Perpustakaan Digital ITB

Peningkatan emisi karbon dioksida (CO?) ke atmosfer akibat aktivitas manusia telah memicu krisis iklim global yang ditandai dengan pemanasan global. Dampaknya yang meluas, mulai dari pelelehan gletser hingga kegagalan panen, menuntut adanya pengembangan teknologi penangkapan karbon yang inovatif dan efisien untuk menyeimbangkan kembali siklus karbon. Proses metabolisme tubuh yang menghasilkan energi secara kontinu juga melepaskan CO? dalam jumlah besar, tetapi tubuh tidak pernah mengalami "pemanasan global" internal berkat mekanisme transpor gas yang luar biasa pada sel darah merah (SDM). Sistem ini bekerja melalui kerja sama sinergis dari tiga komponen protein kunci: Aquaporin 1 (AQP1) sebagai kanal masuk CO? yang cepat, Karbonat Anhidrase (KA) sebagai reaktor enzimatis untuk hidrasi CO? menjadi ion bikarbonat (HCO??), dan Band 3 (B3) sebagai kanal penukar untuk mengeluarkan produk bikarbonat dari sel. Meskipun setiap komponen telah banyak dipelajari, sebuah model artifisial yang meniru keseluruhan arsitektur fungsional ini untuk aplikasi penangkapan karbon belum pernah dilaporkan sebelumnya. Penelitian ini bertujuan untuk merekayasa, memfabrikasi, dan mengkarakterisasi sebuah biomatriks berbasis liposom yang meniru mekanisme SDM tersebut. Langkah awal penelitian ini adalah memvalidasi sumber material. Karakterisasi SDM manusia utuh menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) mengonfirmasi morfologi khas cakram bikonkaf dengan depresi sentral, yang secara efektif memaksimalkan rasio luas permukaan terhadap volume untuk pertukaran gas yang efisien. Selanjutnya, komponen komponen fungsional diisolasi melalui lisis sel secara hipotonik yang diikuti dengan serangkaian sentrifugasi berkecepatan tinggi. Proses ini berhasil memisahkan fraksi membran SDM yang kaya akan protein AQP1 dan B3 dari fraksi supernatan yang mengandung KA terlarut. Enzim KA kemudian dimurnikan lebih lanjut dari supernatan melalui metode partisi tiga fasa untuk memisahkannya dari hemoglobin yang melimpah. Biomatriks (bmx) kemudian difabrikasi melalui metode rekayasa dua tahap. Pertama, fraksi membran yang telah diisolasi direkonstruksi menjadi vesikel liposom unilamelar melalui sonikasi. Kedua, larutan KA yang telah dimurnikan dienkapsulasi ke dalam lumen liposom tersebut. Analisis distribusi ukuran partikel menggunakan Dynamic Light Scattering (DLS) menunjukkan pembentukan partikel dengan ukuran hidrodinamik yang relatif seragam, dengan diameter rata-rata sebesar 237 ± 5 nm untuk liposom kosong dan 244 ± 4 nm untuk bmx, mengindikasikan proses enkapsulasi tidak menyebabkan perubahan volume yang signifikan. Pengukuran potensial zeta menunjukkan perubahan muatan permukaan yang drastis dari negatif pada liposom (-13,5 mV) menjadi positif pada bmx (+9,2 mV). Perubahan ini mengindikasikan terjadinya interaksi elektrostatik yang kuat antara enzim KA yang bermuatan positif dengan permukaan membran liposom yang bermuatan negatif, mendukung hipotesis bahwa sebagian KA tidak hanya terenkapsulasi di dalam, tetapi juga teradsorpsi di permukaan luar biomatriks. Keberhasilan integrasi protein-protein kunci ke dalam bmx dikonfirmasi secara definitif melalui analisis biokimia. Hasil SDS-PAGE dan Western Blot menunjukkan adanya pita spesifik untuk AQP1 (~28-30 kDa) dan B3 (~95-100 kDa) pada fraksi bmx. Terdeteksinya bentuk oligomerik (dimer, trimer, dan tetramer) dari kedua protein transmembran ini membuktikan bahwa proses fabrikasi tidak hanya berhasil mentransfer protein, tetapi juga mampu mempertahankan sebagian besar struktur kuaternernya yang esensial untuk fungsi transport. Visualisasi arsitektur partikel menggunakan mikroskopi elektron memberikan wawasan mendalam mengenai sifat fisik bmx. Pencitraan dengan Cryogenic Transmission Electron Microscopy (Cryo-TEM) pada kondisi terhidrasi menunjukkan bmx sebagai vesikel bulat sempurna dengan membran lapisan ganda (bilayer) yang utuh dan kontinu, serta lumen internal yang terisi penuh oleh material padat yang merepresentasikan KA terenkapsulasi. Lebih lanjut, citra Cryo TEM mengungkap sifat dinamis dan plastisitas yang luar biasa dari membran bmx, sebuah sifat yang diwariskan dari membran SDM asalnya. Bmx menunjukkan kemampuan untuk berdeformasi secara ekstrem, mengisi celah-celah sempit yang geometrinya tidak beraturan, serta menyusun diri dengan sangat efisien pada kondisi kepadatan tinggi, sebuah keunggulan signifikan dibandingkan nanopartikel sintetik yang kaku. Evaluasi fungsional dilakukan dengan metode spektrofotometri yang dikembangkan untuk mengukur laju hidrasi CO? secara kontinu. Hasilnya menunjukkan bahwa bmx memiliki aktivitas katalitik yang sangat tinggi, mencapai 9,5 × 10?8 mmol CO2 detik?1 L?1 biomatriks?1, jauh melampaui aktivitas liposom kontrol maupun SDM utuh pada kondisi percobaan. Studi inhibisi menggunakan inhibitor spesifik memberikan bukti mekanistik yang kuat. Inhibisi KA dengan asetazolamida (AZM) sepenuhnya menghentikan aktivitas, membuktikan bahwa KA adalah mesin katalitik utama. Menariknya, inhibisi AQP1 dengan merkuri (II) klorida (HgCl?) secara signifikan mengurangi laju reaksi, tetapi tidak menghilangkannya secara total. Aktivitas residual ini memberikan bukti fungsional pertama yang mendukung model kerja "dua lokasi": KA yang teradsorpsi di permukaan luar tetap dapat mengkatalisis hidrasi CO? dari medium eksternal, sementara AQP1 berperan sebagai "corong" yang mempercepat pengiriman CO? ke KA yang berada di dalam lumen. Secara keseluruhan, penelitian ini berhasil mengembangkan sebuah platform nanovesikel biomimetik yang fungsional. Keberadaan KA di dua lokasi (luar dan dalam) serta sifat membran yang sangat dinamis membuka potensi untuk pengembangan mekanisme regenerasi bolak-balik (flip-flop) yang dapat diinduksi secara eksternal. Dengan aktivitas katalitik yang tinggi dan arsitektur yang adaptif, biomatriks ini menunjukkan potensi besar sebagai teknologi penangkap dan pemanfaatan karbon generasi baru yang efisien.