Polihidroksi alkanoat: Perbedaan antara revisi

▲[[File:Polyhydroxyalkanoates.png|thumb|Struktur kimia polihidroksi alkanoat.]]

▲'''Polihidroksi alkanoat''' ({{lang-en|'''polyhydroxyalkanoates'''}}, disingkat '''PHA''') mengacu pada golongan [[poliester]] yang diakumulasi oleh beberapa [[bakteri]] pada keadaan pertumbuhan tidak seimbang.<ref name="Grothe">{{en}}Grothe E, Young MM, Chisti Y. 1999. [http://www.massey.ac.nz/~ychisti/Enrico.pdf Fermentation optimization for the production of poly(b-hydroxybutyric acid) microbial thermoplastic]. Enzyme Microb Tech 15:132-141.</ref> Lebih dari 150 [[monomer]] yang berbeda dapat dikombinasikan dengan senyawa golongan ini untuk menghasilkan materi dengan sifat yang berbeda.<ref name="Grothe"/> PHA, secara alami diproduksi oleh beberapa bakteri di dalam [[sitoplasma]] sebagai cadangan makanan.<ref name="Grothe"/> [[Poly [(R)-3-hidroksibutirat]]] (PHB) merupakan anggota PHA yang paling banyak dipelajari, molekul tersebut menjanjikan untuk dibuat [[bioplastik]] karena sifatnya mirip dengan [[polipropilen]].<ref name="Grothe"/>

▲Penggunaan PHB sebagai kemasan dapat disejajarkan dengan plastik konvensional berbahan dasar minyak bumi karena PHB memiliki kemiripan sifat dengan plastik yang disintesis dari turunan [[bahan bakar fosil]].<ref name="Grothe"/><ref name="Patnaik">{{en}}Patnaik PR. 2006. [http://www.clbme.bas.bg/bioautomation/2006/vol_5.1/files/5_1.3.pdf‎ Fed-batch optimization of PHB synthesis through mechanistic, cybernetic and neural approaches]. Bioautomation 5: 23-38.</ref>

▲Struktur kimia dari PHA mempengaruhi sifat-sifatnya<ref name="A">{{en}}Chen GQ.2010. [http://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-03287-5_2 Plastics Completely Synthesized by Bacteria: Polyhydroxyalkanoates]. Di dalam: Chen GQ.2010. ‘’Plastics from Bacteria’’. Berlin: Springer. doi: 10.1007/978-3-642-03287</ref>. Dalam produksi PHA pada bakteri, struktur PHA yang diproduksi dapat dimodifikasi dengan mengubah spesies bakteri atau kondisi pertumbuhan<ref name="A"/>. Keragaman ini adalah berguna dalam menghasilkan berbagai produk berbahan dasar yang berbeda, mulai dali implan medis, hingga pembungkus makanan<ref name="A"/>. Secara umum, properti yang dapat dimiliki molekul PHA adalah sebagai berikut:

▲*[[termoplastik]],

▲*[[teruraikan hayati]] (‘’biodegradable’’),

▲*[[Biokompatibel]],

▲*getas hingga elastis,

▲*dapat memiliki [[gugus fungsi]],

▲*[[bobot molekul]] sebesar 20.000 hingga 30 juta Dalton,

▲*mempunyai monomer [[kiral]],

▲*dapat dirancang menggunakan pendekatan [[molekular]],

▲*[[hidrofobik]],

▲*tidak [[permeabel]] terhadap gas<ref name="A"/>.

▲Di dalam sel bakteri, PHA diakumulasi sebagai bulir (granul) yang dikelilingi oleh [[protein]] dan [[lemak]]<ref name="B">{{en}}Lu J, Tappel R, Nomura C. 2009. [http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/15583720903048243 Mini-Review: Biosynthesis of Poly(hydroxyalkanoates]. ''Polym. Rev.''49: 226-248. doi: 10.1080/15583720903048243</ref>. Protein dan lemak tersebut, diperkirakan berperan penting, baik dalam produksi maupun degradasi senyawa PHA dalam sel<ref name="B"/>. Pada proses biosintesis PHA, senyawa prekursor PHA, [[3-hidroksialkanoil-CoA]], dapat diperoleh melalui metabolisme [[Asetil-CoA]]<ref name="A"/>. Sementara itu, 3-hidroksialkanoil-CoA, juga dapat diperoleh melalui [[beta-oksidasi]] [[asam lemak]]<ref name="A"/>. Pada ''[[Ralstonia eutropha]]'', enzim [[beta-ketiolase]], [[asetoasetil-CoA reduktase]], dan [[PHA sintase]] yang disandikan oleh [[gen]] ''pha''A, ''pha''B, dan ''pha''C, merupakan tiga [[enzim]] kunci untuk sintesis PHA<ref name="A"/>.

▲PHA dan senyawa turunannya mempunyai aplikasi yang luas.<ref name="Grothe"/><ref name="Shah"/><ref name="Patnaik"/><ref name="Tokiwa"/> Sebagai kemasan, PHB tahan terhadap radiasi [[ultraviolet]], permeabel terhadap oksigen, dan kedap air.<ref name="Grothe"/> Hal ini membuat PHB cocok sebagai kemasan makanan.<ref name="Grothe"/> PHB juga dapat dimanfaatkan sebagai bahan untuk membuat [[benang bedah]] karena kemampuannya untuk terdegradasi menjadi molekul yang tidak beracun pada tubuh manusia.<ref name="Shah">{{en}}Shahhosseini S. 2004. [http://link.springer.com/article/10.1007%2FBF02931065 Simulation and optimisation of PHB production in fed-batch culture of Ralstonia eutropha]. Process Biochem 39: 963-939.</ref> Sebagai ''[[biodiesel]]'', turunan [[metil ester]] dari PHA juga berpotensi sebagai bahan bakar kendaraan.<ref name="Patnaik"/> Beberapa studi melaporkan bahwa R-(3)-asam hidroksibutirat ((R)-3-HB) sebagai monomer PHB menunjukkan aktivitas [[antimikrob]], [[antiviral]], dan [[insektisidal]].<ref name="Tokiwa">{{en}}Tokiwa Y, Ugwu CU. 2007. [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17543411 Biotechnological production of (R)-3-hydroxybutyric acid monomer]. '''J Biotechnol''' 132: 264-272. </ref> Terlebih lagi, R-(3)-HB dapat dimanfaatkan sebagai balok susun kimia dalam sintesis beberapa senyawa kimia seperti [[antibiotik]], [[vitamin]], senyawa [[aromatik]], dan [[feromon]].<ref name="Tokiwa"/>

▲===Produksi dalam Bioreaktor ===

▲Secara umum, metode [[kultur tertutup]] (''batch'') adalah metode kultur yang populer<ref name="Waites"/>. Kelebihan proses batch dibandingkan metode kultur lainnya adalah prosesnya yang lebih sederhana dan penanggulangan [[kontaminasi]] yang lebih mudah.<ref name="Waites"> Waites MJ, Morgan NL, Rockey JS, Higton G. 2001. Industrial Microbiology: An Introduction. London: Blackwell Science. ISBN: 978-0-632-05307-0 </ref> Hanya saja proses ini kurang efektif dalam memproduksi produk yang terasosiasi dengan pertumbuhan.<ref name="Waites"/> Selain itu, kerugian lain dari proses batch adalah banyaknya tenaga dan waktu yang terbuang untuk sterilisasi dan variabilitas yang tinggi antar batch.<ref name="Waites"/>

▲Dalam berbagai studi produksi PHA, metode kultur tertutup adalah populer.<ref name="Amache">{{en}}Amache R, Sukan A, Safari M, Roy I, Keshavarz T. 2013. [http://www.researchgate.net/profile/Artun_Sukan/publication/257508914_Advances_in_PHAs_Production/file/e0b4952556e7e5665b.pdf Advances in PHA Production]. ''Chem Eng Trans'' 32: 931-935 </ref> Hal tersebut karena fleksibilitasnya yang tinggi dan ongkos operasionalnya yang rendah.<ref name="Amache"/> Sayangnya produksi PHA menggunakan metode kultur tertutup terasosiasi dengan produktivitas yang rendah<ref name="Amache"/>. Berbagai strategi untuk meningkatkan produktivitas PHA telah dicari.<ref name="Amache"/> Banyak penulis mulai mencoba menggunakan metode ''[[fed-batch]]'' untuk produksi PHA.<ref name="Amache"/> Meskipun ''fed-batch'' umumnya mempunyai yield yang lebih tinggi, akan tetapi produksi dengan metode kultur ''fed-batch'' dinilai masih belum memuaskan.<ref name="Amache"/> Untuk itu, metode kultur tertutup dan fed batch mulai dikombinasikan untuk memperoleh produktivitas yang lebih tinggi<ref name="Amache"/>. Selain kombinasi metode kultur, pendekatan lain untuk meningkatkan produktivitas mencakup pemilihan jenis [[mikroorganisme]], kondisi [[fermentasi]] ([[pH]], [[aerasi]], [[agitasi]]), jenis substrat [[karbon]] (kompleks atau terdefinisi), optimasi komposisi media (nitrogen, fosfat, dan elemen kelumit), pemilihan jenis bioreaktor, dan penggunaan [[galur]] unggul.<ref name="Amache"/>

▲Masalah yang paling utama dalam penyebaran penggunaan PHA sebagai bioplastik adalah harga produksinya yang lebih mahal dibandingkan plastik konvensional.<ref name="Grothe"/> Harga PHB komersial dapat mencapai 17 kali lebih besar dari harga plastik konvensional.<ref name="Grothe"/> Sebagai contoh, [[BIOPOL]]™, sebuah produk bioplastik komersil yang merupakan kopolimer dari b-[[asam hidroksibutirat]] dan b-[[hidroksivalerat]] dijual dengan harga 17 kali lipat harga plastik sintesis.<ref name="Tokiwa"/> Mahalnya harga produksi bioplastik PHB dipengaruhi oleh efisiensi proses fermentasi, harga [[substrat]], dan [[proses hilir]].<ref name="Patnaik"/>

▲Berbagai pendekatan telah dilakukan, untuk menurunkan ongkos produksi.<ref name="Yee"/> Beberapa studi mencoba mencari substrat murah dengan ketersediaan yang tinggi untuk menekan biaya produksi, contoh substrat tersebut antara lain limbah minyak goreng, hirolisat bagas, gula molasis.<ref name="Yee"/> Optimasi dalam proses fermentasi dapat dilakukan dengan berbagai pendekatan.<ref name="Yee"/> Contoh pendekatan optimasi yang umum dilakukan antara lain berupa optimasi [[nutrisi]] (nitrogen, fosfor, dan sumber karbon), pengaturan kelarutan oksigen, pH, suhu inkubasi, dan jenis metode fermentasi yang dipakai.<ref name="Yee"/> Pendekatan yang lebih modern berupa pendekatan [[rekayasa genetika]].<ref name="Yee"/> Contoh hasil dari pendekatan rekayasa genetika adalah penggunaan galur ''[[Escherichia coli]]'' yang mengandung gen biosintesis PHA dari ''[[Comamonas]]'' sp. dan modifikasi gen penyandi [[PHA depolimerase]] untuk menghasilkan volume dan jumlah granul PHA yang lebih tinggi daripada ''R. eutropha''.<ref name="Yee">{{en}}Yee L, Mumtaz T, Mohammadi M, Phang LY, Ando Y, Raha AR, Sudesh K, Ariffin H, Hassan MA, Zakaria MR. 2012. [http://omicsonline.org/polyhydroxyalkanoate-synthesis-by-recombinant-escherichia-coli-jm109-expressing-pha-biosynthesis-genes-from-comamonas-sp.-eb172-1948-5948.pdf Polyhydroxyalkanoate synthesis by recombinant Escherichia coli JM109 expressing PHA biosynthesis genes from Comamonas sp. EB172]. J Microb Biochem Technol 4: 103-110. </ref><ref name="Brigham">{{en}}Brigham CJ, Reimer EN, Rha C, Sinskey AJ. 2012. [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22537946 Examination of PHB depolymerases in Ralstonia eutropha: further elucidation of the roles of enzymes in PHB homeostasis]. AMB Express 2:26-39.</ref> Terakhir, pemilihan proses hilir yang tepat juga mempengaruhi yield dan kemurnian molekul PHB yang dihasilkan.