, fotosintesis kanopi akan ditingkatkan dengan menyebarkan Rubisco dengan tingkat katalitik tinggi, mengganti Rubisco dengan spesifitas yang lebih tinggi, dan berada di kanopi bagian bawah dengan meminimalkan penguraian energi cahaya yang diubah menjadi metabolisme fotorespirasi. Ketiga, daun yang terletak bagian atas kanopi biasanya adalah daun jenuh cahaya dan reaction centers mungkin terbatas.

Teknologi yang diperlukan:

Transformasi genom plastid: memiliki manfaat yaitu kapasitas untuk ekspresi transgen tingkat tinggi, penumpukan beberapa transgen dalam operon sintetis, presisi yang tinggi dalam rekayasa plastid karena adanya sistem rekombinasi yang homolog yang efisien, dan pemahaman peningkatan transgen yang diberikan oleh model maternal pewarisan plastid pada kebanyakan tanaman, yang sebagian besar tidak mencakup genom plastid dari transmisi polen. Sayangnya, teknologi transformasi plastid yang efisien saat ini tersedia pada sangat sedikit spesies dan belum berhasil untuk serealia yang merupakan tanaman pokok terpenting di dunia tetaplah tidak berhasil.

Aktivator transkripsi dan sistem Cas9 yang dipandu RNA memungkinkan rekayasa genom yang tepat, termasuk penggantian gen dan pengeditan rangkaian genomik dalam konteks regulasi otentik. Aktivator transkripsi adalah protein (faktor transkripsi) yang meningkatkan transkripsi gen-gen atau set gen. Contohnya adalah TALEN yang merupakan enzim restriksi untuk memotong rangkaian DNA tertentu.  Cas9 adalah enzim endonuklease DNA yang dipandu RNA yang terkait dengan sistem kekebalan adaptif CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) tipe II di Streptococcus bertanggung jawab untuk melokasikan dan memotong DNA target.

Redesign fotosintesis dengan alga hijau Chlamydomonas reinhardtii dan sianobakteria karena mereka tumbuh lebih cepat daripada tanaman tingkat tinggi dan lebih mudah dimanipulasi karena lebih sederhana. Namun dari seluruh ide-ide dan teknologi yang ada, penerapannya dibatasi oleh kemampuan untuk memperkenalkan, memposisikan, dan mengatur gen yang disisipkan. Sekian untuk tulisan kali ini. Terima kasih.