1

Mencari Biokatalis Baru dari Mikroba Laut Melalui Pendekatan Metagenomik

Oleh :

Robi Binur (21110003)

PS. Bioteknologi SITH-ITB

Pendahuluan

Air laut menutupi sekitar 71% (361 juta km2) dari luas bumi dengan jumlah organisme penghuni

terbanyak adalah mikroba (Karl 2007 dalam Sleator et al. 2008). Setiap satu mililiter air laut mengandung 10

ribu sampai 1 juta mikroba (Kennedy et al. 2008) dan totalnya diperkirakan mencapai 4–6 x 1030 (Sleator et al.

2008). Mikroba laut mempunyai keragaman yang sangat tinggi dan berkembang selama proses evolusi adaftasi

fisiologinya, di bawah pengaruh kondisi ekologis yang beragam dan tekanan lingkungan (Weiland et al. 2010).

Sehingga, mereka memiliki metabolik yang komplek dan kemungkinan karateristik fisiologi baru yang sedikit

sekali diketahui, hal ini menjadikan mikroba laut sebagai sumber yang kaya akan biokatalis (enzim) dan gen baru

(Weiland et al. 2010; Kennedy et al. 2008).

Mikroba laut salah satu sumber yang sangat baik dalam penemuan biokatalis baru (novel biocatalysts)

(Kennedy et al. 2008). Lingkungan laut banyak memiliki daerah-daerah yang ekstrim yang dihuni oleh berbagai

mikroba yang ekstrim juga, misalnya di laut dalam, daerah yang sangat dingin (antartika), dan hidrothermal di

bawah laut. Mikroba-mikroba ini menjadi target utama dalam penemuan sumber enzim baru, karena diyakini

banyak memiliki biokatalis (enzim) yang spesifik yang bisa dimanfaatkan. Lebih dari 99% mikroba tidak bisa

dikultur (unculturable) dengan metode konvensional, sehingga perlu adanya metode lain melalui pendekatan

genomnya yaitu dengan metagenomik (Kennedy et al. 2008; Sleator et al. 2008). Metagenomik adalah suatu

metode isolasi DNA mikroba secara langsung dari lingkungannya dengan cara membuat perpustakaan gennya

(gen libraries), diikuti dengan menganalisis informasi genetika yang terkandung didalamnya (Riesenfeld et al.

2004).

Metode Metagenomik

Untuk mencari biokaltalis baru dari mikroba laut dengan pendekatan metagenomik, secara umum ada

empat tahap yang harus dilakukan, yaitu: (1) konstruksi perpustakaan metagenomik (pengumpulan gen-gen dari

mikroba laut), (2) penapisan perpustakaan metagenomik (penyeleksian gen-gen penyandi enzim-enzim

tertentu), (3) analisis urutan gen (analisis urutan asam aminonya), dan (4) ekspresi gen.

Konstruksi perpustakaan metagenomik bertujuan untuk mengumpulkan gen-gen dari mikroba laut yang

menyandi suatu enzim tertentu. Ada tiga metode yang bisa dilakukan, yaitu (1) kloning gen secara acak (shotgun

cloning), (2) menggunakan mesin PCR, dan (3) gabungan kedua metode tersebut (kloning gen secara acak dan

PCR). Dari ketiga metode tersebut, kloning gen secara acak paling umum digunakan. Metode ini diawali dengan

isolasi DNA dari mikroba laut. Kemudian DNA yang diperoleh dipotong dengan enzim endonuklease restriksi.

Potongan-potongan DNA yang dihasilkan disisipkan atau digabungkan pada DNA plasmid. Klon-klon yang

diperoleh selanjutnya dimasukkan ke dalam bakteri Escherichia coli, melalui teknik transformasi. Hasil

transformasi tersebut dikenal dengan nama perpustakaan metagenomik (Handelsman, 2004).

Penapisan perpustakaan metagenomik bertujuan untuk menyeleksi ge-gen yang menyandi enzim

tertentu. Ada dua pendekatan yang bisa dilakukan, yaitu: (1) melalui deteksi produk enzim yang dihasilkan, dan

(2) deteksi enzim melalui hibridisasi in situ. Penapisan produk enzim, dapat dilakukan dengan beberapa metode,

antara lain: (1) uji degradasi substrat (substrate degradation-based assay), (2) uji berdasarkan pendaran warna

(chromogenic and fluorogenic assay), dan (3) uji imunologi yang melibatkan penggunaan cat-ELISA kompetitif. Jika

enzim tidak dapat diekspresikan, maka penapisan perpustakaan metagenomik dapat dilakukan dengan

pendekatan hibridisasi in-situ. Contoh aplikasi pendekatan ini adalah deteksi multienzime poliketide sintase

(PKS) (Ginolhac et al. 2004 dalam Uria AR et al. 2005).

Analisis urutan gen bertujuan untuk menganalisis urutan asam amino dari enzim yang diperoleh melalui

pendekatan bioinformatika. Kemudian urutan asam amino tersebut diolah dengan program BLAST untuk

2

mencari enzim-enzim homolog di data GenBank (http://www.ncbi.nlm.gov) atau sumber data lainnya, seperti

SwissProt dan PDB (Protein Data Bank). Kemudian dengan bantuan program Clustal W atau X, urutan asam

amino dari enzim yang diperoleh dapat dibandingkan dengan enzim-enzim homolognya. Jika hasil analisis

menunjukkan bahwa DNA sisipan tersebut menyandi enzim yang sifat-sifatnya berbeda dengan protein-protein

di GenBank atau sumber data lainnya, maka kemungkinan besar bahwa enzim itu merupakan suatu enzim baru

yang belum dilaporkan sebelumnya (Uria AR et al. 2005).

Produk Biokatalis dari Mikroba Laut

Beberapa biokatalis (enzim) yang berhasil diisolasi dari mikroba laut melalui pendekatan metagenomik

yaitu:

Tabel 1. Biokatalis (enzim) dari mikroba laut (Kennedy et al. 2008)

Biokatalis dari mikroba laut berhasil diisolasi dari beberapa habitat, yaitu dari sediment (laut dalam,

daerah antartika, vent), air (antartika, daerah sub-tropis), dan biota laut (ikan, karang, spongs, bulu babi).

Biokatalis terbaru berhasil di isolasi dari bakteri sedimen laut Baltik yaitu lipase (Hardeman F & Sjoling 2006).

Penelitan ini berhasil mendapatkan 47000 klon dengan penyisipan 24-39 kb kedalam vektor fosmid (pCC1FOS).

Lipase (triacylglycerol acylhydrolases) merupakan salah satu kelompok enzim yang banyak digunakan dalam

berbagai tujuan bioteknologi. Sebagai biokatalis, lipase mampu memproduksi asam lemak bebas, gliserol,

berbagai ester, sebagian gliserida, dan lemak yang dimodifikasi atau diesterifikasi dari substrat yang murah,

seperti minyak kelapa sawit. Produk-produk tersebut secara luas digunakan dalam industri farmasi, kimia dan

makanan (Jeager et al. 1999).

Dari laut Cina Selatan juga berhasil diidentifikasi dua Esterase baru yang diisolasi dari sampel air

permukaan. Pada penelitian ini, dua gen esterase yang ditemukan dinamakan dengan nama estA dan estB, yang

berturut-turut memiliki peptida asam amino 277 dan 328. Produk ini diisolasi dari pustaka metagenom mikroba

laut P. haloplanktis melalui skrening fungsional. EstA menunjukkan karakteristik habitat spesifik yang tinggi dari

kehadiran beragam kation divalen pada konsentrasi NaCl tinggi. Sedangkan EstB menunjukkan karakteristik

3

menyerang p-nitrophenyl esters dan memiliki kestabilan tinggi pada metanol 30%, etanol, dimetilformamida, dan

dimetil sulfoksida. Karena karakteristik tersebut, EstB menjadi kandidat potensial untuk berbagai aplikasi

industri. Secara umum Esterase diketahui memiliki nilai komersial yang potensial dalam industri biotransformasi

(Chu x et al. 2008).

Biokatalis baru juga diisolasi dari mikroba yang berasosiasi dengan biota-biota laut seperti ikan, karang,

spongs, dan bulu babi (sea urchin). Salah satu biokatalis baru yang berhasil diisolasi antara lain Alanine

dehydrogenase yang berasal dari mikroba Psychrophilic strain PA-43 yang berasosiasi dengan bulu babi dan

Catalase dari mikroba Vibrio salmonicida yang berasosiasi dengan ikan. Biota laut penting yang saat ini banyak

dieksplorasi peneliti untuk pustaka metagenom adalah spongs. Spongs diketahui memiliki peranan penting

sebagai inang untuk beragam komunitas mikroba, dari jamur dan protista uniseluler sampai berbagai macam

bakteri dan arkea. Metagenom komunitas mikroba spongs telah menunjukkan adanya gen dan kelompok gen

untuk biosintesis biokatalis tertentu (Kennedy et al. 2007). Selain spongs, juga dieksplorasi beberapa jenis

karang misalnya Porites astreoides dan lain-lain (Wegley et al. 2007).

Kesimpulan

Lingkungan laut dihuni oleh berbagai jenis mikroba laut yang memiliki sifat fisiologis yang unik yang belum

banyak terungkap, sehingga perlu dieksplorasi untuk menghasilkan berbagai biokatalis baru yang bermanfaat bagi

manusia. Metode yang terbaik saat ini untuk mencari sumber-sumber biokatalis baru dari mikroba laut adalah

melalui pendekatan genomnya yaitu metagenomik. Metagenomik adalah suatu metode isolasi DNA mikroba

secara langsung dari lingkungannya dengan cara membuat perpustakaan gennya (gen libraries), diikuti dengan

menganalisis informasi genetika yang terkandung didalamnya. Salah satu keunggulan metode ini adalah isolasi

mikroba tanpa perlu mengkulturnya. Ada empat tahapan yang harus dilakukan, yaitu: (1) konstruksi

perpustakaan metagenomik, (2) penapisan perpustakaan metagenomik, (3) analisis urutan gen, dan (4) ekspresi

gen. Dengan metode ini, sekitar 32 biokatalis (enzim) baru telah berhasil diisolasi dari mikroba laut dan akan

terus bertambah jika ada penelitian-penelitian lebih lanjut.

Referensi

Chu X, He H, Guo C, and Sun B. 2008. Identification of Two Novel Esterase from A Marine Metagenomic

Library Derived from South China Sea. App Microbiol Biotechnol 615-625

Handelsman J. 2004. Metagenomics: Application of Genomics to Uncultured Microorganisms. Microbiol. Mol.

Biol. Rev. 68(4):669-685

Hardeman F and Sjoling S. 2006. Metagenomic Approach for The Isolation of A Novel Low Temperature-

Active Lipase from Uncultured Bacteria of Marine Sediment. FEMS Microbiol Ecol 59:524–534

Jaeger KE, Dijkstra BW, and Reetz MT. 1999. Bacterial Biocatalysts: Molecular Biology, Three Dimensional

Structures, Biotechnological Applications of Lipases. Annu Rev Microbiol 53: 315–351

Kennedy J, Marchesi JR, and Dobson ADW. 2008. Marine Metagenomics: Strategies for the Discovery of Novel

Enzymes with Biotechnological Applications from Marine Environments. Microbial Cell Factories 7:27

Kennedy J, Marchesi JR, and Dobson ADW. 2007. Metagenomic Approaches to Exploit The Biotechnological

Potential of The Microbial Consortia of Marine Sponges. Appl Microbiol Biotechnol 11-20

Riesenfeld CS, Schloss PD, and Handelsman J. 2004. Metagenomics: Genomic Analysis of Microbial

Communities. Annu. Rev. Genet. 38:525–52

Uria AR, Fawzya YN, dan Chasanah E. 2005. Eksplorasi Enzim Mikroba dari Lingkungang Laut Melalui

Pendekatan Metagenomika. WPPI 11(7):17-24

Sleator RD, Shortall C, and Hill C. 2008. Metagenomics. Applied Microbiology 361–366

Weiland N, Loscher C, Metzger R, and Schmitz R. 2010. Chapter 3: Construction and Screening of Marine

Metagenomic Libraries in Metagenomics Methods and Protocols. Edited by Wolfgang R. Streit and Rolf

Daniel. Humana Press

Wegley L, Edwards R, Rodriguez-Brito B, Liu H, and Rohwer F. 2007. Metagenomic Analysis of The Microbial

Community Associated with The Coral Porites astreoides. Environmental Microbiology 9(11): 2707–2719