Kuliah 2 FILOGENI MIKROBA

FARMASI FMIPA UHAMKA Click to edit Master subtitle style 2011

Priyo Wahyudi

FILOGENI MIKROBAa. b. c.

Dasar Klasifikasi Taksonomi Mikroba Identifikasi Mikroba

Filogeni Mikroba

Klasifikasi = pengelompokan Takson = kelompok atau Tingkat dari klasifikasi Taksonomi = pengelompokan mahluk hidup dalam tingkat-tingkat hirarkis dari yang tertinggi hingga terendah Nomenklatur = penamaan secara sistematik Penamaan Ilmiah = Binomial Nomenklatur Identifikasi = mencari persamaan (identik)

KLASIFIKASIApakahto edit Master Click klasifikasi itu ?

subtitle style

KLASIFIKASI

Adalah pengelompokan makhluk hidup berdasarkan persamaan persamaan ciri morfolologi & anatomi, cara hidup, tempat hidup, dan daerah penyebaran TUJUAN:

Mendeskripsikan ciri-ciri makhluk hidup untuk membedakan tiap-tiap jenis, agar mudah dikenal Mengelompokkan makhluk hidup berdasarkan persamaan ciri Mengetahui hubungan kekerabatan antar makhluk hidup Mempelajari evolusi makhluk hidup atas dasar kekerabatannya Untuk mempermudah dalam mempelajari organisme yang beraneka ragam Untuk melihat hubungan kekerabatan antar makhluk hidup yang satu dengan yang lain

MANFAAT:

Dasar-Dasar Klasifikasi

Berdasarkan Persamaan Berdasarkan Perbedaan Berdasarkan Manfaat Berdasarkan Ciri Morfologi dan Anatomi Berdasarkan Ciri Biokimia

Dasar Klasifikasi Mikroba1.

Morfologi

Mikroba pada umumnya sangat kecil : ukurannya dinyatakan dalam mikrometer (1 m = 0,001 mm) Ukurannya yang kecil menjadi dasar untuk pengklasifikasikan Sel terdiri dari berbagai bahan kimia. Bila sel mikroba diberi perlakuan kimiawi, maka sel ini memperlihatkan susunan kimiawi yang spesifik. Bakteri Gram negatif memiliki lipopolisakarida dalam dinding selnya, sedangkan bakteri Gram positif tidak. Sebaliknya pada banyak bakteri Gram positif terdapat asam teikoat. Bahan kimia ini tidak ditemukan pada Gram negatif. Dinding sel fungi dan algae berbeda dari bakteri. Pada kelompok virus, pembagian dilakukan berdasaran asam inti yang dikandung, apakah merupakan DNA atau RNA

2.

Sifat Kimiawi

Dasar Klasifikasi Mikroba3.

Sifat BiakanZat hara yang diperlukan oleh setiap mikroorganisme berbeda-beda, ada yang memerlukan senyawa kompleks (serum, darah), ada pula yang hanya memerlukan bahan anorganik saja atau bahan organik (asam amino, karbohidrat, purin, pirimidin, vitamin, koenzim). Selain itu beberapa mikroorganisme hanya dapat tumbuh pada sel hidup, berupa inang, telur, bertunas, biakan jaringan. Proses kehidupan dalam sel merupakan suatu rentetan reaksi kimiawi yang disebut metabolisme. Berbagai macam reaksi yang terjadi dalam metabolisme dapat digunakan untuk mencirikan mikroorganisme Bila mikroorganisme masuk kedalam tubuh, akan terbentuk antibodi yang mengikat antigen. Oleh karena mikroorganisme memiliki antigen yang berbeda, maka antibodi dapat digunakan untuk mencirikan (rapid indentification) terhadap mikroorganisme. Reaksi ini sangat sepesifik sehingga dapat disebut sebagai lock and key system.

3.

Sifat Metabolisme

4.

Sifat Antigenik

Dasar Klasifikasi Mikroba6.

Sifat Genetik

DNA kromosomal mikroorganisme memiliki bagian yang konstan dan spesifik bagi mikroorganisme tersebut sehingga dapat digunakan untuk pencirian mikroorganisme. Susunan basa DNA, untuk perbandingan di gunakan mol % G+C Mikroba dapat menimbulkan penyakit, kemampuannya untuk menimbulkan penyakit merupakan ciri khas mikroorganisme tersebut selain itu terdapat pula bakteri yang memakan bakteri lainnya (Bdellovibrio) dan virus (bakteriofag) yang menginfeksi dan menghancurkan bakteri. Habitat merupakan sifat yang mencirikan mikroorganisme. Mikroorganisme yang hidup di lautan berbeda dengan air tawar. Mikroorganisme yang terdapat dalam rongga mulut berbeda dengan saluran pencernaan.

7.

Patogenitas

8.

Sifat Ekologi

FILOGENI

FILOGENI

FILOGENI : Cabang ilmu Biologi yang mempelajari mengenai hubungan di antara kelompok-kelompok organisme yang dikaitkan dengan proses EVOLUSI yang mendasarinya Istilah Filogeni" berasal dari Bahasa Latin Phulon = ras , kelompok Genos = kelahiran, asal-usul FILOGENETIK : Studi sistematik mengenai hubungan kekerabatan antara organisme didasarkan pada kesamaan dan perbedaan EVOLUSI nya POHON FILOGENETIK : suatu diagram cabang (tree)yang menunjukkan hubungan evolusioner antara berbagai macam spesies didasarkan pada kesamaan dan perbedaan sifat fisik dan genetiknya

Early life of Earth

Planet Earth is approximately 4.6 billion years old. The first evidence for microbial life can be found in rocks about 3.86 billion years old. Stromatolites are fossilized microbial mats consisting of layers of filamentous prokaryotes and trapped sediment. By comparing ancient stromatolites with modern stromatolites, it has been concluded that filamentous phototrophic bacteria, perhaps relatives of the green nonsulfur bacterium Chloroflexus, formed ancient stromatolites. Early Earth was anoxic and much hotter than the present Earth. The first biochemical compounds were made by abiotic syntheses that set the stage for the origin of life.

Primitive Life: The RNA World and Molecular Coding

The first life forms may have been self-replicating RNAs (RNA life). These were both catalytic and informational. Eventually, DNA became the genetic repository of cells, and the three-part system DNA, RNA, and proteinbecame universal among cells

Evolusi Sel

Eukaryotes and Organelles: Endosymbiosis

The eukaryotic nucleus and mitotic apparatus probably arose as a necessity for ensuring the orderly partitioning of DNA in large-genome organisms. Mitochondria and chloroplasts, the principal energyproducing organelles of eukaryotes, arose from the symbiotic association of prokaryotes of the domain Bacteria within eukaryotic cells, a process called endosymbiosis (Figure 11.9).

Mitochondria arose from the Proteobacteria, a major group of Bacteria. Origin of the modern life

Assuming that an RNA world existed, self-replicating entities have populated Earth for over 4 billion years (Figure 11.10).

Click to edit Master subtitle style

Evolusi Jenis Sel

Endosymbiosis

Diperkirakan antara 5 - 100 juta species hidup di bumi saat ini Bukti morfologi, biokimia dan sekuens gen menunjukkan bahwa seluruh organisme di bumi berkerabat secara genetik Dari hubungan geneologik tersebut dapat dibuat Pohon Evolusi yang dikenal sebagai the Tree of Life. The Tree of Life merepresentasikan Filogeni dari mahluk hidup

Pohon Filogenetik Kehidupan Moderen

Phylogenetic Tree of Life as defined by rRNA sequencing

KRONOMETER MOLEKUL

KRONOMETER MOLEKULKronometer : penunjuk waktu yang akurat Kronometer Molekul: Molekul yang menunjukkan waktu evolusi dari suatu Sel Filogeni dipengaruhi oleh perubahan sekuens protein atau DNA dalam waktu evolusioner Diperlukan suatu Kronometer Molekul yang Ideal:1. 2. 3. 4.

Terdistribusi secara universal Fungsinya Homolog (Functionally homologous). Mudah dianalisis. Laju perubahan sekuens dapat merepresentasikan jarak waktu evolusionernya.

Small subunit rRNA

Bacteria (Mitochondria & Chloroplasts) 16S rRNA

Archaea 16S rRNA

Eucarya 18S rRNA

Kronometer Evolusi

Karakteristik Fenotip Perbandingan Guanine + Cytosine Similaritas sekuens DNA (gross sequence similarity)

Tepat untuk tingkat species

Small-subunit RNA (16S rRNA pada prokariot; 18S pada eukariot)

Taksonomi Fenotipik

Determinasi (pembedaan) berdasar fenotip merupakan metode taksonomi klasik Saat ini metode molekular lebih dipercaya (reliance) dalam taksonomi di atas tingkat genus

Namun, perbedaan fenotipik tetap menjadi pertimbangan yang diperlukan untuk memisahkan di tingkat spesies

Beberapa metode dapat dipakai untuk mendapatkan data fenotipik dalam jumlah besar dalam waktu singkat

FAME analysis (Fatty Acid Methyl Ester) setiap mikroba mempunyai profil FAME yang spesifik sehingga dapat dijadikan microbial fingerprinting

FAME MIS (microbial identification system)

Fatty acid methyl ester (FAME) analysis

Kisaran G+C contents

Hibridisasi DNA

16S rRNA Kronometer Evolusi

Evolusi Sekuens DNA

Jarak Evolusioner dan Perbaikan untuk Mutasi Balik atau Mutasi Berganda (back - or multiple mutations)

Pembuatan Pohon Evolusi

Molecular microbial Ecology

Signature sequences identify phylogenetic groups

16S & 18S sequences identify Bacteria, Archaea, and Eucarya

Probes can be developed for FISH (fluorescent in situ hybridization)

Community analysis by molecular methods

KLASIFIKASI MIKROBA

Sejarah Klasifikasi Mikroba

Klasifikasi Klasik hanya ada dua Kingdom yaitu tanaman (Plantae) dan hewan (Animalia). Mikroorganisme masuk ke dalam Plantae

Haeckel (1866) mengusulkan Kingdom baru utk mikroba. Dia menempatkan semua organisme uniselular (mikroskopik) dalam Kingdom baru yaitu "Protista", terpisah dari tanaman (Plantae) dan hewan (Animalia) yang merupakan organisme multiselular (makroskopik).

4141

Ernst Hckel 1834-1919

Sejarah Klasifikasi Mikroba

Perkembangan mikroskop elektron (1950) membagi Kingdom "Protista nya Haeckel menjadi 2: berdasar ada tidaknya membran nukleus. Mikroba yang tidak mempunyai membran inti dimasukkan dalam Kingdom ke-4 yaitu Monera atau disebut juga Procaryotae. Sementara Kingdom Protista remained masih tetap ada yang berisi mikroa uniselular eukariotik. Whittaker (1967) memperbaiki sistem dengan mengusulkan Kingdom ke-5 yaitu Fungi seagai kingdom bagi organisme eukariotik multiselular yang mengambil nutrisi dengan cara absorbsi.

4343

Taksonomi Whittaker

4444

Klasifikasi Whittaker

4545

Klasifikasi Mikroba Moderen

Woese (1980-an), mulai menganalisis filogenetik dari seluruh mahluk hidup berdasarkan perbandingan sekuens urutan DNA dari subunit kecil RNA ribosom (ssrRNA) yang terdapat dalam sel organisme. Dikotomi yang baru muncul pada Prokariot menjadi Bakteri dan Archae. Woese menyampaikan 3 Domain kehidupan (Pohon Kehidupan) yaitu: Eucarya, Bacteria and Archaea.

Konsep Kingdom dari Whittaker (Plantae, Animalia dan Fungi) atau semua organisme eukariotik multiselular pada akhirnya hanya menempati cabang yang kecil dari pohon kehidupan dan cabang-cabang kehidupan lainnya akan mengarah ke mikroorganisme, baik prokariot (Bacteria and Archaea), atau protista (unicellular algae and protozoa).

4646

Pohon Kehidupan Moderen

4747

4848

TAKSONOMI MIKROBA

Taksonomi adalah ilmu klasifikasi biologis Klasifikasi adalah penataan organisme ke dalam kelompokkelompok (taksa) Nomenklatur adalah pemberian nama untuk kelompok-kelompok taksonomi Identifikasi adalah penentuan isolat tertentu pada takson tertentu Sistematik adalah kajian ilmiah organisme dengan tujuan akhir untuk mengkarakterisasi dan menempatkan organisme dengan cara yang teratur. Taksonomi mikroba saat ini sedang memasuki perode perubahan besar yang disebabkan oleh penggunaan teknik molekuler Peranan taksonomi mikroba:

Memungkinkan ilmuwan mengorganisasikan sejumlah besar pengetahuaannya Memungkinkan ilmuwan membuat prediksi dan kerangka hipotesis tentang organisme Menempatkan organisme dalam kelompok-kelompok bermakna dengan memberi nama secara tepat, jadi akan mempermudah komunikasi ilmiah. Penting untuk identifikasi mikroorganisme secara tepat.

Taksonomi Mahluk Hidup

Hingga saat ini, di bumi terdapat 5 kingdoms:

Bacteria Fungi Protists Plants Animals

Konsep Kingdom kemudian sedikit demi sedikit ditinggalkan dan mengarah pada pendekatan molekuler yang mengelompokkan mahluk hidup kedalam 3 buah kelompok besar yang disebut sebagai Domain, yaitu Bacteria, Archaea, and Eukarya

Taxonomic Ranks

Domain Kingdom Phylum Class Ordo Family Genus Species (name is binomial: genus + epithet)

Klasifikasi Taksonomi

Kingdom Phylum Class Ordo Family Genus Species

Manusia Animalia Chordata Mammalia Primata Hominidae Homo Homo sapien

Kucing Animalia Chordata Mammalia Carnivora Felidae Felis Felis domestica

5454

Sistem Binomial

Penamaan Spesies mahluk hidup menggunakan Sistem Binomial yaitu terdiri atas nama Genus dan epiteton spesificum, contoh:

Homo sapien Felis domestica Escherichia coli

Nama Genus and Species selalu ditulis bergaris bawah (underlined) atau ditulis miring (italicized) Nama Genus selalu diawali dengan huruf besar Nama epiteton specificum tidak huruf besar

5555

Sistem Klasifikasi3 Domains

1978 Carl Woese

1. Bacteria

Prokariot unicellular dengan dinding sel mengandung peptidoglycan Prokariot unicellular, dinding sel tidak mengandung peptodoglycan Protista Fungi Plantae Animalia

2. Archaea

3. Eukarya

5656

Penamaan Mikroba

Menggunakan Sistem Binomial, terdiri atas nama Genus and epiteton specificum Informasi biasanya diberikan untuk :

1. menggambarkan suatu organisme 2. memberi Identitas habitat 3. penghargaan terhadap scientist atau researcher

5757

IDENTIFIKASI MIKROBAIDENTIFIKASI : Proses menentukan kelompok takson (taksonomi) dan posisi klasifikasi nya terhadap suatu spesimen berdasarkan kesamaan (identik) sifat-sifat fisik (morfologi, anatomi, organel atau koloni), biokimia maupun genetik. IDENTIFIKASI MIKROBA - IDENTIFIKASI BAKTERI - IDENTIFIKASI YEAST - IDENTIFIKASI MOLD - IDENTIFIKASI MUSHROOM

Taksonomi Bakteri

Spesies bakteri adalah unit dasar untuk taksonomi

Definition of any given species is subjective >70% sequence similarity of genome >98% sequence similarity of rRNA Each species is phenotypically distinct

Taksonomi Prokariot & DiversitasClassification, Nomenclature & Identification Phenetic & Numerical Classification Molecular Phylogenetic Approach

Note: No Kingdom

Click to edit Master subtitle style

Basics to Know

A grouping based on similar characters is called a taxon. Hierarchy of Prokaryote Taxa often omits Kingdom. Phylum often referred to as a Section. Bergeys Manual of Systematic Bacteriology

1st ed. (1989); mostly phenetic classification; 4 volumes 2nd ed. (2001-2003); mostly phylogenetic classification; 5 volumes

Species defined differently for prokaryotes (no sexual reproduction) = a collection of genetically unique populations with many stable characters distinctly different from other groups. Within a species there may be strains, populations characterized by minor variations in biochemical/ physiological properties (biovars), antigenic distinctions (serovars), shape (morphovars), or viral susceptibility (phage-typing).

Phenetic Characters: Very useful in identification!1) Ecological Characters 2) Genetic Characters

4) Physiological and Metabolic Characters

3) Morphological Characters

Phenetic IdentificationUse of dichotomous keys for bacteria

Phenetic IdentificationUse of multi-test kits and their databasesThe combination of positive results from an unknown is entered into a database of results form known bacteria. A computer model predicts the most probable match and level of certainty. Intended use is for clinical isolates.

api substrate utilization tests

Molecular Characters

Fatty acid profiles (FAME analysis) Proteins

Electrophoretic Mobility Immuno-Reactivity A.A. Sequence Data Nucleotide composition (G+C content Tm) Degree of Hybridization (>70% species) Nucleotide Sequence Data

Nucleic Acids

Tm G+CssDNA dsDNA

dsDNA

ssDNA

DNA-DNA Hybridization

May be performed in solution but most quantitative on solid substrate. Compare denatured genomic DNA fragments of one species to others: Bind one species DNA (non-radioactive) to nitrocellulose paper. Hybridize with other species radioactive labeled DNA fragments. Amount of radioactivity is relative to the amount of similarlity; i.e. degree of hybridization (100% for same species; e.g. N. meningitidis)

Dendrogram

Grafik cabang (pohon) yang menunjukkan analisis kluster Urutan yang berpasangan berdasarkan menurunnya nilai kesamaan (similarity value). Panjang garis horisontal merefleksikan % similarity. Percabatngan (Nodus) merepresentasikan titik % kesamaan dari ciri-ciri yang dapat dibedakan dengan organisme di bawahnya.

Bioinformatic s

Fig 15.6 Prescott

Computers are required to deal with massive data manipulations: Aligning & Editing sequences

Annotation-

ORP rRNA & tRNA Transposons Ori C

Phylogenetic Analysis between organisms.

e.g. Haemophilus influenzae