Sebuah tim peneliti telah merekayasa rumput agar berubah warna menjadi ungu ketika mendeteksi bahan kimia tertentu, menciptakan biosensor hidup yang dapat membantu petani mendeteksi masalah sejak dini dan melindungi pasokan biji-bijian global.
Sebagai gambaran sekilas tentang masa depan pertanian, para ilmuwan telah mengubah rumput-rumputan sederhana menjadi sistem peringatan hidup yang berubah warna ketika mendeteksi sejumlah kecil bahan kimia di lingkungan.
Sebuah tim kolaboratif dari Donald Danforth Plant Science Center, Universitas Florida, dan Universitas Iowa telah merekayasa tanaman rumput untuk menghasilkan pigmen ungu cerah ketika terpapar isyarat kimia tertentu. Dipadukan dengan alat pencitraan canggih, tanaman ini dapat bertindak sebagai biosensor, memberi sinyal paparan bahan kimia tingkat rendah, polusi, atau stresor lainnya jauh sebelum kerusakan terlihat jelas.
Penelitian tersebut, diterbitkan dalam Jurnal Bioteknologi Tanaman, berfokus pada Setaria viridis, spesies rumput kecil yang berkerabat dekat dengan tanaman biji-bijian utama seperti jagung dan sorgum. Dalam gambar yang berdampingan, tanaman liar tetap hijau, sedangkan tanaman hasil rekayasa genetika berubah menjadi ungu yang mencolok, berkat pigmen alami yang disebut antosianin.
Idenya sederhana namun ampuh: gunakan warna sebagai sistem peringatan bawaan.
Tim peneliti memulai dengan pertanyaan yang dapat mengubah cara petani mengelola lahan mereka: “Bagaimana jika tanaman dapat memberi peringatan kepada petani tentang kondisi yang tidak menguntungkan atau bahan kimia yang tidak diinginkan?” Saat ini, petani sering mengandalkan uji laboratorium, sensor, atau inspeksi visual untuk mendeteksi masalah seperti penyebaran pestisida, kontaminasi tanah, atau ketidakseimbangan nutrisi. Metode-metode tersebut bisa lambat, mahal, atau terlambat untuk mencegah kehilangan hasil panen.
Sebaliknya, tanaman yang secara visual merespons lingkungannya dapat berfungsi sebagai "penjaga" peringatan dini di seluruh lahan pertanian.
Untuk membangun kemampuan tersebut, peneliti utama Dmitri Nusinow dan Malia Gehan dari Danforth Plant Science Center memimpin upaya untuk mengadaptasi sirkuit genetik sintetis yang memanfaatkan jalur antosianin tanaman itu sendiri. Antosianin adalah pigmen alami yang memberi banyak buah dan bunga warna merah, ungu, atau biru. Dalam sistem ini, jalur tersebut diaktifkan hanya ketika tanaman menemukan sinyal kimia tertentu.
Tim tersebut mengidentifikasi dua faktor transkripsi kunci — protein yang mengontrol aktivitas gen — yang dapat diekspresikan bersama dari satu transkrip genetik untuk secara andal memicu produksi antosianin. Desain tersebut membuat sistem lebih ringkas dan lebih mudah diterapkan pada berbagai spesies rumput, termasuk tanaman pangan pokok.
Mereka kemudian menunjukkan bahwa sirkuit hasil rekayasa tersebut berfungsi baik pada sel tumbuhan yang terisolasi, yang disebut protoplas, maupun pada seluruh tumbuhan. Dalam beberapa kasus, produksi pigmen selalu aktif; dalam kasus lain, produksi pigmen bersifat dapat diinduksi ligan, artinya hanya aktif jika ada zat kimia tertentu.
Perubahan warna hanyalah sebagian dari cerita. Untuk mengubah tanaman ini menjadi biosensor praktis, para peneliti juga mengembangkan pencitraan hiperspektral dan metode analitik yang dapat mendeteksi perubahan pigmentasi yang halus dari jarak jauh, tanpa membahayakan tanaman. Pencitraan hiperspektral menangkap informasi di berbagai panjang gelombang cahaya, jauh melampaui apa yang dapat dilihat mata manusia, memungkinkan komputer untuk mendeteksi perubahan warna yang dini atau samar.
Secara bersama-sama, perangkat genetik dan teknik pencitraan menciptakan sistem untuk penginderaan jarak jauh yang presisi terhadap paparan bahan kimia pada rumput. Dalam kondisi nyata, hal itu dapat berarti drone, traktor, atau satelit memindai lahan untuk menemukan bercak ungu yang menandakan kontaminasi, penyebaran bahan kimia, atau munculnya stres.
“Tanaman pangan merupakan jantung dari ketahanan pangan global,” kata Nusinow dalam siaran pers. “Dengan adanya tanaman yang bertindak sebagai penjaga di ladang, hal ini dapat meningkatkan ketahanan pangan dan meningkatkan keberlanjutan pertanian.”
Biosensor berbasis tumbuhan merupakan bidang yang sedang berkembang dalam biologi sintetik, di mana para peneliti merancang fungsi biologis baru dengan menyusun ulang gen dan jalur metabolisme. Hingga saat ini, sebagian besar alat biosensor tumbuhan telah dikembangkan pada spesies model dikotil seperti... Arabidopsis thalianaRumput-rumputan, atau monokotil, tertinggal meskipun merupakan tulang punggung produksi biji-bijian global.
Dengan mendemonstrasikan sistem pigmentasi yang kuat dan dapat diinduksi pada model rumput C4, tim tersebut telah membantu menutup kesenjangan tersebut dan membuka pintu bagi sistem serupa pada jagung dan serealia lainnya. Di masa depan, sirkuit yang berbeda dapat disesuaikan untuk merespons bahan kimia yang berbeda, memungkinkan tanaman untuk "melaporkan" berbagai kondisi lingkungan yang memengaruhi kinerja tanaman dan kesehatan manusia.
Potensi aplikasinya sangat luas: mendeteksi polutan industri yang meresap ke lahan pertanian, mendeteksi penyebaran herbisida sebelum merusak tanaman di sekitarnya, atau memantau faktor-faktor penyebab stres yang terkait dengan perubahan iklim, seperti panas atau kekeringan, dengan menghubungkan produksi pigmen dengan jalur respons terhadap stres.
Para peneliti juga dengan sengaja memilih untuk membagikan alat-alat mereka secara luas.
“Kami ingin membangun sistem yang dapat digunakan dengan mudah oleh peneliti lain. Dengan membuat konstruksi dan pendekatan pencitraan kami tersedia untuk umum, inovasi di seluruh komunitas akan semakin cepat,” tambah Gehan.
Untuk tujuan itu, komponen molekuler yang dibutuhkan untuk membangun biosensor ini pada rumput, bersama dengan metode untuk deteksi pigmen yang sensitif, telah disimpan dalam repositori publik. Pendekatan sains terbuka ini dirancang untuk membantu laboratorium lain mengadaptasi dan memperluas sistem, mempercepat kemajuan dalam biologi sintetik tanaman.
Proyek ini menggabungkan keahlian di bidang genetika tanaman, teknik, dan penginderaan jauh. Penulis bersama termasuk Alina Zare, seorang profesor teknik elektro dan komputer serta direktur Institut Penelitian Kecerdasan Buatan dan Informatika di Universitas Florida, dan Susan Meerdink, seorang asisten profesor di Sekolah untuk Ilmu Bumi, Lingkungan, dan Keberlanjutan di Universitas Iowa.
Meskipun studi saat ini merupakan pembuktian konsep pada model rumput, para peneliti melihatnya sebagai batu loncatan menuju aplikasi dunia nyata pada tanaman utama. Pekerjaan selanjutnya kemungkinan akan berfokus pada penyesuaian sirkuit untuk merespons bahan kimia pertanian atau polutan tertentu, meningkatkan sensitivitas, dan mengintegrasikan sistem dengan platform pencitraan yang siap digunakan di lapangan.
Jika berhasil, ladang gandum di masa depan mungkin tidak hanya memberi makan dunia — tetapi juga dapat membantu melindunginya, berubah warna menjadi ungu untuk memperingatkan kita ketika terjadi sesuatu yang salah.