Tanaman tembakau selama bertahun-tahun dimanfaatkan sebagai “pabrik farmasi mini” untuk menghasilkan vaksin dan antibodi. Para peneliti menumbuhkannya di laboratorium, lalu merekayasa tanaman tersebut agar memproduksi senyawa medis yang kemudian dipanen.
Namun, ada satu masalah besar yang selalu muncul: setiap hasil produksi mengandung nikotin, zat yang tidak diinginkan dalam produk obat.
Para ilmuwan sebenarnya sudah lama mencoba mematikan jalur pembentukan nikotin pada tanaman tembakau. Akan tetapi, upaya itu terkendala karena belum diketahui secara pasti gen mana yang berperan dalam proses tersebut. Selama hampir dua abad, tahapan penting dalam pembentukan nikotin masih menjadi misteri bagi dunia sains.
Misteri Nikotin yang Bertahan 200 Tahun
Pada 1828, dua ahli kimia asal Jerman, Posselt dan Reimann, berhasil mengekstrak nikotin murni dari daun tembakau untuk pertama kalinya. Mereka memberi nama pada molekul tersebut dan menjelaskan efeknya, tetapi belum mampu mengungkap bagaimana tanaman tembakau memproduksinya.
Sejak saat itu, banyak ilmuwan mencoba memecahkan teka-teki tersebut. Pada 1990, sebuah tim peneliti sempat menjalankan reaksi pembentukan nikotin di dalam tabung menggunakan campuran enzim kasar, tetapi komponen utamanya tetap belum ditemukan.
Dilansir dari laman earth, terobosan baru akhirnya muncul, Dr. Benjamin Lichman dari Pusat Produk Pertanian Baru, Universitas York, bersama tim peneliti dari Universitas Kopenhagen, berhasil melacak seluruh tahapan pembentukan nikotin pada tanaman tembakau.
“Ini adalah momen besar dalam ilmu tumbuhan dan biokimia karena kita sekarang memiliki jawaban yang telah kita kejar selama lebih dari 200 tahun!” ujar Lichman.
Peran Gula yang Selama Ini Menyembunyikan Jawaban
Misteri tersebut ternyata bertahan lama karena tanaman menggunakan “trik” kimia berupa gula.
Dalam proses pembentukan nikotin, tanaman tembakau terlebih dahulu menempelkan molekul glukosa ke salah satu bahan pembangun kimia. Glukosa itu berfungsi mengaktifkan molekul sehingga cukup reaktif untuk membentuk cincin nikotin.
Pada tahap akhir, glukosa dilepaskan kembali sehingga tidak meninggalkan jejak pada molekul nikotin yang sudah jadi. Karena itulah banyak penelitian sebelumnya gagal menemukan jalur yang tepat dan justru mengikuti senyawa yang ternyata bukan bagian utama proses tersebut.
Nikotin Tersusun dari Dua Cincin Kimia
Nikotin terbentuk dari penggabungan dua cincin kimia berbeda yang berasal dari bagian kimia tanaman yang terpisah. Secara individual, keduanya tidak menyerupai nikotin. Penggabungan kedua cincin inilah yang menjadi tahapan utama pembentukan nikotin.
Bagi tanaman tembakau, nikotin berfungsi sebagai insektisida alami untuk melindungi daun dari ulat dan serangga pemakan tanaman. Sementara bagi manusia, zat tersebut kemudian dimanfaatkan dalam berbagai produk tembakau.
Penelitian lain bahkan menemukan biji tembakau hangus di perapian kuno Utah yang menunjukkan penggunaan tembakau sudah terjadi sekitar 12.300 tahun lalu.
Empat Enzim Kunci Berhasil Diidentifikasi
Tim peneliti menemukan empat enzim utama yang bekerja di akar tanaman tembakau. Salah satu enzim bertugas menempelkan glukosa ke asam nikotinat. Enzim lainnya mengatur ulang bahan pembangun kimia agar siap menjalani proses penggabungan cincin.
Enzim ketiga yang diberi nama NicGS memiliki peran paling penting karena menyatukan kedua cincin dan membentuk struktur nikotin khas tembakau. Sementara enzim keempat bertugas melepaskan kembali glukosa.
Benjamin Schwabe, mahasiswa doktoral Universitas York sekaligus penulis utama penelitian, menggunakan pencitraan sinar-X resolusi tinggi untuk melihat langsung aktivitas enzim tersebut selama reaksi berlangsung.
Hasil pencitraan menunjukkan NicGS bekerja dengan melepaskan atom hidrogen dari molekul dalam proses pembentukan nikotin.
Pembuktian Langsung pada Tanaman
Untuk memastikan hasilnya akurat, tim peneliti membangun kembali jalur empat enzim tersebut pada daun Nicotiana benthamiana, kerabat tanaman tembakau yang biasanya tidak menghasilkan nikotin.
Mereka memasukkan bahan awal yang sudah diberi penanda kimia lalu memantau pergerakannya di dalam sistem hasil rekayasa tersebut. Hasil akhirnya adalah nikotin dengan bentuk identik seperti yang dihasilkan tanaman tembakau asli. Ketika salah satu dari empat enzim dihilangkan, proses pembentukan nikotin langsung terganggu dan menghasilkan campuran molekul yang tidak stabil.
Nicotiana benthamiana saat ini memang banyak digunakan dalam pertanian molekuler untuk memproduksi vaksin dan antibodi dalam skala besar. Masalahnya, tanaman tersebut tetap menghasilkan nikotin yang harus dibersihkan dari produk akhir, sehingga menambah biaya dan kompleksitas produksi.
Dengan ditemukannya empat gen utama pembentuk nikotin, para peneliti kini memiliki peluang untuk mematikan jalur tersebut langsung dari sumbernya. Penemuan ini juga membuka kemungkinan merekayasa tanaman tembakau agar mampu menghasilkan berbagai senyawa farmasi sesuai kebutuhan.
Dampak Lebih Luas bagi Dunia Bioteknologi
Tim peneliti mengungkapkan bahwa tanaman tembakau kemungkinan memiliki salinan gen lain yang sangat mirip dengan empat enzim tersebut. Meski diperkirakan memiliki fungsi sama, hal itu masih perlu diteliti lebih lanjut.
Beberapa tahapan reaksi juga diketahui dapat berlangsung secara spontan tanpa bantuan enzim, sehingga belum sepenuhnya mencerminkan kondisi alami di akar tanaman hidup.
Meski begitu, penelitian ini berhasil memetakan secara lengkap gen dan enzim yang digunakan tanaman tembakau untuk menghasilkan nikotin, termasuk tahapan glukosa tersembunyi yang selama ini membingungkan ilmuwan.
Temuan tersebut diyakini dapat membantu pemulia tanaman menciptakan varietas tembakau tanpa nikotin tanpa mengganggu pertumbuhan tanaman. Selain itu, perusahaan bioteknologi juga berpeluang mengembangkan strain tanaman produksi yang lebih bersih dan efisien untuk kebutuhan farmasi.
Para peneliti menilai mekanisme kimia berupa “menempelkan gula, menjalankan reaksi, lalu melepaskannya kembali” kemungkinan juga digunakan pada jalur metabolisme tumbuhan lain yang hingga kini belum terpecahkan. Studi ini telah diterbitkan dalam jurnal Nature Communications.