Microalgal lipids biochemistry and biotechnological perspectivesBiokimia Lipid Mikroalga dan Perspetif Bioteknologi

PendahuluanMikrolaga merupakan mikroorganisme fotosintetik yang memiliki peran penting dalam mensuplai bahan organik dan molekul spesifik di ekosistem alam, seperti polyunsaturated fatty acids (PUFAs), yang berguna untuk organisme lainnya yang lebih tinggi darinya. Aplikasi mikroalga digunakan untuk nutrisi manusia dan hewan, untuk kosmetik dan produksi molekul yang memiliki nilai ekonomis. Perkembangan aplikasi mikroalga bermula pada abad ke 20. Dalam artikel review ini dibahas mengenai pengetahuan yang up-to-date dalam biosintesis lipid, mikroalga, berbagai aplikasi bioteknologi dan perspektif dimasa depan mengenai lipid mikroalga yang disajikan dan dibahas secara komprehensif. Pengambilan pertimbangan analisis techno-ekonomi menyimpulkan bahwa kandungan lipid alga merupakan faktor paling penting yang mempengaruhi kelangsungan hidup pada aplikasi skala besar, terutama yang berkaitan dengan biodiesel, selain itu juga dibahas mengenai rekaya genetik dalam produksi lipid alga.Lipid Mikroalga pada Garis Terdepan Bioteknologi Lipid Beberapa spesies mikroalga dapat mengakumulasi lipid dalam jumlah yang cukup, oleh karenanya dikarakterisasi sebagai oleaginous (mengandung minyak/lipid). Kandungan lipid dalam mikroalga dapat mencapai 80% dari biomassa kering, tetapi pada kasus lain produktivitas lipid sebenarnya rendah. Seperti pada genus Porphyridium, Dunaliella, Isochrysis, Nannochloropsis, Tetraselmis, Phaeodactylum, Chlorella dan Schizochytrium, memiliki kandungan lipid yang bervariasi antara 20 dan 50%. Namun, akumulasi lipid yang lebih tinggi dapat dicapai dengan memvariasikan kondisi kultur. Kandungan lipid dan komposisi sel alga dapat dipengaruhi oleh suhu, radiasi dan, sebagian besar ketersediaan unsur hara. Mikroalga merupakan sumber primer dari PUFAs yang memiliki potensi dalam nutrisi dan pharmaceutical. Organisme lain yang juga memiliki kandungan PUFAs, biasanya diperoleh melalui bioakumulasi dari rantai makanan, dapat dilihat pada gambar 1. Beberapa mikroalga dapat memsintesis omega-3-rantai panjang PUFAs, dengan kadar diatas 20% dari total lipid. Pada sel alga, PUFAs dibentuk melalui proses esterifikasi dengan alkohol, biasanya gliserol, generating triacylglycerols (TAGs) atau lipid polar (seperti phospolipid, glikolipid). Selain memproduksi lipid, mikroalga juga dapat memproduksi produk metabolit yang memiliki nilai tinggi seperti beta-carotene dan astaxanthine. Lipid mikroalga sangat berpotensi sebagai bahan baku biodiesel sehingga dapat menguntungkan bagi industri. Mikroalga menawarkan sejumlah keuntungan pada perspektif industri. Beberapa keuntungannya yaitu kultur mikroalga yang sederhana, peningkatan efisiesnsi fotosintesis dan tingkat pertumbuhan, biomassa dan produktivitas minyak yang lebih tinggi dibanding tanaman teresterial, serta fikasasi CO2 dan rilis O2 yang lebih tinggi. Produksi minyak dari alga dapat mencapai 200 kali dari minyak tanaman. Selain itu, harag biodiesel dari alga lebih mahal dibanding tanaman, begitu juga dengan fosil yang sangat murah.

Gambar 1. Produksi biomassa mikroalga dan transfer polyunsaturated fatty acids (PUFAs) ke manusia, melalui rantai makanan atau konsumsi suplemen mikroalga. Metabolisme LipidMikroalga mengakumulasi lipid pada saat lingkungan tidak mendukung (menyebabkan stres), seperti pada saat ketersediaan nitrogen dan phospat terbatas. Biosintesis asam lemak dan modifikasi (baik elongasi dan desaturasi), serta katabolisme lipid mikroalga belum berjalan semurna (tidak sesuai harapan). Sehingga sangat penting untuk mempelajari lebih mendalam mengenai metabolisme lipid mikroalga. Biosintesis dan Pergantian LipidMelalui fotosintesis CO2 diubah menjadi glycerate-3-fosfat (G3P). Molekul ini merupakan prekursor dari beberapa bahan yang disimpan, seperti polisakarida dan lipid. Konversi G3P menjadi piruvat dan setelah itu menjadi asetil-CoA, melalui reaksi katalis oleh pyruvate dehydrogenase complex (PDC), memulai jalur biosintesis lipid, yang terdapat dalam plastid. Asetil-CoA juga dapat dihasilkan melalui jalur biokimia yang memungkinkan mengkonversi polisakarida menjadi lipid. Jalur ini biasanya digunakan oleh heterotrof oleaginous selama asimilasi gula. Proses tersebut dapat dilihat pada gambar 2. Namun, beberapa tekanan lingkungan, seperti nitrogen atau fosfat yang terbatas, dapat mengganggu siklus asam sitrat (yaitu dengan menghambat NAD+ -isocitrate dehidrogenase) menyebabkan akumulasi sitrat dalam mitokondria dan kemudian dieksresikan dalam sitosol. Sitosolik ATP-dependent liase sitrat mengubah sitrat ke oksaloasetat dan asetil-CoA; kemudian diubah menjadi malonil-CoA oleh sitosolik asetil-CoA karboksilase (ACC) dan dapat digunakan untuk elongasi asam lemak di membran retikulum endoplasma (RE). Meskipun biosintesis asetil-CoA dianggap penting, akan tetapi yang melakukan langkah dalam biosintesis asam lemak adalah karboksilasi asetil-CoA untuk membentuk malonil-CoA, reaksi dikatalisis oleh ACCs yang terletak di plastid atau dalam sitosol (gambar 2). Pada alga, ACCs ada dalam dua bentuk yang berbeda, heteromerik dan homomerik. Meskipun umumnya bentuk heteromerik adalah salah satu plastid alga, disisi lain penelitian menyebutka bahwa hal tersebut tidak terjadi pada semua alga, sebab ACCs tergantung pada asal plastid.

Gambar 2. Skema sintesis lipid pada mikroalga Biosintesis PUFASintesis rantai panjang asam lemak tak jenuh membutuhkan elongases dan desaturases spesifik, yang bertindak pada palmitat, stearat dan asam oleat. Elongasi asam lemak terjadi di kedua plastida dan ER yang membutuhkan asil-CoA dan malonil-CoA sebagai substrat ditambah 1 molekul ATP dan 2 molekul NADPH per C2-unit elongasi rantai karbon. Sintesis rantai sangat panjang PUFA, seperti asam arakidonat (ARA), eicosapentaenoic (EPA) dan docosahexaenoic (DHA) umumnya terjadi pada sebagian besar spesies laut termasuk mikroalga seperti P. tricornutum, N. salina, N. gaditana, Isochrysis galbana, Pavlova salina, dan Tetraselmis sp. Desaturases adalah mengkhususkan lokasi, jumlah dan stereokimia ikatan ganda asam lemak. Implikasi dari desaturases dalam biosintesis rantai sangat panjang PUFAs tidak hanya pada mikroorganisme heterotrofik tetapi juga dalam dinding mikroalga. Rekayasa Genetik untuk mengatur metabolisme sintesis lipidBanyak analisis tekno-ekonomi menunjukkan bahwa faktor paling penting yang mempengaruhi biaya produksi lipid mikroalga yaitu kolam dan sistem PBR yang terbuka, kadar lemak dalam sel alga berbanding dengan laju pertumbuhan spesifik. Untuk meningkatkan tingkat pertumbuhan, upaya difokuskan pada konstruksi strain dengan peningkatan efisiensi fotosintesis. Efisiensi fotosintesis dapat mempengaruhi sintesis lipid, sehingga dibutuhkan strategi khusus seperti meningkatkan liposynthetic machinery. Strategi ini menargetkan produksi protein berlebih yang mana terlibat dalam langkah awal sintesis asam lemak, sehingga dapat meningkatkan ketersediaan molekul prekursor, seperti asetil-CoA dan malonil-CoA. Pendekatan rekayasa genetik pada mikroalga baik dalam pertumbuhan dan konsekunsi mereka, merupakan usaha awal yang telah dilakukan dengan tingkat kesuksesan rendah. Sehingga wajib kiranya lebih memahami mengenai biosintesis asam lemak alga. Mengingat overekspresi gen yang terlibat dalam sintesis asam lemak masih memiliki tingkat kesuksesan rendah, penelitian difokuskan pada enzim lain yang terlibat dalam bioseintesisi acylglycerols (baik dalam penyimpanannya dan strukturalnya). Kecenderungan mikroalga oleaginous dalam mensintesis selain senyawa lipid seperti pati dapat menjadi kompetitor dalam produksi lipid, sehingga perlu dihalangi agar hasil lipid jauh meningkat. Perspektif Bioteknologi Lipid MikroalgaProduksi lipid mikroalga (sebagai sumber PUFAs atau bahan baku pembuatan biodiesel) dapat dilakukan melalui proses tertentu atau pengkombinasian dengan produksi produk metabolit mikroalga lainnya yang memiliki potensi pharmaceutical dan nutritional, atau dengan eksploitasi biomassa alga yang diproduksi selama treatment air limbah. Evaluasi dari berbagai sistem yang digunakan untuk produksi minyak dari mikroalga dapat dilihat pada tabel 1. PBRs jenis tertutup (yaitu tubular, panel) dapat digunakan untuk produksi komersial pigmen seperti beta-karoten, astaxanthin dari D. salina dan H. pluvialis. Mikroalga dapat dibudidayakan dengan autotrophically, heterotrophically atau mixotrophically. Budidaya mixotrophic merupakan pendekatan yang paling menjanjikan karena dalam hal ini mikroalga menggunakan kedua jalur phototrophic dan heterotrofik secara bersamaan. Laju pertumbuhan spesifik dari mixotrophic mikroalga dewasa dapat diperkirakan sebagai jumlah dari tingkat pertumbuhan spesifik sel tumbuh, di bawah kondisi phototrophic dan heterotrofik. Selanjutnya, pertumbuhan di bawah kondisi mixotrophic dapat mengatasi masalah invasi cahaya. Namun, sistem budidaya semacam ini dapat menyebabkan kemungkinan kontaminasi, yang mengganggu pertumbuhan alga. Sehingga, jenis PBRs tertutup lebih disukai daripada kolam terbuka. Tabel 1. Teknik dan ekonomi assesment sistem kultur mikroalga.

Pembentukan PUFAs pada Lipid Mikroalga dan Aplikasinya di Bidang IndustriMikroalga kelas berbeda mungkin memiliki komposisi asam lemak tertentu yang umumnya diakui sebagai kelompok tertentu. Diatom (Bacillariophyceae) mampu mensintesis asam palmitoleic (C16: 1) dan EPA dalam jumlah tinggi, sedangkan beberapa mutan juga dapat menghasilkan ARA. Daftar spesies mikroalga dan kandungan PUFAs dapat dilihat pada tabel 2. PUFAs memiliki peranan penting dalam kesehatan manusia seperti pengobatan dan pencegahan inflamasi, aterosklerosis, trombosis, arthritis dan berbagai kanker. EPA dan DHA juga memiliki fungsi untuk mengatur koagulasi, metabolisme lipoprotein, tekanan darah, dan fungsi endotel dan trombosit. Secara khusus, PUFA juga penting untuk pertumbuhan dan kinerja retina, otak, jaringan reproduksi dan untuk kesehatan jantung.Tabel 2. Komposisi Asam Lemak pada Mikroalga dengan Kelas Berbeda

(Lanjutan)

Lipid Mikroalga sebagai Bahan Baku Pembuatan BiodieselMikroalga merupakan sumber biodiesel yang sangat baik dibandingkan dengan tanaman, karena mikroalga merupakan mikroorganisme fotosintetik paling cepat tumbuh. Selain itu, mereka dapat bertahan pada kondisi pH dan suhu yang ekstrim, serta menggunakan CO2 dengan lebih efisien dalam proses fotosintesis. Dalam pembudidayaan mikroalga tidak membutuhkan lahan yang luas, dan mereka menghasilkan minyak biodiesel yang lebih banyak daripada biji tanaman saat menggunakan air dan lahan yang minimum. Produktivitas lipid mikroalga melebihi produktivitas minyak terbaik yang diproduksi oleh tanaman minyak, hal tersebut menunjukkan bahwa alga memberikan hasil biodiesel maksimal, dengan demikian mereka mungkin dapat memproduksi hingga 200 kali minyak per unit dibandingkan dengan kedelai. Kombinasi Produksi lipid MikroalgaPenurunan biaya produksi lipid mikroalga dapat dicapai dengan cara menggabungkan produksi lipid dengan aplikasi lain. Konsep pengabungan produksi lipid diilustrasikan pada gambar 3. Mikroalga yang digunakan dalam berbagai aplikasi komersial seperti peningkatan nilai gizi makanan dan pakan hewan, dalam budidaya dan industri farmasi, dll. Senyawa seperti beta-karoten dan polisakarida, yang diproduksi secara komersial oleh berbagai spesies mikroalga, memberikan peran penting dalam pembuatan beberapa suplemen terapi, selain itu juga memungkinkan penggunaan mikroalga dalam produksi komersial kosmetik. Mikroalga juga memiliki aplikasi di bidang bioteknologi lingkungan karena dapat digunakan sebagai bioremediasi limbah cair dan untuk memantau keracunan di lingkungan.

Gambar 3. Konsep kombinasi produksi lipid dan metabolit lain yang memiliki nilai tinggi, seperti polisakarida, protein, dan pigmen. Kombinasi Produksi Lipid dan Produk PharmaceuticalMikroalga menjadi pusat perhatian, sebab dapat digunakan sebagai sumber yang kaya molekul bioaktif dan berpotensi untuk kepentingan industri farmasi dan kosmetik. Gabungan produksi produk bioaktif dan lipid, dapat saling mendukung satu dengan yang alin. Senyawa hidrofobik dapat diekstraksi secara bersamaan dengan lipid dan kemudian dimurnikan, sedangkan senyawa hidrofilik seperti protein dan gula dapat diekstraksi dari biomassa yang dihilangkan lemaknya. Cosmeceuticals alami dari alga dapat diaplikasikan pada kulit manusia. Protein alga atau derivatnya dapat digunakan dalam perbaikan kulit dan produk penyembuhan. Selain itu, manfaat alga juga dapat sebagai anti-iritasi, imunostimulan, antioksidan, anti-penuaan dan anti inflamasi. Beberapa senyawa aktif yang memiliki nilai ekonomi dari mikroalga yaitu karotenoid, astaxanthin, allophycocyanin, phycocyanin, fenol, acetogenins, terpen, indoles, dll. Senyawa tersebut memiliki aktivitas sebagai antijamur, antiprotozoal, antivirus, saraf, antiplasmodial, antimikroba, anti-inflamasi dan antioksidan. Pigmen mikroalga merupakan senyawa yang aman, ramah lingkungan dan memiliki banyak kegunaan terapeutik termasuk dalam pencegahan dan pengobatan penyakit akut dan kronis, rheumatoid arthritis, aterosklerosis, gangguan saraf, katarak dan distrofi otot. Selain itu juga banyak manfaat mikroalga yang lain. Lipids sebagai Co-Product pada Aplikasi LingkunganMikroalga, terutama mikroorganisme autotrofik mampu memperbaiki CO2 dari sumber yang berbeda, seperti atmosfer, gas buang industri (misalnya gas buang dan pembakaran gas) atau menggunakan bentuk tetap CO2 (misalnya NaHCO3 dan Na2CO3). Oleh karena itu, banyak aplikasi bioteknologi yang dapat dilakukan dengan menggunakan mikroalga dalam keamanan lingkungan dan pemeliharaannya, seperti bioremediasi, bioassay dan bio-monitoring toxicants. Beberapa mikroalga oleaginous, berpotensi dalam produksi biodiesel, dapat digunakan dalam treatment air limbah. Beberapa spesies juga dapat digunakan untuk treatment air beracun. Seperti cintoh sistem kolam, yang menggunakan C. vulgaris sebagai bahan biologis, menunjukkan efisiensi dalam pengelolaan limbah cair yang mengandung kontaminan beracun. Produksi biomassa minyak dalam reaktor bisa lebih menaikkan produksi biodiesel.