TUGAS TERSTRUKTUR MIKROBIOLOGI PANGAN LANJUT

BAKTERI EXTREMEMOPHILE YANG RESISTEN TERHADAP RADIASI

Oleh:SUBURI RAHMAN NIM. 116100100111004

PROGRAM STUDI TEKNOLOGI HASIL PERTANIANPROGRAM PASCASARJANAFAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIANUNIVERSITAS BRAWIJAYAMALANG2011

BAKTERI EXTREMEMOPHILE YANG RESISTEN TERHADAP RADIASIBakteriBakteri (dari kata Latin bacterium; jamak: bacteria) adalah kelompok organisme yang tidak memiliki membran inti sel. Organisme ini termasuk ke dalam domain prokariota dan berukuran sangat kecil (mikroskopik), serta memiliki peran besar dalam kehidupan di bumi. Beberapa kelompok bakteri dikenal sebagai agen penyebab infeksi dan penyakit, sedangkan kelompok lainnya dapat memberikan manfaat dibidang pangan, pengobatan, dan industri. Struktur sel bakteri relatif sederhana: tanpa nukleus/inti sel, kerangka sel, dan organel-organel lain seperti mitokondria dan kloroplas. Hal inilah yang menjadi dasar perbedaan antara sel prokariot dengan sel eukariot yang lebih kompleks. Bakteri dapat ditemukan di hampir semua tempat: di tanah, air, udara, dalam simbiosis dengan organisme lain maupun sebagai agen parasit (patogen), bahkan dalam tubuh manusia (Anonim, 2011a).Pada umumnya, bakteri berukuran 0,5-5 m, tetapi ada bakteri tertentu yang dapat berdiameter hingga 700 m, yaitu Thiomargarita. Mereka umumnya memiliki dinding sel, seperti sel tumbuhan dan jamur, tetapi dengan bahan pembentuk sangat berbeda (peptidoglikan). Beberapa jenis bakteri bersifat motil (mampu bergerak) dan mobilitasnya ini disebabkan oleh flagel. Pada tahun 1956, salah seorang peneliti yang bekerja di Oregon Agricultural Experimental Station bernama A.W. Anderson menemukan bakteri yang termasuk ke dalam bakteri yang paling tangguh di dunia sekarang ini. Bakteri ini ditemukan di Corvalis, Oregon dan mempunyai kemampuan untuk bertahan hidup terhadap radiasi yang sangat tinggi, bakteri ini dinamai Deinococcus radiodurans. Bakteri ini berbentuk bulat dengan diameter yang relatif besar, diameternya sekitar 1,5 sampai 3,5 m. Bakteri ini mempunyai kemampuan untuk dapat bertahan hidup terhadap radiasi yang sangat tinggi karena bakteri ini mempunyai mekanisme perbaikan DNA yang cepat dan mempunyai banyak copy dari genomenya sendiri. Jika dibandingkan dengan manusia, bakteri ini dapat bertahan terhadap radiasi 300 kali lipat daripada yang dapat dilakukan oleh manusia. Deinococcus radiodurans ini banyak ditemukan di berbagai macam lingkungan hidup, bakteri ini di kembangbiakkan dalam laboratorium dengan media kotoran hewan seperti gajah. Namun, bakteri ini juga ditemukan hidup dengan baik di berbagai jenis tanah, termasuk di daerah batuan granite yang kering (Magaratta, 2011). Sejarah dan klasifikasi bakteri Deinococcus radioduransDeinococcus radiodurans berasal dari bahasa Yunani deino dan kokkos yang berarti berry yang mengerikan dan bahasa Latin radius dan durare yang artinya tahan radiasi. Dahulu spesies ini disebut Micrococcus radiodurans Cohn 1872. Karena ketahanannya terhadap radiasi bakteri ini dijuluki Conan the Bacterium. Bakteri ini juga tercatat dalam Guinness Book of World Records sebagai bakteri terkuat sedunia. (Huyghe and Patrick Agustus 1998 dalam Magaratta 2011). D. radiodurans pertama kali dideteksi oleh Anderson et al. pada tahun 1956 di dalam daging kalengan yang disterilisasi dengan radiasi sinar X dan yang tidak diradiasi. Hebatnya, meski telah disterilisasi tetapi tetap terjadi pembusukan pada daging sehingga disimpulkan ada aktivitas mikroorganisme di dalamnya (Anonim, 2011b).Awalnya spesies ini termasuk genus Micrococcus. Setelah dilakukan pengujian RNA ribosomal bakteri ini termasuk genus Deinococcus yang mirip dengan genus Thermus, bakteri yang tahan panas. Karena Deinococcus memiliki ketahanan terhadap panas dan radiasi, maka dimasukkan ke dalam filum Deinococcus-Thermus. Deinococcus merupakan satu-satunya genus dalam ordo Deinococcales. Keluarga Deinococcaceae terdiri dari 11 spesies yakni D. radiodurans, Deinococcus proteolyticus, Deinococcus radiopugnans, Deinococcus grandis, Deinococcus radiophilus, Deinococcus geothermalis, Deinococcus murrayi, Deinococcus indicus, Deinococcus frigens, Deinococcus saxicola dan Deinococcus marmoris dan semuanya ini dikelompokkan dalam genus tunggal, Deinococcus (Michael et al, 2005). Semua spesies dalam genus ini memilki ketahanan terhadap radiasi. Klasifikasi bakteri Deinococcus radiodurans:Kingdom : Bacteria Phylum : Deinococcus-Thermus Ordo : Deinococcales Genus : Deinococcus Species : D. radiodurans

Gambar 1. Bakteri Deinococcus radiodurans

Morfologi dan fisiologiDeinococcus radiodurans merupakan bakteri Gram positif berbentuk bulat dengan diameter 1,5 sampai 3,5 m dan umumya membentuk tetrad. Bakteri ini mudah berkembang dan tidak menimbulkan penyakit (Magaratta, 2011) Koloni berwarna merah bila ditumbuhkan di media agar karena memiliki kandungan pigmen karotenoid. Koloni berbentuk cembung dengan permukaan halus. D. radiodurans adalah bakteri aerob dengan suhu optimum pertumbuhan 30C. Semua galur bakteri ini dapat tumbuh dengan kadar garam 1% dan kebanyakan galur tumbuh pada kadar garam 5%. Berdasarkan uji biokimia, D. radiodurans dapat memfermentasi glukosa dan fruktosa sehingga menghasilkan asam, sedangkan gliserol dan manosa dapat digunakan tetapi tidak menghasilkan asam (Brooks 1981 dalam Anonim 2011b).Deinococcus radiodurans tidak membentuk endospora dan nonmotil. Bakteri ini adalah bakteri obligat aerobik kemoorganoheterotrof yang menggunakan energi dari zat organik. Bakteri ini sering ditemukan pada habitat yang kaya zat organik seperti di tanah, feses, daging, tapi juga bisa ditemukan pada makan kering, debu, alat-alat medik dan tekstil. Deinococcus radiodurans sangat resistan terhadap radiasi ion, sinar ultraviolet, desikasi (pengawetan melalui proses pengeringan), oksidasi, dan agen elektrofilik. Genomnya terdiri dari dua kromosom sirkuler; 2,65 juta pasang basa dan 412.000 pasang basa yang disebut megaplasmid dari 177.000 pasang basa dan plasmid dari 46.000 pasang basa. Bakteri ini memiliki 3.195 gen. Pada fase stasioner, tiap sel bakteri mengandung 4 duplikat genom yang akan berlipat ganda dengan cepat sehingga tiap bakteri nantinya mengandung 8-10 duplikat genom (Magaratta 2011).Struktur genomBakteri D. radiodurans termasuk salah satu bakteri extremophiles dalam kelompok Thermus-Deinococcus. Genom D. radiodurans terdiri dari empat bagian utama. Bakteri ini memiliki urutan lengkap dari strain R1 yang memiliki pasangan basa 3.284.156 terdiri dari dua kromosom melingkar (2.648.638 dan 412.348 pasang basa) plasmid besar (177.466 pasang basa), dan sebuah plasmid kecil (45.704 pasang basa). Beberapa salinan dari setiap gen yang ditemukan pada semua kromosom dan plasmid, memberikan kontribusi dengan kemampuannya yang menakjubkan terhadap resistensi radiasi (White et al 1999 dalam Anonim 2011c).

Struktur sel dan metabolismeD. radiodurans adalah bakteri gram positif yang biasanya berbentuk bulat atau tetrad (Obiero, 2006). Struktur selnya terdiri dari plasma dan membran luar yang dipisahkan oleh 14-20 nm lapisan peptidoglikan. Setidaknya ada enam lapisan telah teridentifikasi menggunakan mikroskop elektron, lapisan terdalamnya adalah selaput plasma, lapisan berikutnya adalah sebuah sel yang mengandung dinding peptidoglikan dan berlubang, lapisan ketiga terdiri dari dinding-dinding sel yang banyak, lapisan keempat adalah membran luar, lapisan kelima terdapat zona electrolucan yang berbeda-beda dan lapisan keenam terdiri dari sub unit protein yang teratur dan berbentuk heksagonal. Struktur kimia dari lapisan sel D. radiodurans yang telah diteliti menggunakan spektrometri massa dimana diperoleh struktur dengan klasifikasi A3. D. radiodurans juga memiliki chemotype murein A3 dan peptidoglikan yang dibangun dari sub unit monomer yang sama. Plasma dan membran luarnya memiliki komposisi lipid yang sama. Komposisi asam lemak D. radiodurans yang khas, membran lipid terdiri dari 43% phosphoglycolipid berisi serangkaian akkylamin sebagai komponen struktural yang berasal dari prekusor yang sama yakni phosphatidylglycerolalkylamin dan terbentuk ketika prekusor dari galaktosa atau glukosamin (Makarova et al, 2001).Aspek yang paling menarik tentang struktur sel D. radiodurans adalah bakteri ini mampu membuat 4-10 salinan dari semua gennya tersebut pada waktu tertentu dari pertumbuhannya. Hal ini dijadikan sebagai suatu alasan tentang kemampuan bakteri ini tahan terhadap radiasi. Bila diamati dengan mikroskop elektron, dinding sel ditemukan memiliki ketebalan yang tidak biasa sekitar 50-60 nm, dengan lapisan bagian padat dari sekitar 14-20 nm. Hal ini menciptakan dinding bagian dalam berbentuk septa dan terkadang berbentuk lapisan fenestrated. Bentuk septum yang tidak biasa, digambarkan sebagai sepasang gorden yang khas "iris-diaphram". Jalur metabolisme dalam D.radiodurans terdiri dari beberapa bagian yakni:

Produksi dan konversi energi

Yang paling menarik dari bakteri D. radiodurans adalah tidak seperti kebanyakan bakteri lainnya yang hidup bebas, bakteri ini menggunakan vacuolar ATP sintatse proton. Vacuolar type H+-ATPase adalah ciri khas dari eukariota dan jenis archaea. Semua archaea memiliki operon yang terdiri dari 8 gen encoding subunit ATPase.Metabolisme karbohidrat

Gen D. radiodurans digunakan untuk mengkodekan jalur fungsional untuk glikolisis, glukoneogenesis, pentosa fosphat shunt dan siklus asam trikarboksilat. Metabolisme asam amino dan nukleotida

D. radiodurans tidak bisa menggunakan amonia sebagai sumber nitrogen. D radiodurans dapat menggunakan asam amino secara efektif sebagai sumber nitrogen namun tidak memerlukan lisin untuk pertumbuhannya. D radiodurans memiliki sebagian besar gen untuk metabolisme nukleotida, diantaranya adalah adanya nukleosida purin fosforilase.Metabolisme lipid dan komponen dinding sel

Deinococcus radiodurans mampu mengkode beberapa salinan dari gen untuk biosintesis asam lemak, struktur khusus yang dimiliki dari lapisan peptidoglikan digunakan untuk metabolisme ornithine.Metabolisme koenzim

Deinococcus radiodurans mampu untuk biosintesis de vivo dari semua komponen koenzim kecuali asam nikotinat.Habitat Deinococcus radiodurans ini banyak ditemukan di berbagai macam lingkungan hidup, sehingga sulit untuk menentukan dimana habitat aslinya. Para ilmuwan banyak mengembangbiakkan bakteri ini di dalam laboratorium dengan media kotoran hewan, contohnya gajah. Namun, para ilmuwan juga menemukan bakteri ini hidup dengan baik di berbagai jenis tanah, termasuk di daerah batuan granite yang kering. Karena banyak ditemukan di berbagai jenis tanah, para ilmuwan mengklasifikasikan bakteri ini ke dalam bakteri tanah. Biasanya D. radiodurans diisolasi secara selektif dari tanah, daging mentah, debu, dan udara yang telah disaring. Teknik yang digunakan adalah dengan mengekspos sampel dengan radiasi UV atau gamma lalu menumbuhkannya pada media yang kaya tripton dan ekstrak khamir (Madigan 2009 dalam Anonim 2011b).Ketahanan terhadap radiasiBakteri D. radiodurans mempunyai beberapa karakteristik yang unik seperti resisten terhadap genotoksik kimia, kerusakan oksidatif, dehidrasi, ionisasi tingkat tinggi dan radiasi ultraviolet (Fredrickson, 2000). D. radiodurans masih hidup setelah terkena radiasi sebesar 15.000 Grays (Gy) (1 Gy=100 rad) bahkan dapat terus tumbuh pada kondisi radiasi 69 Gy/jam. Sebagai perbandingan, dosis 10 Gy dari radiasi pengion mampu membunuh manusia dan dosis 60 Gy mampu membunuh semua sel bakteri E. colli. Organisme ini lebih tahan terhadap radiasi daripada spora bakteri. Organisme ini juga tahan terhadap banyak agen yang dapat menyebabkan mutasi pada DNA, seperti radiasi ion, sinar ultraviolet (UV), hidrogen peroksida, dan banyak lainnya. Satu-satunya senyawa mutagenik yang dapat menyerang D. radiodurans adalah nitrosoguanidin yang dapat menginduksi delesi, yaitu penghilangan suatu fragmen atau nukleotida DNA. Delesi lebih berpengaruh pada bakteri ini dibandingkan mutasi titik, yaitu mutasi hanya pada satu atau beberapa nukleotida DNA. Hal ini karena mekanisme perbaikan terhadap delesi tidak seefisien terhadap mutasi titik.Penelitian terkini yang mengungkap tentang kemampuan pertahanan diri dari D. radiodurans disebabkan oleh kekebalan sel tersebut dengan jumlah mangan (II) ion didalam sel. mangan mencegah kerusakan akibat oksidasi dalam memperbaiki protein dan membiarkannya untuk melanjutkan ketahap selanjutnya setelah radiasi menghancurkannya. jadi seberapa hancur DNA mikroba ini karena radiasi, ia akan kembali kebentuknya yang semula (Daly, 2007).

Gambar 2. Fase stasioner D. radiodurans R1Mekanisme ketahanan radioaktif bakteri Deinococcus radioduransAda dua jenis radiasi pengion, baik yang dihasilkan oleh peluruhan unsur radioaktif: elektromagnetik (radiasi X dan - yang membentuk bagian dari spektrum elektromagnetik yang mencakup cahaya tampak dan gelombang radio) dan partikulat partikel -dan (Michael et al, 2005) . Deinococcus radiodurans dapat bertahan dalam 1,5 juta rads- ribuan kali lebih kuat daripada semua makhluk hidup yang ada di bumi dan 300 kali lebih kuat daripada ketahanan manusia. Bakteri ini memiliki ketahanan terhadap radiasi karena memiliki salinan ganda dari genomnya dan mekanisme perbaikan DNA yang cepat. Tidak seperti organisme lain yang kehilangan DNA karena radiasi, mikroba ini tidak kehilangan informasi genetik karena fragmen-fragmen DNA yang terputus disimpan di dalam cincin plasmid yang terkunci rapat. Fragmen-fragmen ini tersusun rapat, pada akhirnya tersusun bersama menjadi tataan yang original dan benar. Bakteri ini biasanya memperbaiki kerusakan kromosom dalam 12-24 jam melalui proses dua tahap, yakni:Bakteri D. radiodurans menyambungkan ulang fragmen-fragmen kromosom melalui proses yang disebut penempelan untai-tunggal. DNA memperbaiki diri di dalam ring yang telah disebut. Lalu bakteri melakukan aksi yang sangat tidak umum. Bakteri ini terdiri dari empat kompartmen, masing-masing mengandung satu salinan DNA. Ada dua jalan kecil diantara kompartmen. Setelah sekitar satu setengah jam perbaikan di dalam cincin, DNA membuka lipatan dan bermigrasi ke kompartmen yang berdekatan dimana terjadi saling baur dengan DNA yang telah ada disana.Protein memperbaiki kerusakan untai-ganda melalui rekombinasi homolog. Proses ini tidak melibatkan mutasi apapun dari replikasi normal yang biasa. Mesin perbaikan reguler, umum di manusia dan juga bakteri, melaksanakan tugasnya memperbaiki enzim diantara dua salinan DNA, memakai templete untuk memperbaiki yang lain.

Dari empat salinan DNA, selalu ada dua atau tiga yang terkemas rapat di dalam cincin sementara yang lain dapat bergerak bebas. Sehingga kapanpun, selalu ada salinan DNA yang mengatur produksi produksi protein dan lain-lain yang tidak aktif namun terlindungi terus menerus. Michael Daly mengusulkan bahwa bakteri ini menggunakan mangan sebagai antioksidan untuk melindungi diri terhadap bahaya radiasi. Pada tahun 2007 timnya menunjukkan bahwa level mangan (II) intrasel yang tinggi pada D. radiodurans melindungi protein dari oksidasi radiasi, dan mengemukakan ide bahwa protein, bukan DNA, adalah target pelaku dari aksi biologis pada bakteri sensitif, dan ketahanan ekstrim pada bakteri yang mengandung mangan didasar perlindungan protein. Deinococcus radiodurans melindungi protein, bukan DNA, sehingga memungkinkan untuk memperbaiki DNA yang rusak.

Gambar 3. Proses pemulihan D. radiodurans setelah mengalami kerusakan radiasi (Michael et al, 2005)Perbaikan DNA yang rusak oleh D. radioduransHasil penelitian Michael et al (2005) mengungkapkan bahwa perbaikan substansial kromosom terjadi selama 1,5 jam pertama setelah D. radiodurans mengalami radiasi pengion dosis tinggi melalui proses perbaikan RecA-independen. D. radiodurans memiliki mekanisme yang sangat efisien dalam memperbaiki DNA yang rusak. Ada beberapa jenis enzim untuk perbaikan DNA di dalam sel organisme ini. Selain enzim RecA, yang umum ada di organisme untuk perbaikan kerusakan DNA dalam tingkat rendah, D. radiodurans juga memiliki beberapa RecA-independen sistem DNA yang memungkinkan bakteri ini memperbaiki DNA, utas tunggal maupun utas ganda, dengan sistem penghancuran DNA yang rusak disertai penggantian dengan DNA baru. Sel D. radiodurans yang umumnya eksis dalam bentuk tetrad juga dianggap memberikan kontribusi terhadap ketahannya terhadap radiasi dan senyawa mutagenik, karena DNA yang rusak terkumpul rapi membentuk struktur cincin toroidal. Mekanisme perbaikan kemudian difasilitasi oleh nukleoid dari bagian sel yang berdekatan, sehingga tetap memungkinkan rekombinasi homolog. Rekombinasi homolog tersebut menyebabkan sel yang kromosomnya sudah diperbaiki dapat kembali tumbuh dan membelah.

Gambar 4. Mekanisme Perbaikan DNAAplikasiBakteri D. radiodurans digunakan untuk pengolahan limbah nuklir yang mengandung senyawa radioaktif. Galur murni dari bakteri ini diketahui dapat mengurangi uranium dengan adanya asam humat pada kondisi anaerob. D. radiodurans R1 hasil rekayasa genetik telah digunakan untuk melaksanakan aktivitas bioremediasi terhadap limbah radioaktif campuran, terutama untuk detoksifikasi senyawa merkuri dan toluena di dalam limbah. Metode ini efektif dan lebih murah untuk menangani limbah global akibat senjata nuklir (Apukuttan, 2006).