ARKHAEA

Secara morfologi Arkhaea dan Bakteri tidak berbeda. Namun perbedaan antara Arkhaea

dan Bakteri dapat dilihat pada metabolisme (khususnya katabolisme) dan kondisi lingkungan

pertumbuhan. Terdapat 3 subdivisi arkhaea, yaitu Euryarchaeota, Crenarchaeota dan

Korarchaeota.

Sebagian besar Arkhaea hidup di lingkungan ekstrim, seperti dasar laut dalam, mata air

panas, dan lainnya. Lingkungan ekstrim ini tidak dapat ditumbuhi organisme lainnya

termasuk bakteri. Sebagian besar anggota Crenarchaeota hidup di lingkungan panas

ekstrim, seperti solfatara dan ceruk hidrotermal. Namun terdapat anggota Crenarchaeota

yang mampu hidup di lingkungan mesofil (berasosiasi dengan akar tananaman) dan bahkan

sampai suhu 2C (di Antartika).

Euryarchaeota

Arkhaea ini memiliki keragaman metabolisme luas, tetapi memiliki properti dasar bersama.

Berdasarkan aktivitas metabolismenya Euryarchaeota dapat dikelompokan menjadi 4

kelompok, yaitu metanogen, halofil, termoasidofilik, dan hipertermofil.

Arkhaea Metanogen

Kebanyakan anggota Euryarchaeota menghasilkan metana (CH4) dalam metabolismenya.

Oleh karena itu, anggota Euryarchaeota ini disebut metanogen. Berdasarkan analisis

16SRNA, metanogen merupakan Arkhaea primitif. Metanogenesis hanya dapat terjadi pada

kondisi anaerob, karena enzim dan kofaktor pada Arkhaea ini labil oleh serangan oksigen.

Daerah anaerobik seperti kolam lumpur, dan pengolahan limbah anaerobik merupakan

lingkungan menguntungkan bagi arkhaea ini. Sebagai tambahan arkhaea ini merupakan

mikroba flora normal saluran pencernaan berbagai hewan, termasuk ruminansia (sapi,

kambing, dan kerbau), manusia, anjing, dan serangga pengonsumsi selulosa seperti rayap.

Di dalam saluran pencernaan ruminansia, arkhaea ini berperan dalam mengkonsumsi

hidrogen (H2) yang dapat menghambat degradasi selulosa. Metana juga dapat dihasilkan

dari asetat. Dalam saluran pencernaan rayap, metanogen Methanobacterium dan

Methanobenibacter, hidup di dalam protozoa Trichomonas. Protozoa mendegradasi

selulosa menjadi glukosa dan kemudian didegradasi menjadi asam dan hidrogen.

Metanogen mengkonsumsi H2 dan mengubahnya menjadi metana. Metanogen juga dapat

dijumlai di lingkungan bersuhu tinggi, seperti ceruk hidrotermal, mata air panas, dan daerah

gunung api aktif.

Lingkungan hidup metanogen harus anaerob yang mengandung CO2 atau senyawa C1

lainnya dan substrat tereduksi tinggi, seperti H2. Jika CO2 sebagai sumber karbon, maka H2

dipakai sebagai sumber energi. Kadar SO42- pada habitat metanogen harus rendah, karena

dapat mengurangi populasi bakteri pereduksi sulfat. Bakteri pereduksi sulfat akan

berkompetisi dengan metanogen dalam mengkonsumsi H2.

Reaksi Metanogenesis

Arkhaea metanogen dapat dijumpai di daerah yang terjadi dekomposisi material organik.

Pada daerah demikian H2 dan asetat tersedia dan siap dikonsumsi. Jika ditumbuhkan di

daerah ini, maka arkhaea metanogen akan mengubah CO2 menjadi CH4 dan melepaskan air

dengan reaksi berikut ini

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O G = -131 kJ

Arkhaea metanogen juga dapat mengkonsumsi metanol dan H2 menjadi CH4 dengan

menghasilkan energi sama dengan konsumsi CO2.

CH3OH + H2 CH4 + H2O G = -131 kJ

Beberapa arkhaea metanogen juga dapat mengkonsumsi metanol tanpa kehadiran H2

dengan reaksi sebagai berikut

4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O G = -80 kJ

Beberapa arkhaea metanogen dapat mengubah asetat menjadi CH4 dan rekasinya adalah

sebagai berikut

CH3COOH + H2O CH4 + HCO3H G = -31 kJ

Secara detail proses produksi CH4 oleh arkhaea metanogen adalah sebagai berikut. CO2

harus diaktifkan oleh enzim metanofuran menjadi senyawa formil (HCO). Metanofuran

adalah kofaktor unik dan mampu mengikat CO2. Gugus formil terikat metanofuran ditransfer

ke enzim kedua, yaitu enzim metanopterin. Metanopterin juga mampu mengikat senyawa C1

dan terus membawa melalui serial tahapan reduksi. Dua reaksi reduksi terjadi pada gugus

formil, sehingga mengubahnya menjadi metilen (CH2) dan selanjutnya menjadi metil (CH3).

Sumber elektron pada proses reduksi ini diperoleh dari koenzim F420. Gugus metil ditransfer

ke koenzim M (CoM) menghasilkan CH3-CoM. Akhirnya direduksi menjadi CH4 oleh sistem

metil reduktase.

Sebagian besar CH4 di atmosfir diproduksi oleh arkhaea metanogen dan CH4 merupakan

gas greenhouse dan menyebabkan pemanasan global. Sebagian besar CH4 dihasilkan oleh

aktivitas manusia, seperti peternakan dan pemanenan padi.

Keragaman Arkhaea Metanogen

Dua contoh arkhaea metanogen adalah Methanobacterium thermoautotrophicum dan

Methanococcus jannaschii. M. thermoautotrophicum sering dijumpai di tanah tergenang dan

digester limbah. Arkhaea ini terwarnai Gram negatif, tetapi tidak memiliki struktur dinding sel

gram negatif pada umumnya. Dinding selnya berisi pseudopeptidoglikan bukan

peptidoglikan. Seperti namanya, arkhaea ini tumbuh di lingkungan bersuhu 35—70C.

Arkhaea ini mampu mengonsumsi H2 dan format. Sel berbentuk batang. M. jannaschii

diisolasi dari ceruk hidrotermal laut dan hidup di lingkungan sekitar 85C dan ahanya tumbuh

dengan substrat CO2 dan H2. Sel bebbentuk sferis. Kedua arkhaea ini mampu menyintesis

semua senyawa organik dari CO2.

Arkhaea metanogen ini merupakan arkhaea pertama yang diketahui urutan genomnya.

Ukuran genom M. thermoautotrophicum adalah 1,75 Mb dan diperkirakan berisi 1870 gen.

Sedangkan M. jannaschii memiliki ukuran genom sebesar 1,66 Mb dengan perkiraan 1729

gen. Studi genom arkhaea metanogen menunjukkan bahwa gen yang terlibat dalam proses

anabolisme seperti biosintesis asam amino homolog dengan Bakteri. Namun proses sentral

sel seperti replikasi DNA dan transkripsi RNA lebih dekat dengan Eukariota. Oleh karena itu,

Arkhaea ini berada di antara bakteri dan Eukarya pada pohon filogenetiknya. Perbandingan

genom kedua arkhaea metanogen ini menunjukkan bahwa 20% gen M.

thermoautotrophicum tidak dijumpai pada M. jannaschii dan 15% gen M. jannaschii tidak

dijumpai pada M. thermoautotrophicum.

Arkhaea Halofil Ekstrim

Arkhaea halofil ekstrim merupakan anggota Arkhaea yang mampu hidup di lingkungan

salinitas tinggi dan merupakan organisme toleran garam. Telah teridentifikasi sebanyak 20

species arkhaea halofil ekstrim dengan keragaman morfologi dan struktur sel. Arkhaea

halofil ekstrim memiliki dinding sel berbeda dengan bakteri gram negatif, meskipun terwarnai

Gram negatif dan tidak memiliki struktur istrirahat, seperti spora atau kista. Kebanyakan

arkhaea ini obligat aeron non-motil dan memerlukan garam untuk pertumbuhannya. Mereka

merupakan organisme kemorganotrof dan memerlukan beberapa faktor pertumbuhan.

Beberapa arkhaea halofil ekstrim mampu mengonsumsi karbohidrat dan memproduksi

energi melalui siklus TCA dan transfer elektron mirip dengan bakteri. Beberapa arkhaea

halofil ekstrim mampu hidup secara anaerob dan melakukan fermentasi gula atau respirasi

anaerob dengan nitrat atau fumarat sebagai akseptor elektron.

Arkhaea halofil ekstrim hidup si daerah berkadar garam tinggi, dengan kadar minimum,

optimum, dan maksimum masing-masing sebesar 8,8% NaCl, sekitar 20% NaCl, dan 32%

NaCl. Daerah bersalinitas tinggi jarang dijumpai. Kebanyakan daerah bersalinitas tinggi

adalah danau garam seperti Great Salt Lake di Utah Amerika Serikat, laut mati, dan danau

soda. Terdapat organisme eukariota yang mampu hidup di lingkungan bersalinitas tinggi

seperti alga Dunaliella.

Pertanyaan pertama terhadap arkhaea ini adalah adaptasi molekuler organisme ini terhadap

lingkungan bersalinitas tinggi. Informasi terhadap adaptasi ini diketahui setelah mempelajari

mikroba halofil Halobacterium dan mungkin dapat dianalogikan ke semua arkhaea halofil

ekstrim. Permasalahan utama adalah lingkungan bersalin tinggi akan membuat sebagian air

keluar dari sel oleh proses osmosis. Organisme ini mampu menjaga keseimbangan

osolaritas di dalam sel dengan memproduksi molekul kompatibel di ruang periplasmik.

Selain itu dia mengakumulasi ion anorganik di dalam sel yang sesuai dengan kadar garam

di lingkungan. Halobacterium juga memompa Kalium ke dalam sel, sehingga kadar kalim

dalam sel seimbang dengan kadar Natrium di lingkungan.

Arkhaea Termoasidofil

Arkhaea termoasidofil adalah arkhaea yang hidup di lingkungan bersuhu tinggi dan benilai

pH asam. Terdapat 3 genus yang umum untuk arkhaea termoasidofil, yaitu Thermoplasma,

Picrophilus, dan Ferroplasma.

Arkhaea Thermoplasma

Dua jenis Thermoplasma telah diisolasi, yaitu T. acidophilum dan T. volcanii. Kedua

organisme adalah kemorganotrof yang mampu hidup pada lingkungan mengandung

senyawa organik, dan memerlukan faktor pertumbuhan. Thermoplasma mengonsumsi O2

dan senyawa sulfur sebagai akseptor elektron. T. acidophilum merupakan termofil dengan

kisaran suhu pertumbuhan antara 45 sampai 67C. Sedangkan T. volcanii mampu tumbuh

baik di suhu 33C, tetapi masih dapat tumbuh pada suhu 67C. Kedua organisme ini

memerlukan kondisi asam sampai nilai pH mencapai 0,5 untuk pertumbuhannya.

Ongokan buangan batubara yang berisi batubara, pirit, dan material organik sering spontan

terbakar menghasilkan suhu tinggi. T. acidophilum mampu mengonsumsi senyawa organik

ini dan mengoksidasi melalui respirasi aerob atau anaerob dengan menggunakan sulfur

sebagai akseptor elektron.

Meskipun lingkungan bernilai pH asam, tetapi nilai pH sitoplasma arkhaea termoasidofil

mendekati netral. Hal ini terjadi akibat aktivitas pompa membran memompa proton keluar

dari sel. Metode ini melindungi rekasi metabolisme dari penghambatan kondisi asam.

Arkhaea Picrophilus

Picrophilus sp. merupakan organisme yang paling toleran terhadap asam dan merupakan

organisme umum dijumpai di solfatara darat. Nilai pH optimum pertumbuhannya adalah 0,7

dan mampu tumbuh sampai nilai pH 0,06. Nilai pH ini ekuivalen dengan 1,15 M larutan HCl

dan mampu melarutkan logam. Picophilus sp. merupakan organisme obligat aerob yang

tumbuh dengan mengoksidasi senyawa organik dan mampu tumbuh pada suhu 40—69C.

Dinding sel Picrophilus berisiprotein lapisan S. Lapisan S ini yang diduga sebagai

mekanisme impermeabel asam.

Arkhaea Ferroplasma

Arkhaea ini pertama kali diisolasi dari biorekator di Kazakhstan dan pertambangan di

Amerika Serikat. Arkhaea ini dijumpai di pertambangan sulfur. Ferroplasma adalah

organisme kemolitotrof yang memapu mengoksidasi ion feri (Fe2+) atau pirit sebagai sumber

energi dam mengonsumsi CO2 sebagai sumber karbon. Ion ferat (Fe3+) merupakan produk

akhir oksidasi ion feri. Selain ion feri, arkhaea ini mampu mengoksidasi Mg2+. Arkhaea ini

mampu hidup optimal di lingkungan bernilai pH 1,2 dengan kisaran pH pertumbuhan adalah

0,1—2,5. Arkhaea ini merupakan organisme dominan (sampai 85%) di pertambangan asam.

Oksidasi logam sulfida, khususnya pirit (FeS2), menghasilkan proton yang dapat

mengasamkan air. Larutan asam ini mampu menahan ion logam seperti Fe2+, Cd2+, Cu2+,

dan Zn2+.

Arkhaea Termofil Ekstrim

Arkhaea ini mampu hidup pada suhu sampai 113C. Sebagian besar species ini diisolasi dari

solfatara dan ceruk hidrotermal. Oleh karena itu, toleransi terhadap suhu tinggi bekan hal

yang mengejutkan.

Arkhaea Thermococcales

Semua jenis Thermococcales diketahui memiliki suhu optimal pertumbuhan bevariasi antara

75 sampai 104C. Mereka obligat anaerob dan berkembang baik di solfatara darat maupun

laut. Thermococcales merupakan organisme organotrof yang mengonsumsi senyawa

organik sebagai sumber karbon dan energi. Mereka melakukan respirasi dan fermentasi

terhadap senyawa organik untuk menghasilkan energi. Di antara Arkhaea Thermococcales

merupakan arkhaea tumbuh cepat dengan waktu generasi mencapai 35 menit untuk

Pyrococcus dan 120 menit untuk Thermococcus. Thermococcus dan Pyrococcus adalah

arkhaea motil, karena mempunyai flagela dan tumbuh optimal pada suhu 95C. Kedua

arkhaea ini mengonsumsi peptida dan karbohidrat secara fermentatif dengan bertumpu

pada enzim tungsten.P. furiosis menghasilkan tungsten-G3P-feredoksin oksidoreduktase

dan tampaknya mempunyai peran sama dengan G3P-dehidrogenase pada jalur Emden-

Meyerhoff-Parnas. Arkhaea ini hidup baik tanpa hidrogen sulfida dan memiliki enzim tahan

panas yang berpotensi dalam aplikasi industri. Seperti kita ketahui reaktor industrial

biasanya bekerja dengan suhu tinggi dan terkorosi oleh hidrogen sulfida.

Arkhaea Archaeoglobales

Archaeoglobus merupakan satu-satunya genus anggota Archaeoglobales. Arkhaea ini

memerlukan kadar garam tinggi dan suhu tinggi. Oleh karena itu, habitanya terbatas dan

hanya dijumpai pada ceruk hidrotermal laut dan solfatara laut. Mereka organisme abligat

anaerob dan hanya tumbuh dengan mengonsumsi senyawa organik dan anorganik. Sulfat

dipakai sebagai akseptor elektron dan mengubahnya menjadi hidrogen sulfida (H2S). Donor

elektron berasal dari H2 dan dipakai untuk mereduksi sulfat dan senyawa organik lainnya

seperti asam laktat, gula, pati, dan peptida.

Arkhaea ini memiliki metabolisme mirip dengan arkhaea metanogen dalam hal koenzim unik

metanogen seperti faktor 420, koenzim M,dan lainnya. Selama metabolismenya

menghasilkan sedikit metana, tetapi tidak dapat tumbuh pada substrat untuk arkhaea

metanogen, seperti H2 dan CO2 kecuali tersedia sulfat. Sebuah hipotesis menyatakan bahwa

Archaeoglobales merupakan tahapan antara evolusi arkhaea metanogen.

Crenarchaeota

Kelompok Crenarchaeota terdiri atas termoasidofil dan hipertermofil yang secara filogenetik

berbeda dengan Euryarchaeota. Arkhaea hipertermofil ini merupakan pemecah rekor

toleransi terhadap suhu tinggi.

Crenarchaeota Hipertermofil

Anggota arkhaea ini ditemukan di sekitar lingkungan volcano baik di darat maupun di laut.

Sulfolobus tumbuh di mata air panas, kaya sulfur dengan nilai pH 1—5, dan suhu sampai

95C. Sulfolobus adalah mikroba obligat aerob dan tumbuh secara kemolitotrof dengan

mengoksidasi H2S atau S menjadi H2SO4. Oksigen digunakan sebagai akseptor elektron.

Arkhaea ini mampu menambat CO2 melalui jalur 3-hidroksipropionat termodifikasi. Anggota

lainnya adalah Acidianus yang mengunakan elemen sulfur secara aerob dan anaerob.

Arkhaea ini mengunakan sulfur sebagai donor elektron maupun ekseptor elektron. Dengan

bantuan oksigen, sulfur dioksidasi menjadi asam sulfat dan elektron diberikan ke oksigen.

Dalam kondisi nonoksigenik, hidrogen direduksi dan sulfur dioksidasi, sehingga

menghasilkan hidrogen sulfida. Baik Sulfolobus dan Acidianus dapat tumbuh pada suhu 60--

95C dan nilai pH optimum adalah 2.

Kandungan G+C pada kedua arkhaea ini rendah sekitar 31% untuk Acidianus dan 37%

untuk Sulfolobus. Fakta menunjukkan bahwa DNA dengan G+C tinggi lebih tahan panas.

Oleh karena itu pasti terdapat sistem lain yang bertanggung jawab terhadap ketahanan

panas. Ternyata arkhaea ini memiliki protein terasosiasi DNA yang tahan panas. Meskipun

kandungan G+C rendah, tetapi organisme ini tahan panas akibat mekanisme proteiksi

protein terasosiasi DNA.

Pyrolobus fumarii merupakan organisme pemegang rekor suhu pertumbuhan, yaitu 113C.

Arkhaea ini tidak dapat tumbuh di bawah suhu 90C dan suhu optimum pertumbuhan adalah

106C. Pyrolobus merupakan organisme kemolitotrof pengonsumsi (obligat) H2. Elektron dari

H2 dipakai untuk mereduksi NO3-, S2O3

-, atau O2, masing-masing menghasilkan NH4+, H2S

and H2O. Organisme ini mampu bertahan dari sterilisasi autoklaf, bahkan sampai 1 jam

sterilisasi.

Arkhaea pereduksi sulfat baik dari anggota Euryarchaeota dan Crenarchaeota merupakan

organisme perusak (souring) sumur minyak. Hal ini karena merka mampu mengkonsumsi

suldfat menjadi hidrogen sulfida yang larut dalam minyak. Selain itu, peningkatan emisi

sulfur ketika pembakaran minyak dapat meningkatkan biaya pemurnian minyak dan

serangan sulfida terhadap logam baik casing maupun pipa dapat menimbulkan korosi dan

kebocoran.

Kornarchaeota

Berdasarkan analisis 16S RNA arkhaea ini dipisahkan dari 2 kelompok terdahulu. Anggota

Kornarchaeota diduga memisah lebih dulu pada pohon filogenetik dan properti selnya mirip

dengan properti sel mikroba terprimitif di bumi. Sedikit sekali informasi yang diberikan dari

arkhaea ini, meskipun demikian penelitian tentang properti metabolisme mulai dilakukan.

TUGAS BIOLOGI MOLEKULAR

ARCHAEA

Oleh:

SKelompok 4

260110090051260110090052260110090053260110090054260110090055260110090056

YUSTIN NURWULANDARI (260110090057)MAHARDIAS F.S (260110090058)M.REGGY FAUZI (260110090059)NASRUL UMAMI (260110090060)

RYANDWIKA HERO.P (260110090061)YUDI (260110090062)

KARTIKA C.K (260110090063)RIZKI NOVA SARI (260110090064)