KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI DALAM RESISTENSI...

Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V 20

SEMINAR NASIONAL KIMIA DAN PENDIDIKAN KIMIA V

“Kontribusi Kimia dan Pendidikan Kimia dalam Pembangunan

Bangsa yang Berkarakter” Program Studi Pendidikan Kimia Jurusan PMIPA FKIP UNS

Surakarta, 6 April 2013

MAKALAH UTAMA BIOTEKNOLOGI DAN

RESISTENSI ANTIBIOTIK ISBN : 979363167-8

KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI DALAM RESISTENSI ANTIBIOTIK

Sri Mulyani1,*

1Prodi P Kimia Jurusan PMIPA FKIP Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia

* Keperluan korespondensi, tel : 0271-7651266, email: [email protected]

ABSTRAK

Resistensi antibiotik saat ini menjadi masalah kesehatan dunia yang serius baik di negara maju maupun negara berkembang, mengimbangai masalah energi. Bahaya resistensi antibiotika merupakan salah satu ancaman kesehatan masyarakat. Antibiotik adalah senyawa kimia untuk menyetop/memperlambat pertumbuhan bakteri (bakteriostatik) atau membunuh bakteri (bakteriosidal). Resistensi antibiotik adalah kemampuan mikroorganisme untuk bertahan terhadap efek antibiotik diantaranya melalui mutasi atau perubahan/pertukaran plasmid antar spesies bakteri yang sama. Contohnya methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) atau vancomycin-resistant Staphylococcus aureus (VRSA). Salah penggunaan antibiotik merupakan salah satu pemicu resistensi antibiotik. Saat ini banyak bakteri yang telah mengalami resistensi sehingga kurang responsif terhadap pengobatan antibiotika. Penyebaran bakteri ini memunculkan masalah besar, karena menyebabkan penyakit sulit untuk diobati, biaya pengobatan menjadi lebih mahal dan memungkinkan hadir jenis penyakit infeksi baru yang lebih sulit diobati. Sehingga diperlukan obat baru yang ampuh dan murah. Pemanfaatan ilmu dasar Kimia dalam kajian ilmiah, penelitian dan eksplorasi bahan alam dipadu dengan pemanfaan teknologi dan mikroorganisme dalam bioteknologi sangat potensial menggiatkan perusahaan farmasi dalam membuat antibioti baru. Dengan dukungan kebijakan pemerintah yang kondusif diharapkan usaha ini mampu membantu mengatasi permasalah resistensi antibiotik. Kata kunci: kimia, ilmu kimia, biotechnology, resistensi antibiotik

PENDAHULUAN

Sejak ditemukannya antibiotik dokter

banyak memberikan resep antibiotik untuk

mengobati infeksi penyakit. Antibiotik adalah

senyawa kimia baik yang merupakan pruduk

alami maupun yang disintesis yang

digunakan untuk menyetop pertumbuhan

bakteri dan atau jamur atau untuk

membunuhnya. Antibiotik digolongkan

sebagai bakeriostatik bila dapat menyetop

pertumbuhan bakteri dan sebagai

bacterisidal bila dapat menyebabkan sel

bakteri mati. Antibiotik antibakteri didisain

untuk memblok beberapa proses-proses

krusial dalam sel bakteri secara selektif [1-

4]. Namun penggunaan antibiotik bila tidak

dilakukan secara benar dan tepat dapat

menimbulkan resistensi antibiotik.

Resistensi antibiotik saat ini menjadi

masalah kesehatan dunia yang serius baik

di negara maju maupun negara ber-

kembang, mengimbangi masalah energi.


Bahaya resistensi antibiotika merupakan

salah satu ancaman kesehatan masyarakat.

Saat ini banyak bakteri yang telah

mengalami resistensi sehingga kurang

responsif terhadap pengobatan antibiotika.

Penyebaran bakteri ini memunculkan

masalah besar, karena menyebabkan

penyakit sulit untuk diobati, biaya

pengobatan menjadi lebih mahal dan

memungkinkan hadir jenis penyakit infeksi

baru yang lebih sulit diobati. Masalah ini

menjadi masalah kesehatan dunia dan

harus ditangani secara terpadu dan

mendesak. Berkaitan dengan hal ini WHO

sudah memperingatkan bahwa infeksi

yang umum terjadi bisa tidak memiliki

obat lagi di masa yang akan datang [5].

Berdasarkan hal tersebut WHO pada

peringatan Hari Kesehatan Internasional

tahun 2011 menetapkan tema

Antimicrobacterial Resistance and its Global

Spread [6].. Salah satu usaha yang bisa

dilakukan untuk mengatasi hal ini

diantaranya adalah menemukan obat baru

yang ampuh dan murah.

Di sini ini akan disajikan beberapa

hal yang berkaitan dengan antibiotik

antibakteri, sintesis dinding sel bakteri,

resistensi antibiotik, kajian pustaka

beberapa penelitian kimia dan bioteknologi

yang sudah dilakukan oleh peneliti maupun

peneliti lain dalam usaha menanggulangi

permasalaahan rsistensi antibiotik.

Beberapa data yang disampaikan merupa-

kan data hasil penelitian yang sudah

dipublikasi dan diberikan identitas sumber

data di bagian bawahnya.

ANTIBIOTIK ANTIBAKTERI

Antibiotik antibakteri digolongkan

menjadi 2 yaitu bakteriostatik dan

bakterisidal yang pengaruhnya terhadap

kurva pertumbuhan bakteri disajikan dalam

gambar 1. Pembagian bakteriostatik dan

bakterisidal ini tergantung dari konsentrasi

obat, spesies bakteri dan fase

perkembangannya. Pembagian ini diman-

faatkan untuk pemilihan antibiotika bagi

pasien tertentu. Antibiotika bakterisid

misalnya diperuntukan bagi pasien dengan

status imunologi yang rendah seperti

penderita HIV-AIDS, pada pasien pembawa

kuman (carrier), dan pada pasien berkondisi

sangat lemah, pasien-pasien end-stage [6].

Gambar 1: Kurva pertumbuhan bakteri yang diberi antibiotik bakteriostatik dan bakterisidal dibandingkan dengan kontrol. (Sumber: Scholar & Pratt [7]).

Beberapa contoh klas antibiotik dan

penggunaannya untuk menggobati penyakit

infeksi dapat dilihat dalam tabel 1 sedang-

kan contoh treatment awal penyakit infeksi

dengan antibiotik dalam tabel 2 [4].

Antibiotik ada yang merupakan senyawa

produk alam (natural product) yang diisolasi

dari prokaryot, fungi dan tanaman, dan ada

yang berupa senyawa hasil sintesis.


Tabel 1. Contoh klas Antibiotik dan

penggunaannya [4].

Klas Contoh obat Infeksi

Cephalos-porin

Cefaclor, cefuroxine

Bronkhitis, pneumonia, meningitis

Penicillins Amoxicillin, ampicillin

Pneumonia, septicemia, bronkhitis

Fluoroqui-nolon

Ciproflolacin, ofloxacin

Toxic shock syndrome, meningitis

Macrolides Clarithromycin, erythromycin

Toxic shock syndrome, meningitis

Tetracy-cline

Minocycline Infeksi saluran urin, pelvic inflammatory disease

Aminogly-coside

Gentamicin Infeksi intestinal, septicemia

Glycopep-tide

Vancomycin Infeksi intestinal

Antibiotik systemik lainnya

Imipenem, rifampin

Bronkhitis, tuberkulosa

Tabel 2. Contoh treatment awal dengan

antibiotic [4].

Infeksi Patogen Alasan pilihan terapi awal

Pneumoniae dari masyara-kat

Streptococcus pneumoniae

Pasien RS: cephalosporin spektrum luas / generasi ke-4 Pasien ambulan: macrolide/fluoroquinolone

Pneumoniae dari RS

Bakteri gram negatif / Staphylococcus

Untuk P. aeruginosa: cephalosporin spektrum luas / generasi ke-4, imipenem, aminoglycosida; Untuk MRSA: vancpmycin

Meningitis S. pneumoniae / Neisseria meningitidis

cephalosporin spektrum luas + vancomycin + rifampin

Sepsis syndrome

bacilli gram - ; cocci gram + (MRSA)

Cephalosporin + aminoglycoside; vancomycin

Infelksi urinary tract

Bakteri gram – seperti E. coli

Sulfamethoxazole + trimethoprim; fluoroquinolones; fosfomycin

Tuberculo-sis

Mycobacterium tuberculosis.

Isoniazid + rifampin + pyrizinamide + ethambutol

Contoh antibiotik produk alam dan hasil

sintesis dapat dilihat dalam gambar 2.

Ada beberapa penggolongan

antibiotik, diantaranya berdasarkan struktur

dan targetnya. Berdasarkan targetnya anti-

biotik dikelompokkan menjadi 4: yaitu: (1)

menghambat sintesis dinding sel, (2)

menghambat sintesis DNA dan RNA, (3)

menghambat sintesis protein, dan (4)

menghambat sintesis asam folat. Contoh

antibiotik yang menghambat sintesis dinding

sel adalah: (a) ß-Lactams (Penicillins,

Cephalosporins), targetnya: enzim Trans-

peptidase/Transglycolase (PBP), (b)

Vancomycin, targetnya: ujung D-Ala-D-Ala,

dan (c) Teicoplanin, targetnya:

Peptidoglycan dan Lipid II. Contoh antibiotik

yang menghambat sintesis protein, yaitu: (a)

Erythromycins, targetnya: Peptidyltransfe-

rase/Ribosom, dan (b) Tetracyclins,

targetnya: Peptidyltransferase. Fluoroquino-

lon merupakan contoh antibiotik yang

menghambat proses replikasi/reparasi DNA

dengan target aksinya pada DNA Gyrase.

SINTESIS PEPTIDOGLIKAN DINDING

SEL BAKTERI

Ligan target dari antibiotik Penicillins

dan Vancomycin adalah rantai samping

peptida dari rantai peptidoglikan (PG)

dinding sel bakteri. Monomer rantai PG

disusun atas 2 komponen mayor turunan

disakarida N-acetyl glucosamine (NAG) dan

N-acetyl muramic acid (NAM) dan rantai

samping pentapeptida terikat secara

kovalen pada sisi NAM (gambar 3).


(A) Antibiotik produk alam

(B) Antibiotik hasil sintesis

Gambar 2. Contoh-contoh antibiotik produk alam (A) dan hasil sintesis (B).

O

O

O

OH

NH

Ac

NH

L-Ala

CH3

O

D-Glu

L-Lys

D-Ala

D-Ala

O

OH

O

OH

NH

Ac

N-Acetyl glucosamine N-Acetyl muramic acid

Disaccharide Unit

Peptide Side Chain

Gambar 3. Monomer struktur peptidoglycan dan gambaran unit dasarnya pada S. aureus [4].

PG disintesis secara enzimatis dalam

3 fase di sitoplasma, membran sitoplasma

dan ekstra sitoplasma (Gambar 4). Dalam

cytoplasm, uridyldiphosphate N-

acetylglucosamine (UDP-NAG) dihasilkan

dari glucosamine-1-phosphate yang dikatali-

sa oleh N-acetyl-1-phosphate glucosamine

uridyltransferase (GlmU). UDP-NAG kemu-

dian dikonversi menjadi uridyldiphosphate

N-acetylmuramic acid (UDP-NAM) dalam 2

tahap reaksi yang dikatalis oleh MurA [8]

and MurB, melalui intermediate, UDP-NAG-

enolpyruvate. Residu amino acids L-alanine,

D-glutamine, L-lysine, and D-alanine-D-

alanine secara berurutan ditambahkan pada

sisi NAM dari UDP-NAM untuk membentuk

UDP-NAM-pentapeptide. Reaksi ini masing-

masing dijalankan oleh MurC, MurD, MurE

and MurF. UDP-NAM-pentapeptide kemu-

dian diikatkan pada molekul C55-undeca-

prenylphosphate yang berlokasi pada

membran sitoplasma untuk membentuk lipid

I. NAG dari UDP-NAG kemudian diikatkan

sisi pada NAM dari lipid I dalam ikatan ß-

1,4-glycosidic linkage untuk membentuk lipid

II, yang masing-masing dikatalis oleh MraY

and MurG [9].

Pada S. aereus, lima residu glycine

secara berturutan ditambahkan pada gugus

-NH2 dari komponen pentapeptide, L-lysine,

pada lipid II membentuk rantai samping

pentaglycine yang menggunakan donor

glycyl-tRNA [10]. Residu D-glutamate pada

posisi 2 pada rantai samping pentapeptide

dari lipid II diamidasi pada gugus -carboxyl

membentuk D-glutamin dengan menggu-

nakan Lglutamin sebagai donor gugus

amino. Amidasi tidak esential untuk transfer

lipid II ke extra sitoplasma, tetapi mungkin

NAG NAM unit dasar peptidoglycan


mempengaruhi urutan reactionnya [11] .

NAG-NAM-L-Ala-D-Gln-L-Lys(5Gly)-D-Ala-

D-Ala ditranslokasi menyebrangi mem-brane

sitoplasma ke ekstra sitoplasma.

Transglycosylase and transpeptidase berlo-

kasi di ekstra sitoplasma. Trans-glycosylase

menggabungkan subunit NAG-NAM mem-

bentuk rantai glycan dengan mengikatkan

C1 sisi NAM pada lipid II ke ujung 4’-OH

dari sisi NAG rantai peptidoglycan nascent

dengan melepaskan C55-undecaprenyl-

pyrophosphate. C55-undecaprenylpyrophos-

phate dapat diputar balik pada permukaan

membrane sitoplasma sebagai C55-

undecaprenyl-phosphate dengan menghi-

drolisisnya dengan pyrophosphatase yang

terikat pada membran membrane [4]. The

transpeptidases melakukan peptide cross-

linking antara rantai-rantai tersebut agar

kuat membentuk dinding sel. Pada S.

aureus, peptide cross-linking dibentuk

antara gugus amino pada satu ujung rantai

pentaglycine yang menyerang ikatan

peptide antara 2 residu D-alanine pada

posisi 4 and 5 pada unit peptide yang lain.

Selanjutnya residu D-alanine pada posisi 5

dilepaskan [12, 13] (Gambar 4).

Gambar 4. Skema jalur biosintesis PG dan skema diagram rantai PG pada S. aureus. UDP-NAG = uridyldiphosphate N-acetylglucosamine; UDP-NAM = uridyl-diphosphate N-acetylmuramic acid ; C55 = C55 undecaprenol.

AKSI ANTIBIOTIK PADA BIOSINTESIS

DINDING SEL

Lapisan PG dinding sel Bakteri gram-

positif (staphylococci, streptococci, dan

enterococci) adalah lebih banyak dan lebih

tebal dibandingkan dengan gram negative

(Escherichia coli, Salmonella, Pseudo-

monas, dan Yersinia) (Gambar 5)[4].

Pada gambar 5 tampak bahwa

vancomycin memiliki struktur yang lebih

besar (Gambar 2) dibandingkan Penicillin,

dan tidak mampu menembus pori-pori

membrane luar bakteri gram-negatif,

sehingga tidak mampu memblok target

molekul rantai samping peptida dari rantai

PG.


Gambar 5. Lapisan PG dinding sel bakteri gram-positif dan gram-negatif. Gram-negatif memiliki membran luar. gram-postif tidak tetapi memiliki lapisan PG lebih tebal [4].

Oleh karena itu vancomycin hanya

bekerja efektif pada gram-positif.

Sedangkan untuk penicillin maupun

chepalosporin (Gambar 6) karena ukuran-

nya lebih kecil mampu mencapai dan

memblok target molekul baik pada gram-

positif maupun gram-negatif. Penicillin

menginaktifkan PG-cross-linking transpep-

tidase.

Untuk mengatasi kasus resistensi dan

memperluas spectrum aktivitas antibakteri,

para ahli kimia medisin telah menurunkan

beberapa varian turunan penicillin dan

cepalosphorins melalui modifikasi semi-

sintetik pada gugus samping R (Gambar 6).

RASIONAL PENGGUNAAN ANTIBIOTIK

Antibiotik bila digunakan secara benar

mempunyai khasiat yang luar biasa, dan

sebaliknya bila digunakan secara irrasional

bisa menimbulkan kerugian yang fatal bagi

kesehatan maupun dari segi ekonomi.

Antibiotik yang ada sekarang sudah banyak

sekali macam dan jenisnya sehingga

diperlukan rasional yang tepat dalam

pemilihan dan penggunaannya. Beberapa

faktor yang mendasari rasional penggunaan

antibiotic, daiantarnya adalah: (1)

Indikasinya tepat , (2) Penderitanya tepat,

(3) Pemilihan jenis antibiotiknya tepat, (4)

Dosisnya tepat , (5) Efek samping minimal,

an (6) Kombinasi tepat (bila diperlukan)

ekonomis [14].

Sedangkan beberapa hal penting yang perlu

diketahui dalam memilih antibiotic,

diantaranya adalah: (1) Sifat aktifitasnya

apakah sebagai bakteriostatik atau

bakterisidik, (2) Sifat spektrumnya apakah

luas atau sempit, berspektrum luas dapat

menghambat baik bakteri gram-positif

maupun gram-negatif, sedangkan berspek-

trum sempit hanya dapat menghambat atau

membunuh kelompok bakteri tertentu, 3)

Mekanisme kerjanya apakah meng-hambat

sintesis dinding sel, sintesis protein atau

sintesis DNA/RNA, (4) Pola resistensinya,

Gram-negatif Gram-positif


apakah di Indonesia masih sensitive, meski

di Negara lain sudah resisten, (5) Efek

sampingnya apakah memberikan reaksi

alergi atau reaksi toksik [14].

(A) Generasi Penicillin

(B) Generasi cephalosporins

Gambar 6. Perbedaan generasi penicillin (A) dan cephalosporins (B).(diadaptasi dari Scholar and Prat [7] cit. [4]).

Bakteri penyebab infeksi secara ideal

dapat diketahui dengan pasti berdasarkan

pemeriksaan mikrobiologis, sehingga terapi

antibiotiknya dapat dipiliih dengan tepat.

Tetapi dalam kondisi tertentu misalnya

fasilitas terbatas dan tidak mungkin

menunggu hasil pemeriksaan yang relative

lama, antibiotic yang sesuai dapat

ditentukan berdasarkan prinsip “educated

guess” dengan mempertimbangkan

organ/sistem yang terinfeksi maupun

kuman penyebab pada umumnya [14].

Berdasarkan uraian di atas maka

antibiotik harus digunalan secara benar

karena salah penggunaan bisa

menimbulkan efek samping seperti pusing,

reaksi alergi, reaksi toksik bahkan

menyebabkan resistensi antibiotic.


RESISTENSI ANTIBIOTIK

Resistensi antibiotik adalah kemam-

puan mikroorganisme untuk bertahan

terhadap efek antibiotik diantaranya dengan

memperoleh gen resisten melalui mutasi

atau perubahan/pertukaran plasmid (transfer

gen) antar spesies bakteri yang sama [4].

Contohnya methicillin-resistant Staphylo-

coccus aureus (MRSA) atau vancomycin-

resistant Staphylococcus aureus (VRSA).

Resistensi didefinisikan juga sebagai

konsentrasi inhibisi mimimum (MIC) dasar

yang dibutuhkan untuk mengatasi infeksi

secara efektif [15]. Multiple drugs

resistance didefinisikan sebagai resistensi

terhadap dua atau lebih obat maupun kla-

sifikasi obat. Sedangkan cross resistance

adalah resistensi suatu obat yang diikuti

dengan obat lain yang belum pernah

dipaparkan [16].

Resistensi muncul diantaranya karena

penggunaan berlebihan dari antibiotic ber-

spektrum luas, atau penggunaan antibiotik

pada tanaman dan hewan dalam jangka

waktu yang lama sehingga berimbas kepada

manusia.

Antibiotik penicillin pertama kali

digunakan untuk mengatasi infeksi S.

aureus tahun 1941, namun 4 tahun

kemudian ditemukan strain S. aureus

penicillin-resistance. Tahun 1961 mulai

digunakan methicillin sebagai pengganti

penicillin, namun 15 tahun kemudian muncul

juga strain Meticillin-resistance S. aureus

(MRSA). Tahun 1986 vancomycin dipilih

untuk mengatasi MRSA dan infeksi karena

enterococci. Alhasil berturut-turut ditemukan

strain vancomycin-resistance enterococci

(VRE) tahun 1989, dan tahun 90-an

ditemukan stains Vancomycin-resistance S.

aureus (VRSA), Vancomycin-intermediate S.

aureus (VISA), dan Glycopeptides-

intermediate S. aureus (GISA).

S. aureus merupakan gram-positif

yang banyak menyebabkan nokosomal

infeksi, berkoloni di permukaan kulit dan

saluran pernafasan atas, menyebabkan

infeksi serius pada kondisi paska operasi,

racunnya menyebabkan demam, kesakitan

sampai kematian. Sedangkan Enterococci

berkoloni di kulit juga, survive di alam,

toleran terhadap suhu 10 °C – 45 °C, tahan

kondisi asam dan basa.

The National Committe for Clinical

Laboratory Standard (NCCLS) memberikan

acuan untuk strain S. aures rentan terhadap

vancomycin dengan MIC 4 mg/l,

intermediate antara 8 – 16 mg / l, dan

resisten bila 32 mg/l. Berdasarkan acuan

di UK dikelompokkan resistan bila MIC nya

8 mg / l, dan di Perancis strain dikelom-

pokkan intermediate bila MIC antara 8 – 16

mg / l, dan resisten bila 16 mg/l [15]

Kerja Vancomycin berinteraksi

dengan residu D-Ala-D-Ala pada rantai

peptide, yang kemudian memblok proses

cross-linking rantai dinding cell, akibatnya

rantai PG tidak dapat digabungkan dan

diding cell menjadi lemah. Ada dua

kemungkinan factor yang mengarahkan

pada resistensi vancomycin, yaitu (1) pada

VRE terjadi modifikasi residu the DAla-D-Ala

pada rantai peptide sub unit PG menjadi D-

Ala-D-lactate, (2) pada VSRA, VISA atau

GISA terjadi penebalan lapisan PG.


Interaksi ikatan hidrogen antara

vancomycin dengan D-Ala-D-Ala dan D-Ala-

D-lactate ditunjukkan dalam gambar 7.

Kehilangan satu ikatan hydrogen antara

vancomycin dan D-Ala-D-lac menyebabkan

afinitas ikatannya berkurang 1,000 kali [4].

Beberapa mekanisme penebalan

dinding sel pada VSRA, VISA atau GISA

telah diperkirakan tetapi persisnya belum

diketahui secara pasti [19]. Bentuk tidak

beraturan dinding sel yang menebal diduga

sebagai hasil dari perubahan biosintesis PG

akan tetapi mekanisme molekuler terjadinya

perubahan dalam biosintesis PG belum bias

diterangkan [18].

Gambar 7. Interaksi hidrogen antara vancomycin dengan D-Ala-D-Ala dan D-Ala-D-lactate dan skema mekanisme resistensi dalam VRE. (A) dalam sel enterococci rentan vancomycin berinteraksi dengan D-Ala-D-Ala dan menyebabkan sistesis dinding sel dihambat. (B) dalam sel VRE vancomycin tidak berinteraksi dengan D-Ala-D-Lac dan tidak berefek pada sibtesis dinding sel [17].

Gambar 8. SKema akses glikopeptida pada sintesis dinding sel. (A) Akses bebas pada sel staphylococci rentan menyebabkan inhibisi sistesis dinding sel. (B) Akses di dalam sel resisten (VRSA) diblok dan sintesis dinding sel dilanjutkan [18]

PERAN KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI

DALAM ALTERNATIF SOLUSI KASUS

RESISTENSI ANTIBIOTIK

Kasus resistensi memerlukan penangan-

an segera dan terpadu. Beberapa cara yang

bisa dilakukan diantaranya adalah: (1)

produksi obat atau antibiotik baru, (2)

modifikasi potensial antibiotik secara kimia,

(3) produksi hibrid antibiotik baru baik

secara secara in vitro atau secara genetika

melalui manipulasi biosintesis antibiotik.

Dalam upaya di atas sangat diperlukan

kajian biosintesis metabolit (antibiotik).

Dalam hal ini pelibatan ilmu kimia dan

bioteknologi sangat besar.

Kajian biosintesis metabolit bisa

dilakukan dengan cara: (1) ekspresi

heterologous dan karakterisasi protein

dengan substratnya , dan (2) inaktivasi gen-

gene yang terlibat dalam biosintesis

D-Ala-D-Ala D-Ala-D-Lac

(B) (A)

A

B

(A)

(B)

(Diadopsi dari Lowy [18])

(Diadopsi dari Lowy [18])


metabolit dan karakterisasi metabolit-

metabolit yang disekresikan ke dalam

medium. Sebagai contoh adalah kajian

biosintesis balhimycin sebagai salah satu

upaya untuk mempelajari metabolism

vancomycin dan pencarian obat alternative

pengganti vancomycin.

Balhimycin (Gambar 9) dan vancomycin

merupakan klas antibiotik glikopeptida yang

mempunyai struktur mirip dan berbeda

hanya pada pola glikosilasi [20]. Balmimycin

mempunyai residu glukosa pada pada cincin

aromatik asam amino 4 dan dehydrovan-

cosamin pada asam amino 6. Balhimycin

dan vancomycin keduanya aktif terhadap

strains MRSA, khsususnya terhadap strains

Clostridium Balhimycin lebih unggul

dibandingkan vancomycin [21] meskipun

ampai saat ini belum dibunakan untuk terapi

infeksi gram-positif.

Gambar 9. Struktur Balhimycin. Balhimycin

tersusun dari 7 asam amino, dua diantara-

nya mengandung atom klor, yaitu B-hidroksi

tyrosine (asam amino no 2 dan no 6).

Sekuens balhimycin biosintesis gen

kluster sudah dideposit di GenBank [22] dan

organisasi gen-gennya disajikan dalam

gambar 10.

Gambar 10. Organisasi balhimycin biosin-tesis gen kluster (diadopsi dari Süssmuth and Wohlleben [23]). Bhp merupakan gen putative “haloperoxidase”/perhydrolase se-dangkan bhaA diidentifikasi sebagai gen putative halogenase.

STUDI FUNGSI ENZIM DALAM BIO-

SINTESIS BALHIMYCIN

Kirner et al [24] mengidentifikasi bah-

wa non-haem, metalfree “haloperoxidases”/

perhydrolases tidak terlibat dalam tahap

halogenasi selama biosintesis halometabolit

Sedangkan Puk et al [25] menunjukkan

bahwa BhaA bertanggung jawab pada

penggabungan kedua atom Klor ke dalam

balhimycin, sedang Bhp terlibat dalam the

biosynthesis of the nonproteinogenic amino

acid b-hydroxytyrosine. Mulyani et al [26]

juga menunjukkan bahwa putative hydrolase

Bhp merupakan thioesterase (Gambar 11

dalam biosintesis Balhimycin berspesifisitas

tinggi terhadap PCP-bound -OH-Tyr dan

bukan “haloperoxidase”/perhydrolase mau-

pun non-specific esterase. Identifikasi fungsi

protein dalam balhimycin biosynthetic gene

cluster dirangkaikan dalam gambar 12.

Gambar 11. Reaksi hidrolisis B-hydroxy tyrosine-SNAC menghasilkan B-hydroxy tyrosine [26].


Gambar 12. Protein-protein yang diidentifikasi dalam balhimycin biosynthetic gene cluster yang bertanggung jawab dalam biosintesis nonproteinogenic aromatic asam amino acids and representasi skemati penggabungan 7 asam amino berdasarkan NRPS membentuk tulang punggung heptapeptide dari balhimycin. Leu = leucine, Cht = 3-chloro-ß-hydroxytyrosine, Asn = asparagines, Hpg = 4-hydroxyphenylglycine, Dpg = 3,5-didroxyphenylglycine, m1-7 = modul 1 - 7. Diadopsi dengan modifikasi dari Süssmuth and Wohlleben [23].

Prediksi fungsi protein dalam

biosintesis gambar 12 adalah t [23]:

(1) Bhp, OxyD, BpsD terlibat dalam

biosyntesis of ß-hydroxytyrosine

(2) Pdh, HmaS, HmO, Pgat diasumsikan

terlibat dalam biosyntesis of Hpg

(3) gene cassette dpgABCD menunjukkan

bahwa DpgA/B/C/D dan Pgat terlibat

dalam biosyntesis 3,5-dihydroxy phenyl

glycine

(4) Tujuh monomer asam amino secara

berurutan digabungkan delalui mekanis-

me NRPS membentuk tulang punggung

heptapeptide dari antibiotik glycopeptide

balhimycin dan heptapeptida komplit

dilepaskan oleh domain thioesterase

(Te) pada ujung C- modul 7 dalam BpsC.

POLA BIOSINTESIS ANTIBIOTIK

Pola biosintesis antibiotic diantaranya

ada 2 yaitu: Non-ribosomal peptide

synthetase (NRPS) dan Polyketide synthase

(PKS). NRPS merupakan set modul yang

masing-masing terdiri atas aktivitas enzy-

matic untuk menggabungkan satu asam

amino secara berurutan menghasilkan pro-

duk. Urutan dan jumlah modul umumnya

ditentukan oleh urutan dan panjang peptide

yang dihasilkan. Modul dapat dibagi menja-

di beberapa domain yang berbeda yang

bertanggung-jawab terhadap reaksi kimia

tunggal. Tipe modul Inisiasi , modul elongsi

dan modul terminasi masing-masing adalah

A-PCP di-domains, C-A-PCP tri-domains, &

C-A-PCP-TE tetra-domain (gambar 13).

A PCP

SH

A PCP C

SH

A PCPC TE

NH2

R2S

O

A PCP

R1

NH2

S

O

A PCP C

NH2

R3

S

O

A PCPC TE

SH

1 32

OH2

1 = Initial module; 2= Elongation module; 3 = Termination module

§ An initiation module consists of an adenylation (A) and a thiolation domain T § An elongation module is built of an N-terminal condensation (C) domain, an adenylation, and a thiolation domain § A termination module needs a C-terminal thioesterase domain to release the full-length peptidyl chain

Gambar 13. Urutan Domain dan fungsi dalam modul-modul chain initiation, chain elongation dan chain termination dari NRPS assembly lines[27]

Tripeptida


PKS merupakan enzyme kompleks yang

memproduksi polyketida, mirip dengan fatty

acid synthase (FAS). Pengubahan thioester

acyl-S-CoA rantai pendek menjadi produk

long-acyl-chain melalui serangkaian siklus

perpanjangan yang menambahkan 2 atau 3

unit atom. Terdapat multiple domain atau

sub unit-sub unit sub unit yang

berpartisipasi dalam tahap-tahap khusus

initsiasi, elongasi, dan terminasi.

UPAYA PENEMUAN OBAT BARU

Upaya untuk menemukan obat baru

dalam rangka mengatasi masalah

resistensi antibiotic dapat dilakuakan

dengan cara: (a) melalui disain target baru

dari genomik bacteria, (b) memanfaatkan

bioinformatika untuk mencari conserv ORF

dari target bakteri yang potensial, (c)

pendekatan genomik untuk penemuat

antibiotic. Hal ini juga bisa dilakukan

dengan (a) pendekatan kepusta-kaan

senyawa sintetis dan kombinatorial kimia,

dan (b) pendekatan kepustakaan natural

product dengan combinatorial biosynthetic

strategies [4]. Kimiawan dan

Biotechnologist mempunyai peranan yang

sangat besar dalam upaya penemuan obat

baru tersebut.. Hal ini juga sangat

potensial dalam menggiatkan perusahaan

farmasi untuk membuat antibioti baru.

KESIMPULAN

Pemanfaatan ilmu dasar Kimia dalam

kajian ilmiah, penelitian dan eksplorasi

bahan alam dipadu dengan pemanfaan

teknologi dan mikroorganisme dalam

bioteknologi sangat potensial untuk menga-

tasi permasalahan resistensi antibiotic.

Peran serta ahli kimia dan bioteknologi

dalam menemukan obat baru serta penggi-

atan perusahaan farmasi dalam membuat

antibioti baru sangat diperlukan. Dengan

du-kungan kebijakan pemerintah yang

kondusif diharapkan usaha ini mampu

membantu mengatasi permasalah

resistensi antibiotik.

DAFTAR RUJUKAN

[1] Scott, T and M. Eagleson. 1988. Concise encyclopedia biochemistry, 2nd ed. Walter deGruyter, Berlin.

[2] Vining, L.C. and C. Stuttard. 1995. Genetics and biochemistry of antibiotic production,Butterworth-Heinemann, Boston

[3] Strohl, W.R. 1997. Biotechnology of antibiotics, 2nd ed., reviced and expanded. Marcel Dekker, Inc., Ner York.;

[4] Walsh, C. 2003. Antibiotics: action, origins, resistance, ASM Press, Washington, DC.

[5] Nurani, N.A., 2013, Dunia Waspada Resistensi Bakteri pada Antibiotik. Online. http://health.okezone.com/read/ 2013/03/13/482/774970/dunia-waspa-da-resistensi-bakteri-pada-antibiotik]

[6] Utami, E.R., 2012. Antibiotika, Resis-tensi, dan Rasionalitas Terapi. Saintis, I, 124-138.

[7] Scholar, E.M. and Pratt, W.B., eds. 2000. Antimicrobial drugs, 2nd ed. Oxford University Press, New York.

[8] Schönbrunn, E., D.I. Svergun, N. Amrhen, and M.H.J. Koch. 1998. Studies on the conformational changes in the bacterial cell wall biosynthetic enzyme UDP-Nacetylglucosamine enol-pyruvyltransferase (MurA). Eur. J. Biochem. 253:406-412.

[9] Green, D.W. 2002. The bacterial cell wall as a source of antibacterial targets. Expert Opin. Ther. Targets 6:1-19.

[10] Rohrer, S., K. Ehlert, M. Tschierske, H. Labischinski, and B. Berger-Bachi. 1999. The essential Staphylococcus aureus gene fmhB is involved in the first step of peptidoglycan pentaglycine


interpeptide formation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96:9351-9356.

[11] Avison, M.B., P.M. Bennet, R.A. Howe, and T.R. Walsh. 2002. Preliminary analysis of thegenetic basis for vancomycin resistance in Staphyloco-ccus aureus strain Mu50.J. Antimicrob. Chemother. 49:255-260.

[12] Brock, T.D. and M.T. Madigan. 1991. Biology of Microorganisms, 6th ed. Prentice Hall,New Jersey.

[13] Madigan, M.T., J.M. Martinko, and J. Parker. 2000. Brock biology of microorganisms 9th ed., Prentice Hall International, Inc., New Jersey.

[14] Soemohardjo, S. 2009. Pemakaian Anti-biotik Rasional (Kuliah Untuk Maha-siswa Kedokteran Tingkat klinik). Online [[http://biomedikamataram.word press.com/2009/05/08/pemakaianantibiotik-rasional/]

[15] Hamilton-Miller, J.M. 2002. Vancom-ycin-resistant Staphylococcus aureus: a real and present danger ?. Infection 30:118-124.

[16] Tripathi, K. D. 2003. Antimicrobial drugs :general consideration. Essential of medical pharmacology. Fifth edition. Jaypee brothers medical publishers.

[17] Cetinkaya, Y., P. Falk, and C.G. Mayhall. 2000. Vancomycin-resistant Enterococci. Clin.Microbiol. Rev. 13: 686-707.

[18] Lowy, F.D. 2003. Antimicrobial resis-tance: the example of Staphylo-coccus aureus. J. Clin.cInvest. 111: 1265-1273

[19] Komatsuzawa, H., K. Ohta, S. Yamada, K. Ehlert, H. Labischinski, J. Kajimura, T. Fujiwara, and M. Sugai. 2002. Increased glycan chain length distribution and decreased susceptibility to moenomycin in a vancomycin-resistant Staphylococcus aureus mutant. Antimicrob. Agents Chemother. 46:75-81.

[20] Wink, J.M., R.M. Kroppenstedt, B.N. Ganguli, S.R. Nadkarni, P. Schumann, G. Seibert, and E. Stackebrandt. 2003. Three new antibiotic producing species of the genus Amycolatopsis, Amyco-latopsis balhimycina sp. nov., A. tolypomycina sp. nov., A. Vancores-mycina sp. nov., and description of Amycolatopsis keratiniphila subsp. keratiniphila subsp. nov. and A.

keratiniphila subsp. nogabecina subsp. nov. Syst. Appl. Microbiol. 26: 38-46.

[21] Nadkarni, S.R., M.V. Patel, S. Chatterjee, E.K.S. Vijayakumar, K.R. Desikan, J.Blumbach, B.N. Ganguli, and M. Limbert. 1994. Balhimycin, a new glycopeptide antibiotic produced by Amycolatopsis sp. Y-86,21022. Taxonomy, production, isolation and biological activity. J. Antibiot. 47:334-341.

[22] Pelzer, S., R. Süßmuth, D. Heckmann, J. Recktenwald, P. Huber, G. Jung, and W.Wohlleben. 1999. Identification and analysis of balhimycin biosynthetic gene cluster and its use for manipulating glycopeptide biosynthesis in Amycolatopsis mediterranei DSM5908. Antimicrob. Agents Chemother. 4:1565-1573.

[23] Süssmuth, R.D. and W. Wohlleben. 2004. The biosynthesis of glycopeptide antibiotics – a model for complex, non-ribosomally synthesized, peptidic secondary metabolites. Appl. Microbiol. Biotechnol. 63:344-350.

[24] Kirner, S., P.E. Hammer, D.S. Hill, A. Altmann, I. Fischer, L.J. Weislo, M. Lanahan, K.-H. van Pée, and J.M. Ligon. 1998. Functions encoded by pyrrolnitrin biosynthetic genes from Pseudomonas fluorescens. J. Bactriol. 180:1939-1943.

[25] Puk, O., P. Huber, D. Bischoff, J. Recktenwald, G. Jung, R.D. Süßmuth, K.-H. Van Pée, W. Wohlleben, and S. Pelzer. 2002. Glycopeptide biosyn-thesis in Amycolatopsis mediterranei DSM5908: functiuon of a halogenase and a haloperoxydase/ perhydrolase. Chem. Biol. 9:225-235.

[26] Mulyani S., E. Egel, C. Kittel, S. Turkanovic, W. Wohlleben, R. D. Süssmuth, K.-H. van Pée: The thioesterase Bhp is involved in the formation of ß-hydroxytyrosine during balhimycin biosynthesis in Amycolatopsis balhimycina ChemBioChem, vol 11, pp. 266-271.

[27] Mofid, M.R., R. Finking, and M. Marahiel. 2002. Recognition of hybrid peptidyl carrier protein/acyl carrier protein innon ribosomal peptide synthetase modules by the 4’-phosphopantetheinyl transferases AcpS and Sfp. J.Biol.Chem. 277:17023-17031


TANYA JAWAB :

Nama Penanya : Lausiani Dewi

Assaat

Nama Pemakalah : Sri Mulyani

Pertanyaan :

Sering terjadi tidak ada aturan dosis yang

jelas dalam pemberian antibiotik terutama

di Indonesia, bagaimana menyikapinya ?

Jawaban :

Kadang dokter dalam memberikan

diagnosis suatu penyakit seseorang sering

dengan cara coba-coba. Datang pertama

diberikan obat A, dan disuruh datang lagi

kalau dalam 3 hari tidak sembuh. Kemudian

dokter akan memberikan obat B, dengan

diagnosis berbeda. Penggunaan antibiotik

di masyarakat juga sering tidak tepat,

sehingga sering terjadi resitensi terhadap

antibiotika tertentu. Di negara maju, dokter

sangat berhati-hati memberikan antibiotik.

KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI DALAM RESISTENSI...

Documents

Transcript of KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI DALAM RESISTENSI...