PENDAHULUAN

Bakteri memiliki kemampuan untuk bertahan hidup dan berkembang secara optimal pada suhu, tekanan, pH, salinitas dan parameter lingkungan lainnya dalam kisaran moderat. Namun, bakteri juga memiliki kemampuan untuk hidup pada lingkungan ekstrim. Bakteri ditemukan di sungai sangat asam Rio Tinto dan terkering Atacama Desert. Bakteri juga terdeteksi hidup di lingkungan pada suhu di bawah nol seperti Permafrost dan bahkan pada kedalaman 3.603 m di Danau Vostok, di bawah lapisan es glasial (Priscu dkk., 1999). Bakteri beradaptasi terhadap dinginnya es di kutub, dimana suhu hanya mencapai 28 C selama musim hangat. Semua adalah karena fleksibilitas mesin selular mereka yang memungkinkan mereka untuk mengatasi fluktuasi musim. Di sisi lain, beberapa bakteri berkembang benar-benar pada kondisi psychrophile, tidak dapat tumbuh pada suhu yang lebih tinggi. Psychrobacter ingrahamii ditemukan bertahan hidup dalam kolom es laut, dengan kisaran suhu -1,8 C sampai -30 C di Elson Lagoon, Pt. Barrow, Alaska (Breezee dkk., 2004). Keberadaan bakteri yang mampu beradaptasi terhadap suhu rendah tidak terbatas hanya di alam. Beberapa patogen makanan (misalnya Listeria monocytogenes) juga ditemukan mampu bertahan hidup di kompartemen makanan beku.Pertumbuhan dan metabolisme bakteri jelas terbatas pada suhu rendah karena fluiditas membran lebih rendah, afinitas enzim terhadap substrat berkurang, penurunan energi panas dan laju reaksi, dan peningkatan viskositas air. Adaptasi untuk melawan efek merugikan tersebut antara lain: meningkatkan lemak jenuh pada membran, meningkatkan konsentrasi enzim, dan mengekspresikan isozim dengan kegiatan optimal pada suhu rendah. Temperatur rendah juga meningkatkan penyerapan atau sintesis zat terlarut kompatibel, yang berfungsi untuk menetralisir tekanan osmotik dan menjaga tekanan turgor sel pada salinitas tinggi. Pada suhu cukup rendah yang memungkinkan terbentuknya es, sel-sel akan mengalami stres tambahan seperti gangguan mekanik, kerusakan oksidatif, dan ketidakseimbangan osmotik. Beberapa bakteri meningkatkan daya tahan untuk kelangsungan hidup mereka selama pembekuan dengan memproduksi protein yang mencegah pengkristalan. Pada ragi, resistensi terhadap pembekuan dikaitkan dengan ekspresi protein aquaporin, yang diperkirakan berfungsi untuk meningkatkan pengeluaran air dari sel dan mencegah pembentukan kristal es intraseluler.

MEKANISME TOLERANSI TERHADAP SUHU RENDAH

Beberapa dekade terakhir, investigasi yang luas di berbagai laboratorium menghasilkan dari sejumlah petunjuk dasar toleransi dingin pada bakteri (Chattopadhyay, 2006). Pada suhu rendah, bakteri ditantang dengan sejumlah keanehan yang disebabkan oleh penurunan laju reaksi biokimia yang mendukung kehidupannya. Penurunan fluiditas menghambat fungsi normal dari membran sel. Bakteri yang diisolasi dari lingkungan dingin yang ekstrim ditemukan dengan peningkatan rantai bercabang, rantai pendek, dan asam lemak tak jenuh. Bakteri juga mampu mensintesis lebih banyak asam lemak cis dalam preferensi ke asam lemak trans. Semua faktor ini diketahui berkontribusi terhadap peningkatan fluiditas membran. Peningkatan sintesis beberapa karotenoid polar memainkan peran penting dalam adaptasi fluiditas membran (Chattopadhyay dan Jagannadham, 2001). Penyesuaian terhadap penurunan entalpi, pengurangan gerakan atom dan molekul pada suhu rendah, protein adaptasi terhadap dingin mencapai fleksibilitas konformasi melalui pengurangan kekuatan dan jumlah interaksi non-kovalen, seperti ikatan hidrofobik. Hal ini akan menstabilkan konformasi pelipatan dan aktivitas biologis. Secara umum kelebihan produksi protein kejut panas (Gro EL/ES) menyebabkan penurunan kemampuan E. coli untuk bertahan hidup pada suhu rendah. Di sisi lain, adaptasi dari organisme yang sama untuk suhu rendah dikaitkan dengan penekanan sintesis protein kejut panas dan peningkatan produksi protein kejut dingin sebagai faktor pemicu, yang memberikan kontribusi untuk meningkatkan kelangsungan hidup organisme pada suhu rendah (Kandror dan Goldberg, 1997). Namun, beberapa protein kejut panas (CLP B, HTP G) menjadi sangat penting bagi Cyanobacterium synechococcus PCC 7942 sehingga dapat toleran terhadap panas dan kekeringan.Induksi DNA K/Dna J setelah perlakuan panas berhubungan secara signifikan dalam meningkatkan kelangsungan hidup E. coli pada kondisi penyimpanan beku (Chattopadhyay, 2008). Modifikasi tingkat tinggi pasca-transkripsi t-RNA oleh dihydrouridine juga memiliki peran utama pada psychrophile. Bakteri Psychrophile juga ditemukan memiliki lebih sedikit pasangan basa kurang stabil (A-U) dibandingkan dengan pasangan basa lebih stabil (G-C) (Feller, 2007; Cipolla dkk, 2011.). Sensitivitas terhadap perubahan suhu lingkungan merupakan persyaratan penting untuk dapat beradaptasi dengan lingkungan dingin. Peran protein membran dan lipopolisakarida dalam penginderaan perubahan suhu lingkungan telah diperlihatkan pada bakteri antartika Pseudomonas syringae (Ray dkk., 1998).

Penginderaan SuhuBakteri Pseudomonas syringae Antartika melakukan fosforilasi dan defosforilasi protein membran dalam menanggapi naik turunnya suhu, hal ini berlangsung baik secara in vitro maupun in vivo. Protein membran terfosforilasi akibat diinduksi oleh fosforilasi terhadap protein sitosol pada residu tirosin oleh tirosin kinase. Beberapa penelitian, memperlihatkan bahwa aktivitas ini berlangsung akibat adanya keterlibatan ribosom. Histidin kinase, juga dikenal sebagai bagian penting sensitifitas cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 terhadap suhu rendnah (Suzuki dkk., 2001).

Enzim StrukturalEnzim mengkatalisis ratusan reaksi kimia dalam sel dan penting untuk pemeliharaan kehidupan. Oleh karena itu adaptasi sel pada suhu rendah membutuhkan kehadiran enzim intraseluler yang aktif pada suhu rendah. Beberapa enzim yang aktif pada suhu rendah telah dilaporkan berhasil diisolasi dan dikarakterisasi adalah RNA polimerase (Uma dkk., 1999), ribonuklease (Reddy dkk., 1994) dan alkaline phosphatase (Chattopadhyay dkk., 1995), semua enzim tersebut diisolasi dari dari strain bakteri Antartika berbeda. Enzim lainnya yang berhasil diisolasi dari bakteri toleran dingin adalah protein-tirosin fosfatase (Tsuruta dkk., 2004), -amilase dan -galaktosidase (Groudieva dkk., 2004) dan aminopeptidase (Huston dkk., 2004).Secara umum, stabilitas termal enzim dikaitkan dengan kekakuan struktural, yang membatasi interaksi antara enzim dan substratnya. Oleh karena itu enzim termofilik adalah katalis miskin pada suhu kamar. Sebaliknya, kemampuan adaptasi dingin membutuhkan fleksibilitas struktural, yang membentuk komplemen dengan energi rendah (Gerday dkk., 2000). Perbandingan komposisi asam amino dari dua enzim yang masing-masing berasal dari bakteri psychrophile dan mesophile telah memberikan beberapa petunjuk struktur dasar enzim toleran dingin. Kriteria untuk enzim toleran dingin, sebagaimana terlihat dari perbandingan berikut: sedikit residu prolines atau arginines, rasio yang lebih rendah dari arginin dibandingkan arginin ditambah lisin, penurunan residu hidrofobik ditambah dengan peningkatan residu polar dan penurunan jumlah ikatan disulfida (D'Amico dkk., 2002). Namun penelitian sebelumnya, mengungkapkan bahwa distribusi ikatan hidrogen, pasangan ion dan komposisi asam amino tidak berbeda secara signifikan antara protein mesofilik dan termofilik. Dengan demikian jelaslah bahwa komposisi asam amino dan perbandingan struktur kasar tidak selalu membantu dalam generalisasi dasar adaptasi struktural dari enzim pada ekstremitas suhu yang berbeda (Wintrode dkk., 2000; Zartler dkk., 2001).

Pemeliharaan Fluiditas Membran1. Peran asam lemak Dengan penurunan suhu lingkungan, sejumlah perubahan terjadi pada asam lemak membran sel bakteri untuk mempertahankan fluiditas optimal. Konversi asam lemak jenuh menjadi asam lemak tak jenuh oleh enzim desaturase, diinduksi pada suhu rendah dan sintesis preferensi asam lemak rantai pendek, asam lemak rantai bercabang dan asam lemak anteiso menjadi asam lemak rantai panjang, asam lemak rantai lurus. Peningkatan sintesis asam lemak tak jenuh pada suhu yang lebih rendah pada bakteri Gram-positif, yaitu. Micrococcus roseus dan bakteri Gram-negatif, yaitu. Sphingobacterium antarcticus (Chattopadhyay dan Jagannadham 2001), yang terisolasi dari tanah Antartika, juga telah diamati. Peran penting dari desaturase dalam pertumbuhan cyanobacterial Antartika pada suhu rendah juga diperlihatkan (Chintalapati dkk., 2004). Konversi asam lemak cis menjadi asam lemak trans oleh enzim cis-trans isomerase, diyakini memfasilitasi kelangsungan hidup bakteri pada suhu yang lebih tinggi, karena asam lemak trans yang dikenal untuk berkontribusi dalam penurunan fluiditas membran. Pada strain P. syringae Antartika, penurunan fluiditas membran bersamaan dengan peningkatan sejumlah asam lemak jenuh dan asam lemak trans tak jenuh. Pada suhu rendah, sel memperoleh asam lemak yang diperlukan untuk pemeliharaan fluiditas membran tidak hanya melalui jalur anabolik tetapi juga dengan memanfaatkan katabolisme.

2. Peran carotenoidsBeberapa karotenoid polar dan nonpolar, disintesis oleh strain Micrococcus roseus dan Sphingobacterium antarcticus. Selama fraksinasi komponen subselular bakteri Antartika, oleh karena itu karotenoid diyakini berperan dalam regulasi fluiditas membran. Pigmen karotenoid dari setiap organisme ditemukan mengikat vesikel, membuat sintetis keduanya dan lipid alami , dan memperkaku membran.

3. Peran protein kejut panas Heat shock protein (HSPs) adalah kelompok protein ubiquitous, yang diyakini melindungi organisme dari stres termal. Beberapa HSPs muncul untuk membantu kelangsungan hidup dan pertumbuhan bakteri, termasuk pada suhu rendah. Tingginya tingkat kematian yang terjadi pada sampel E. coli pada penyimpanan pada -80 C selama 24 jam bisa dikurangi secara substansial dengan memanaskan suspensi sel pada 42 C selama 30 menit sebelum penyimpanan dingin. Hal ini memperlihatkan adanya sintesis induktif HSPs pada sampel yang dipanaskan (Chow dan Tung, 1998).Diketahui juga bahwa beberapa molekul chaperone (Hsc B, Hsc 25, faktor pemicu) yang disebabkan oleh penurunan suhu lingkungan (Yamanaka 1999; Kawahara dkk., 2000 ). Meskipun Hsc 66 adalah homolog dari protein heat shock HSP 70, protein ini disintesis pada E. coli karena adanya induksi oleh kejut dingin bukan oleh kejut panas (Lelivelt dan Kawula 1995). Jadi HSPs tampaknya memainkan peran penting dalam adaptasi bakteri terhadap dingin. Hal ini tidak mengherankan karena HSPs diinduksi juga oleh berbagai kondisi stres selain peningkatan suhu. Pada umumnya HSPs adalah molekul chaperone, yang berperan dalam menstabilkan pelipatan protein selular selama kondisi stres. Mereka juga membantu pelipatan protein yang gagal melipat dan melarutkan agregat protein. Semua fungsi ini disesuaikan untuk aktivitas baik selama berhadapan dengan stress panas atau dingin.

4. Peran protein kejut dinginPenurunan suhu dari 37 C sampai 10 C terhadap E. coli mesofilik, menyebabkan sintesis sebagian besar protein seluler ditekan untuk jangka 4-5 jam selama fase lag. Diantara 30-40 protein, yang dapat dideteksi selama periode ini dengan gel elektroforesis dua dimensi, terdapat beberapa protein induksi transien yang disebut protein kejut dingin (CSP). Protein stres ini ditemukan baik pada bakteri mesofilik maupun psychrofilic. Protein kelas kedua yang disebut protein aklimasi dingin (Caps), ditemukan diproduksi secara eksklusif pada bakteri psychrofilik. Protein ini diekspresikan selama pertumbuhan bakteri toleran dingin pada suhu rendah. Sejauh ini CSP yang teridentifikasi pada E. coli adalah termasuk protein histon, subunit dari DNA girase, RNA binding protein, faktor transkripsi (Nus A), Hsc 66, faktor pemicu, beberapa acyl lipid dan -glutamyltranspeptidase. Pada umumnya CSP, CspA , berperan sebagai activator transkripsi atau sebagai pendamping m-RNA. CSP diyakini memfasilitasi transkripsi dan translasi pada suhu rendah pada bakteri mesofilik. Namun, peran yang tepat CSP pada adaptasi dingin bakteri psychrofilik belum dapat dijelaskan.

5. Peran RNA degradosomeDegradosome adalah kompleks protein, yang merupakan faktor penentu utama untuk stabilitas RNA seluler. Degradosome mengandung beberapa ribonucleases. Degradosome dari bakteri P. syringae Antartika sama seperti yang terdapat pada E. coli, dimana sama-sama ditemukan mengandung RNase E endoribonuklease dan RNA helikase. Selanjutnya exoribonuclease ditemukan di E. coli dan exoribonuclease pada degradosome bakteri Antartika berbeda, dimana pada bakteri Antartika dikenal dengan nama RNase R. Pada E. coli, enzim ini dikenal memainkan peranan penting dalam menjamin kontrol kualitas dari rRNA. Pentingnya asosiasi enzim ini dengan RNase E pada bakteri Antartika belum diketahui secara pasti. Tapi diyakini bahwa RNase R dapat menurunkan RNA dengan struktur sekunder ekstensif. Sehingga dengan berkurangnya ATP yang dibutuhkan oleh helikase, mungkin membantu sel dalam konservasi energi pada suhu rendah (Purusharth dkk., 2005).

6. Peran protein antibekuPeran protein antibeku (AFP) sebelumnya diketahui berperan dalam mencegah pembekuan darah ikan di lingkungan suhu rendah. Selain itu, juga ditemukan dua jenis AFP pada serangga dan enam jenis AFP pada tanaman yang berbeda. Dalam menghindari pembekuan (pada ikan), AFP berperan mempromosikan pendinginan cairan tubuh pada suhu di bawah nol yang dikenal dengan istilah thermal hysteresis (TH). Pada organisme lain seperti beberapa tanaman dan serangga, AFP berperan menghambat rekristalisasi kristal es ekstraseluler. Peran AFP dalam adaptasi bakteri terhadap dingin mulai menjadi perhatian. Kehadiran protein thermal hysteresis pada bakteri ditunjukkan pertama kalinya oleh Duman dan Olsen (1993) dan strain Moraxella sp. adalah contoh pertama dari sebuah bakteri Antartika yang ditemukan menghasilkan AFP (Yamashita dkk., 2002). Demonstrasi AFP pada 11 isolat bakteri yang diperoleh dari beberapa danau Antartika menunjukkan pentingnya AFP untuk kelangsungan hidup bakteri dalam lingkungan dingin yang ekstrim.Sebagian besar AFP bakteri yang diketahui sejauh ini memiliki nilai TH jauh lebih rendah dibandingkan dengan AFP yang terisolasi dari hewan. Strategi ini diadopsi oleh bakteri, yang membuat bakteri mampu beradaptasi pada suhu rendah, toleran terhadap pembekuan dan bahkan dapat terhidar dari pembekuan. Laporan Gilbert dkk. (2005) menyajikan bukti pertama dari strategi anti beku pada bakteri. AFP menunjukkan thermal hysteresis hiperaktif. Tidak seperti banyak AFP bakteri lainnya, yang ditemukan dikeluarkan ke luar dari sel, aktivitas AFP dalam kasus ini ditemukan terdapat hanya dalam supernatan dari sel yang lisis. Oleh karena itu para peneliti menduga bahwa protein tersebut mungkin terdapat di ruang periplasmik.

KESIMPULAN

Bakteri memiliki kemampuan untuk bertahan hidup dan berkembang secara optimal pada suhu, tekanan, pH, salinitas dan parameter lingkungan lainnya dalam kisaran moderat. Namun, bakteri juga memiliki kemampuan untuk hidup pada lingkungan ekstrim seperti pada lingkungan yang dingin di kutub. Bakteri beradaptasi terhadap dinginnya es di kutub, oleh fleksibilitas mesin selular mereka yang memungkinkan mereka untuk mengatasi fluktuasi musim.

DAFTAR PUSTAKA

Breezee J, Cady N dan Staley JT. 2004. Subfreezing growth of the sea ice bacterium Psychromonas ingrahamii. Microb. Ecol. 47: 300304.Chattopadhyay MK dan Jagannadham MV. 2001. Maintenance of membrane fluidity in Antarctic bacteria. Polar Biol. 24: 386388.Chattopadhyay MK. 2006. Mechanism of bacterial adaptation to low temperature. J. Biosci. 31: 157165.Chattopadhyay MK. 2008. Cryotolerance in bacteria : Interlink with adaptation to other stress factors. Trends Microbiol. 16: 455.Cipolla A, DAmico S, Barumandzadeh R, Matagne A dan Feller G. 2011. Stepwise adaptations to low temperature as revealed by multiple mutants of psychrophilic -amylase from Antarctic bacterium. J. Biol. Chem. 286: 3834838355.DAmico S, Claverie P, Collins T, Georlette D, Gratia E, Hoyoux A, Meuwis M-A, Feller G dan Gerday C. 2002. Molecular basis of cold adaptation; Philos. Trans. R. Soc. London B Biol. Sci.357: 917925.Feller G .2007. Life at low temperature: is disorder the driving force?. Extremophiles 11: 211216. Kandror O dan Goldberg AI. 1997. Trigger factor is induced upon cold shock and enhances viability of Escherichia coli at low temperature. Proc. Natl. Acad. Sci. 94: 49784981.Priscu JC, Adams EE, Lyons WB, Voytek MA, Mogk DW, Brown RL, McKay CP, Takacs CD. 1999. Geomicrobiology of subglacial ice above Lake Vostok, Antarctica. Science 286: 21412144.Ray MK, Kumar GS, Janiyani K, Kannan K, Jagtap P, Basu MK dan Shivaji S. 1998. Adaptation to low temperature and regulation of gene expression in Antarctic psychrotrophic bacteria. J. Biosci. 23: 423435.Suzuki L, Kanesaki Y, Mikami K, Kanehisa M dan Murata N. 2001. Cold-regulated genes under control of the cold sensor Hik 33 in Synechocystis; Mol. Microbiol. 40: 235244. Tsuruta H, Tamura J, Yamagata H dan Aizono Y. 2004. Specification of amino acid residues essential for the catalytic reaction of cold-active protein-tyrosine phosphatase of a psychrophile, Shewanella sp.; Biosci. Biotechnol. Biochem. 68: 440443.Uma S, Jadhav RS, Kumar GS, Shivaji S dan Ray MK. 1999. A RNA polymerase with transcriptional activity at 0C from the Ant-arctic bacterium Pseudomonas syringae. FEBS Lett. 453: 313317.Yamashita Y, Nakamura N, Omiya K, Nishikawa J, Kawahara H dan Obata H. 2002. Identification of an antifreeze lipoprotein from Moraxella sp. of Antarctic origin; Biosci. Biotechnol. Biochem. 66: 239247.

METABOLISME BAKTERI PADA SUHU RENDAH

IDA RASYIDAHREGULER A

PROGRAM STUDI MAGISTER PENDIDIKAN BIOLOGIPROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SYIAH KUALA2014