Ilmuwan Menemukan Bahwa Cahaya Mempercepat Konduktivitas di "Jaringan Listrik" Alam

Bakteri memproduksi kawat nano yang terbuat dari sitokrom OmcS. Kredit: Ella Maru Studio

Kelasteknisi.com - Ada jaringan global kawat nano kecil yang dihasilkan bakteri di tanah dan lautan yang "bernapas" dengan mengeluarkan elektron berlebih, menyusun jaringan listrik intrinsik untuk alam.

Dalam sebuah studi penelitian baru, para ilmuwan Universitas Yale menemukan bahwa cahaya adalah sekutu yang mengejutkan dalam mendorong aktivitas elektronik ini di dalam bakteri biofilm. Mereka menemukan bahwa mengekspos kawat nano yang diproduksi bakteri ke cahaya menghasilkan peningkatan konduktivitas listrik hingga 100 kali lipat.

Temuan itu akan dipublikasikan hari ini (7 September 2022) di jurnal Nature Communications . 

“Peningkatan arus yang dramatis pada kawat nano yang terpapar cahaya menunjukkan arus foto yang stabil dan kuat yang bertahan selama berjam-jam,” kata penulis senior Nikhil Malvankar, profesor Molecular Biophysics and Biochemistry (MBB) di Yale's Microbial Sciences Institute di Kampus Barat Yale.

Hasilnya dapat memberikan wawasan baru ketika para peneliti mencari cara untuk mengeksploitasi arus listrik tersembunyi ini untuk berbagai tujuan. Misalnya, dapat digunakan untuk membantu menghilangkan limbah biohazard atau menciptakan sumber bahan bakar baru yang terbarukan.

Hampir semua makhluk hidup menghirup oksigen untuk menghilangkan kelebihan elektron saat mengubah nutrisi menjadi energi. Namun, bakteri tanah yang hidup jauh di bawah lautan atau terkubur di bawah tanah tidak memiliki akses ke oksigen. Selama miliaran tahun, mereka telah mengembangkan cara untuk bernafas dengan "menghirup mineral", seperti snorkeling, melalui filamen protein kecil yang disebut kawat nano.

Ketika bakteri ini terkena cahaya, peningkatan arus listrik mengejutkan para ilmuwan karena sebagian besar bakteri yang diuji hidup jauh di dalam tanah, jauh dari jangkauan cahaya. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa bakteri penghasil kawat nano tumbuh lebih cepat saat terkena cahaya.

 "Tidak ada yang tahu bagaimana ini bisa terjadi," kata Malvankar.

Dalam studi baru, tim Universitas Yale yang dipimpin oleh peneliti pascadoktoral Jens Neu dan mahasiswa pascasarjana Catharine Shipps menyimpulkan bahwa protein yang mengandung logam yang dikenal sebagai sitokrom OmcS - yang membentuk kawat nano bakteri - bertindak sebagai fotokonduktor alami: kawat nano sangat memfasilitasi transfer elektron ketika biofilm terkena cahaya.

“Ini adalah bentuk fotosintesis yang sama sekali berbeda ,” kata Malvankar. “Di sini, cahaya mempercepat pernapasan oleh bakteri karena transfer elektron yang cepat antara kawat nano.”

Laboratorium Malvankar sedang mengeksplorasi bagaimana wawasan tentang konduktivitas listrik bakteri ini dapat digunakan untuk memacu pertumbuhan optoelektronika. Ini adalah subbidang fotonik yang mempelajari perangkat dan sistem yang menemukan dan mengontrol cahaya. Mereka ingin menggunakan teknologi ini untuk menangkap metana, gas rumah kaca yang dikenal sebagai kontributor signifikan terhadap perubahan iklim global.

Referensi: 7 September 2022, Nature Communications.

DOI: 10.1038/s41467-022-32659-5

Penulis makalah lainnya adalah Matthew Guberman-Pfeffer, Cong Shen, Vishok Srikanth, Sibel Ebru Yalcin dari Malvankar Lab di Yale; Jacob Spies, Profesor Gary Brudvig, dan Profesor Victor Batista dari Departemen Kimia Yale; dan Nathan Kirchhofer dari Oxford Instruments.