Rekayasa Molekuler

Dipublikasikan oleh Syayyidatur Rosyida

17 Mei 2024, 06.51

sumber: en.wikipedia

Rekayasa molekuler adalah bidang studi baru yang berkaitan dengan desain dan pengujian sifat-sifat molekuler, perilaku, dan interaksi untuk merakit bahan, sistem, dan proses yang lebih baik untuk fungsi-fungsi tertentu. Pendekatan ini, di mana sifat-sifat yang dapat diamati dari sistem makroskopik dipengaruhi oleh perubahan langsung dari struktur molekul, termasuk dalam kategori yang lebih luas dari desain “bottom-up”.

Rekayasa molekuler berkaitan dengan upaya pengembangan material dalam teknologi baru yang membutuhkan pendekatan desain molekuler rasional yang ketat terhadap sistem dengan kompleksitas tinggi.

Rekayasa molekuler pada dasarnya sangat interdisipliner, mencakup aspek-aspek teknik kimia, ilmu material, bioteknologi, teknik elektro, fisika, teknik mesin, dan kimia. Ada juga tumpang tindih yang cukup besar dengan nanoteknologi, karena keduanya berkaitan dengan perilaku material pada skala nanometer atau lebih kecil. Mengingat sifat interaksi molekuler yang sangat mendasar, ada banyak sekali area aplikasi potensial, yang mungkin hanya dibatasi oleh imajinasi dan hukum fisika. Namun, beberapa keberhasilan awal rekayasa molekuler telah terjadi di bidang imunoterapi, biologi sintetis, dan elektronik yang dapat dicetak (lihat aplikasi rekayasa molekuler).

Rekayasa molekuler adalah bidang yang dinamis dan terus berkembang dengan target masalah yang kompleks; terobosan-terobosan membutuhkan insinyur yang canggih dan kreatif yang fasih dalam berbagai disiplin ilmu. Metodologi rekayasa rasional yang didasarkan pada prinsip-prinsip molekuler berbeda dengan pendekatan coba-coba yang umum digunakan di seluruh disiplin ilmu teknik. Alih-alih mengandalkan korelasi empiris yang dideskripsikan dengan baik namun kurang dipahami antara susunan sistem dan sifat-sifatnya, pendekatan desain molekuler berusaha memanipulasi sifat-sifat sistem secara langsung dengan menggunakan pemahaman tentang asal-usul kimia dan fisika. Hal ini sering kali memunculkan material dan sistem yang secara fundamental baru, yang diperlukan untuk memenuhi kebutuhan yang luar biasa di berbagai bidang, mulai dari energi, perawatan kesehatan, hingga elektronik. Selain itu, dengan meningkatnya kecanggihan teknologi, pendekatan coba-coba sering kali mahal dan sulit, karena mungkin sulit untuk memperhitungkan semua ketergantungan yang relevan di antara variabel-variabel dalam sistem yang kompleks. Upaya rekayasa molekuler dapat mencakup alat komputasi, metode eksperimental, atau kombinasi keduanya.

Sejarah

Rekayasa molekuler pertama kali disebutkan dalam literatur penelitian pada tahun 1956 oleh Arthur R. von Hippel, yang mendefinisikannya sebagai “... cara baru dalam berpikir tentang masalah-masalah teknik. Alih-alih mengambil bahan prefabrikasi dan mencoba merancang aplikasi teknik yang konsisten dengan sifat makroskopisnya, seseorang membangun bahan dari atom dan molekulnya untuk tujuan yang ada." Konsep ini digaungkan dalam ceramah penting Richard Feynman pada tahun 1959 berjudul There's Plenty of Room at the Bottom, yang secara luas dianggap melahirkan beberapa gagasan mendasar dari bidang teknologi nano. Terlepas dari pengenalan awal konsep-konsep ini, baru pada pertengahan tahun 1980-an dengan diterbitkannya Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology oleh Drexler, konsep modern dari ilmu pengetahuan berskala nano dan molekuler mulai tumbuh dalam kesadaran publik.

Penemuan sifat konduktif listrik dalam poliasetilena oleh Alan J. Heeger pada tahun 1977 secara efektif membuka bidang elektronik organik, yang telah terbukti menjadi dasar bagi banyak upaya rekayasa molekuler. Desain dan optimalisasi bahan-bahan ini telah menghasilkan sejumlah inovasi termasuk dioda pemancar cahaya organik dan sel surya fleksibel.

Aplikasi

Desain molekuler telah menjadi elemen penting dari banyak disiplin ilmu di dunia akademis, termasuk bioteknologi, teknik kimia, teknik elektro, ilmu material, teknik mesin, dan kimia. Namun, salah satu tantangan yang sedang berlangsung adalah menyatukan tenaga kerja yang sangat penting di antara berbagai disiplin ilmu untuk menjangkau ranah mulai dari teori desain hingga produksi bahan, dan dari desain perangkat hingga pengembangan produk. Dengan demikian, meskipun konsep rekayasa rasional teknologi dari bawah ke atas bukanlah hal baru, konsep ini masih jauh dari diterjemahkan secara luas ke dalam upaya penelitian dan pengembangan.

Rekayasa molekuler digunakan di banyak industri. Beberapa aplikasi teknologi di mana rekayasa molekuler memainkan peran penting:

Produk konsumen

  • Permukaan antibiotik (misalnya penggabungan nanopartikel perak atau peptida antibakteri ke dalam pelapis untuk mencegah infeksi mikroba.
  • Kosmetik (misalnya modifikasi reologi dengan molekul kecil dan surfaktan dalam sampo).
  • Produk pembersih (misalnya nanosilver dalam deterjen).
  • Elektronik konsumen (misalnya layar dioda pemancar cahaya organik (OLED).
  • Jendela elektrokromik (misalnya jendela di Boeing 787 Dreamliner).
  • Kendaraan tanpa emisi (misalnya sel bahan bakar/baterai canggih)
  • Permukaan yang dapat membersihkan diri sendiri (misalnya pelapis permukaan super hidrofobik).

Pemanenan dan penyimpanan energi

  • Baterai aliran - Mensintesis molekul untuk elektrolit dengan kepadatan energi tinggi dan membran yang sangat selektif dalam sistem penyimpanan energi skala jaringan.
  • Baterai lithium-ion - Menciptakan molekul baru untuk digunakan sebagai pengikat elektroda, elektrolit, aditif elektrolit, atau bahkan untuk penyimpanan energi secara langsung dalam rangka meningkatkan kepadatan energi (menggunakan bahan seperti graphene, nanorod silikon, dan logam litium), kepadatan daya, masa pakai, dan keamanan.
  • Sel surya - Mengembangkan bahan baru untuk sel surya yang lebih efisien dan hemat biaya, termasuk fotovoltaik berbasis organik, titik kuantum, atau perovskit.
  • Pemisahan air secara fotokatalitik - Meningkatkan produksi bahan bakar hidrogen dengan menggunakan energi matahari dan bahan katalitik canggih seperti nanopartikel semikonduktor.

Teknik lingkungan

  • Desalinasi air (misalnya membran baru untuk menghilangkan ion berbiaya rendah yang sangat efisien).
  • Remediasi tanah (misalnya nanopartikel katalitik yang mempercepat degradasi kontaminan tanah yang berumur panjang seperti senyawa organik terklorinasi).
  • Penyerapan karbon (misalnya bahan baru untuk adsorpsi CO2).

Imunoterapi

  • Vaksin berbasis peptida (misalnya rakitan makromolekul peptida amfifilik menginduksi respons imun yang kuat).
  • Biofarmasi yang mengandung peptida (misalnya nanopartikel, liposom, misel polielektrolit sebagai kendaraan penghantaran).

Biologi Sintetis

  • CRISPR - Teknik pengeditan gen yang lebih cepat dan efisien.
  • Pengiriman gen/terapi gen - Merancang molekul untuk mengirimkan gen yang dimodifikasi atau gen baru ke dalam sel organisme hidup untuk menyembuhkan kelainan genetik.
  • Rekayasa metabolik - Memodifikasi metabolisme organisme untuk mengoptimalkan produksi bahan kimia (misalnya genomik sintetis).
  • Rekayasa protein - Mengubah struktur protein yang ada untuk memungkinkan fungsi baru yang spesifik, atau pembuatan protein yang sepenuhnya buatan.
  • Bahan yang difungsikan dengan DNA - Rakitan 3D dari kisi-kisi nanopartikel terkonjugasi DNA.

Teknik dan instrumen yang digunakan

Insinyur molekuler menggunakan alat dan instrumen canggih untuk membuat dan menganalisis interaksi molekul dan permukaan bahan pada skala molekuler dan nano. Kompleksitas molekul yang dimasukkan ke permukaan semakin meningkat, dan teknik yang digunakan untuk menganalisis karakteristik permukaan pada tingkat molekuler terus berubah dan meningkat. Sementara itu, kemajuan dalam komputasi berkinerja tinggi telah sangat memperluas penggunaan simulasi komputer dalam studi sistem skala molekuler.

Pendekatan komputasi dan teoretis

  • Kimia komputasi.
  • Komputasi kinerja tinggi.
  • Dinamika molekuler.
  • Pemodelan molekul.
  • Mekanika statistik.
  • Kimia teoretis.
  • Topologi.

Seorang ilmuwan EMSL menggunakan mikroskop elektron transmisi lingkungan di Pacific Northwest National Laboratory. ETEM menyediakan kemampuan in situ yang memungkinkan pencitraan resolusi atom dan studi spektroskopi material dalam kondisi operasi yang dinamis. Berbeda dengan operasi tradisional TEM di bawah vakum tinggi, ETEM EMSL secara unik memungkinkan pencitraan dalam lingkungan bersuhu tinggi dan gas.

Mikroskopi

  • Mikroskopi gaya atom (AFM).
  • Pemindaian mikroskopi elektron (SEM).
  • Mikroskopi elektron transmisi (TEM).

Karakterisasi molekuler

  • Hamburan cahaya dinamis (DLS).
  • Spektroskopi desorpsi/ionisasi laser berbantuan matriks (MALDI).
  • Spektroskopi resonansi magnetik nuklir (NMR).
  • Kromatografi pengecualian ukuran (SEC).
  • Spektroskopi.
  • Ellipsometri.
  • Difraksi Sinar-X 2D (XRD).

Spektroskopi atau mikroskopi raman

  • Ilmu permukaan.
  • Spektrometri emisi optik pelepasan cahaya.
  • Spektrometri massa Ion waktu penerbangan-sekunder (ToF-SIMS).
  • Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS).

Metode sintetis

  • Sintesis DNA.
  • Sintesis nanopartikel.
  • Sintesis organik.
  • Sintesis peptida.
  • Sintesis polimer.

Alat lainnya

  • Sinar Ion terfokus (FIB).
  • Profilometer.
  • Spektroskopi fotoelektron UV (UPS).
  • Pembangkit frekuensi jumlah getara.n

Penelitian atau pendidikan

Setidaknya ada tiga universitas yang menawarkan gelar pascasarjana yang didedikasikan untuk teknik molekuler: Universitas Chicago,Universitas Washington, dan Universitas Kyoto. Program-program ini merupakan lembaga interdisipliner dengan staf pengajar dari berbagai bidang penelitian.

Jurnal akademik Molecular Systems Design dan Engineering menerbitkan penelitian dari berbagai bidang studi yang menunjukkan “desain molekuler atau strategi optimasi yang menargetkan fungsionalitas dan kinerja sistem tertentu.”

Disadur dari: en.wikipedia.org