produksi metabolit sekunder

8/19/2019 Produksi Metabolit Sekunder

1/16

PRODUKSI METABOLIT SEKUNDER

DENGAN KULTUR JARINGAN TUMBUHAN

SEKALA BESAR

A. Pendahuluan

Bila ditinjau sejarah perkembangan rancang bagun bioreaktor maka upaya

untuk memproduksi metabolit sekunder dengan sekala besar telah dimulai oleh

NickelI pada tahun 1956. Kemudian upaya tersebut diteruskan oleh Nickell dan

Tulecke pada tahun 1959. Adapun tujuannya adalah memproduksi biomassa yang

mengandung senyawa kimia bernilai ekonomi tinggi, dengan cepat dan berhasil

guna secara besar-besaran atau dalam sekala industri. Hal tersebut dapat dicapai

dengan jalan yang panjang, yang pada prinsipnya proses yang dilakukan dapat

dipertanggungjawabkan dari segi ekonomi (Scragg dan Fowler. 1985).

B. Prioritas Persoalan Produksi Bersekala Besar

Ada enam persoalan besar yang saling berkaitan yang harus ditanggulangi

sebelum menerapkan produksi metabolit sekala besar, yaitu (a) pengendalian

organisasi sel, diferensiasi serta pembentukan produk, (b) ketidakmantapan sel, (c)

karakteristik pertumbuhan sel, (d) penggumpalan sel dan pengaruhnya terhadap

perpindahan massa, (e) kesukaran dalam pembebasan produk, isolasi, dan

permurnian, dan (f) ketahanan sel yang rendah terhadap gesekan.

1. Pengendalian organisasi sel, diferensiasi dan pembentukan produk

Perubahan komposisi media dan lingkungan sel akan mengubah hasil

produk dan kecepatan pertumbuhan sel. Korelasi antara besamya hasil dan

kecepatan tumbuhan dapat positif maupun negatif. Dapat pula ditambahkan bahwa

perubahan komposisi media dan lingkungan akan mengakibatkan perubahan dalam

penggumpalan sel. Pada umumnya diferensiasi diperlukan untuk pembentukan

produk dan bahwa tingginya kecepatan tumbuh dan tingginya biosintesis produk

merupakan hal yang sangat didambakan. Sebagai contoh, kasus adalah bahwa

kultur set unggul Catharanthus roseus dapat menghasilkan alkaloid (ajmalisina dan

BAB

II


2/16

serpentina) lebih tinggi daripada tanaman aseli atau sel yang telah terdiferensiasi.

Seleksi yang cermat terhadap galur atau varietas pada tumbuhan tertentu juga akan

menghasilkan produk yang tinggi walaupun seringkali terjadi penurunan

produktivitasnya (Dougall,1985), bila hal tersebut bertangsung dalam jangka waktu

lama. Jaringan atau sel ini tidak pertu melakukan fotosintesis dan sumber karbon

dari luar harus diberikan, misalnya sukrosa atau glukosa. Karena pengaruh

pencahayaan sering dijumpai sel-sel bewama hijau, mungkin berfungsi menimbun

klorofil.

2. Ketidakmantapan sel

Kultur sel tumbuhan dalam penyimpanan lama dan subkultur yang berkali-kali

akan mengalami perubahan yang nyata. Dalam tingkat sel akan kehilangan

kemampuan untuk memproduksi bahan kimia tertentu. Hal ini merupakan salah satu

tantangan yang harus dihadapi pada kultur sel dalam sekala besar. Keadaan umum

yang sering dijumpai adalah suatu kenyataan bahwa sel yang telah disimpan lama

akan kehilangan kemampuan regenerasi. Salah satu perkiraan menyatakan bahwa

kumpulan sel tersebut terdiri dari sel yang berbeda-beda sifatnya atau dapat

dikatakan bahwa sel tersebut heterogen. Selain perubahan bentuk yang dapat

diamati juga akan terjadi perubahan kromosom dalam ploidi. Sumber keragaman sel

dalam kultur sel kemungkinan diakibatkan adanya mikroorganisme yang

mencemari,misalnya virus atau spiroplasma yang sering terdapat dalam sel

tumbuhan dan akibatnya tidak begitu jelas terhadap kultur sel. Keterlibatan cemaran

tersebut terhadap biosintesis metabolit sekunder belum diketahui (Dougall,1985).

3. Ciri khas pertumbuhan sel

Sel tumbuhan amat lambat pertumbuhannya, yaitu dalam kecepatan

maksimum setara dengan waktu ganda sekitar 20 jam. Kebanyakan sel unggul

mempunyai waktu ganda (doubling time) 30 sampai 60 jam. Kecepatan yang pasti

dari pengandaan sel sangat sulit untuik diukur, karena tidak adanya petunjuk yang

khas dari tingkat pertumbuhannya. Kesulitan pengukuran ini juga ditambah faktor

adanya fenomena sel yang membentuk gumpalan sel (agregat). Ketidaksamaan


3/16

dalam ciri khas pertumbuahan sel secara in vitro akan mengakibatkan timbulnya

dampak yang sangat beragam pada produksi sekala besar. Sebagai contoh,

walaupun pada kultur suspensi sel lingkungannya berbentuk cairan namun demikian

ada kecendaingan sel untuk melekat pada dinding bejana pada permukaan media.

Pertumbuhan "cincin" ini merupakan suatu faktor yang mengakibatkan tidak

homogennya sistem dan berpengaruh terhadap perpindahan massa.

Nutrisi dalam media yang relatif sederhana cukup untuk mendukung

pertumbuhan cemaran. Perhatian istimewa harus diberikan untuk menghindari

pncemaran tersembunyi dalam lekuk-liku bejana kultur. Dalam praktek kemungkinan

terbawanya cemaran oleh sel unggul harus diperhatikan pada waktu kultur sel

unggul tersebut digunakan sebagai inokolum. Kegagalan pada tahap ini akan

menimbulkan persoalan yang serius pada tahap awal kultur sel secara besar-

besaran. Kecepatan pertumbuhan sel yang rendah ini menimbulkan akibat, yaitu

bahwa bioreaktor harus besar ukurannya dan penjagaan pencemaran cukup sulit.

4. Penggumpalan sel dan pengaruhnya terhadap perpindahan massa

Sel-sel tumbuhan dalam media cair mempunyai kecendrungan untuk

membentuk gumpalan dalam ukuran makroskopik. Gumpalan tersebut dapat terdiri

dari ribuan sel. Timbulnya agregat akan mengakibatkan kendala perpindahan,

massa yang menyebabkan lingkungan sel yang berada di tengah tidak sama

dengan yang di tepi. Biasanya sel-sel di tengah secara morfologi jelas berbeda

dengan sel-sel yang terletak di tepi. Sel-sel dalam gumpalan nampaknya memiliki

angka unjuk mitotik yang berbeda dengan sel tunggal. Dapat ditambahkan di sini,

bahwa kapasitas untuk embriogenesis somatik seeing berkaitan dengan gumpalan

yang berukuran dalam kisaran tertentu. Kapasitas untuk membangun hubungan

antara sel dalam gumpalan juga perlu diperhatikan.

Tingkat penggumpalan selular juga berkaitan dengan cara pengadukan. Jadi

kultur sel tumbuhan memiliki sistem serba berbeda, Ketidaksamaan (hetrogenitas)

tersebut mungkin diinginkan, respon biologik dari kultur sel menunjukkan bahwa

keserba-berbedaan ini tingkatnya tergantung pada pengadukan, parameter

lingkungan. Sejalan dengan keserba-berbedaan ini mengakibatkan sistem yang


4/16

rumit dan menimbulkan persoalan yang nyata dalam penafsiran dan pengukuran

keterulangan (reprodusilitasnya). Jelas bahwa kondisi pengadukan dalam sekala

besar berbeda dengan sekala kecil. Hal ini berpengaruh terhadap kecepatan

pengendapan gumpalan maupun keteradukan yang tidak seragam yang akan

mengakibatkan bertambah besarnya ukuran gumpalan dan keserba-berbedaan.

5. Kesukaran dalam pembebasan produk, isolasi dan

pemurniannya

Besar-kecilnya hasil senyawa kimia yang diperoleh mungkin tak mencapai

sasaran karena hasil yang diperoleh dari kultur sel tumbuhan sering terlalu rendah.

Hasil yang rendah ini diakibatkan oleh produktivitas sel yang rendah serta metode

penyarian yang tidak sesuai. Perlu diingat bahwa proseudr penyarian yang

digunakan untuk bagian tumbuhan asal tidak selalu cocok bila diterapkan pada

biomassa., misalnya alkaloid terikat lebih erat dalam dalam biomassa. Perbedaan

kekuatan ikatan antara senyawa yang terdapat di dalam tumbuhan asal dan pada

kultur tidak diketahui dengan jelas.

Perolehan kembali senyawa dalam biomassa memerlukan metode yang

lebih baik, yaitu membiarkan produk terbebas dari sel dan menjaga agar sel masih

dalam keadaan hidup untuk memproduksinya lagi. Jadi biomassa ini harus dapat

digunakan kembali dan peristiwa ini terjadi pada sistem amobil. Sistem amobil ini

merupan sumbangan yang penting dalam memecahkan persoalan ini, baik

dipandang dari segi prakis maupun segi ekonomi (Brodelius,1984).

6. Ketahanan sel yang rendah terhadap gesekan

Karena ukuran sel tumbuhan besar dan cenderung membentuk gumpalan

maka sifatnya lebih peka terhadap gesekan daripada sel ragi atau bakteri.

Fermentor konvensional sering tidak tepat untuk kultur sel tumbuhan karena tidak

mampu untuk mengaduk sama rata tanpa menimbulkan kerusakan sel. Perpindahan

oksigen ini tidak secepat yang dikehendaki dalam respirasi mikroorganisme karena

respirasi sel tumbuhan lebih lambat. Sifat racun oksigen terhadap sel tumbuhan juga

harus diperhitungkan.


5/16

Selanjutnya akan diuraikan mengenai sejarah perkembanga rancang-bangun

biorekator yang telah dilakukan oleh para peneliti terdahulu.

C. Sejarah Perkembangan Model Bioreaktor

Sejarah perkembangan produksi metabolit sekunder dengan kultur suspensi

sel perlu diketahui sehingga kita dapat melacak betapa sukarnya untuk mendesain

bioreaktor atau fermentor dari waktu kewaktu. Di bawah ini akan diuraikan

perkembangan bioreaktor untuk kultur sel tumbuhan dengan tujuan memproduksi

metabolit sekunder (Staba,1980).

Tulecke dan Nickell (1959) merupakan orang pertama yang mengerjakan

kultur suspensi sel dengan sekala besar, yaitu dengan menggunakan bioreaktor

yang terdiri dari dua botol kaca 20 liter air disumbat dengan karet dan diberi empat

lubang yang masing -masing untuk memasukkan udara, mengekuarkan

udara.memasukkan mdia serta mengambil cuplikan. Setahun kemudian, mereka

telah berhasil menggunakan bejana baja nirkarat dengan kapasitas 30 dan 134 liter

sebagai pengganti botol kaca tadi.

Pada tahun 1963 Wang dan Staba menggunakan dua botol kaca 20 literan

untuk kultur sel Mentha arvensis. Bioreaktor ini hampir serupa dengan yang

digunakan oleh Tulecke dan Nickell yang dilengkapi dengan pengaduk maknitik,

penghawaan disempumakan dengan piringan kaca masir dan pendingin balik pada

pipa keluamya udara agar supaya uap air mengembun kembali.

Pada tahun 1964 Lamport menggunakan sistem botol berpusing denga

menggunakan labu alas datar 10 liter yang dilengkapi dengan pengambil cuplikan

secara aseptis yang menembus sumbat kapas. Peneliti lain menggunakan cara

yang sama dengan botol yang berputar pada poros yang sama. Sistem ini

nampaknya lebih sederhana labu tersebut berputar dengan kecepatan 130 rpm.

Dilaporkan oleh Grabe dan Novell! (1966) bahwa sistem bioreaktor dengan

menggunakan dua labu alas datar dengan kapasitas enam atau 12 liter air dan

dilengkapi dengan pengaduk maknitik yang dimaksudkan untuk memecahkan

gumpalan sel.

Pada tahun 1970 Veliky dan Martin merancang suatu bioreaktor berbentuk


6/16

labu erlenmeyer terbalik, sebagai pengaduk berupa dua batang pengaduk maknitik

bentuk silang dan didekat dasar bejana terdapat lubang untuk mengeluarkan

cuplikan. Disebelah atas terdapat tiga buah lubang untuk memasukkan udara, media

dan keluamya udara dilengkapi dengan pendingin-balik.

Sebetulnya pada waktu yang lebih awal, yartu pada tahun 1962 oleh Byme

dkk telah dilaporkan suatu bentuk fermentator yang dinamai 'New Brunswick' yang

pada dasamya memiliki pengaduk dengan dua baling-baling yang terletak di sebelah

bawah dan tengah serta dilengkapi dengan jaket air hangat untuk mengatur suhu

media, di samping itu juga dilengkapi dengan elektrode untuk memantau pH.

Adapun kapasitasnya sekrtar 7,5 liter dan kecepatan pengadukan berkisar antara

50-100 rpm.

Pada tahun 1971 Verma dan Van Huystee memperkenalkan sistem kultur

sel yang disebut sebagai suatu sistem yang secara drastis dapat mencegah

pencemaran pada waktu memasukkan media dan mengambil cuplikan. Bejana ini

berupa labu alas bulat berleher tiga yang dilengkapi dengan pengaduk bengkok

yang digerakkan dengan motor.

Pada tahun yang sama Wilson dkk. Membuat bioreaktor untuk kultur sel

yang berkesinambungan yang dapat dikendalikan dengan cara kemostat dan

turbidostat.

Pada tahu 1973, Kurz membuat fermentor yang menggunakan etode bam

mengenai penghawaan dan penggojogan yang dapat mencegah penggumpalan sel.

Adapun bentuk fermentor ini merupakan silinder yang dilengkapi dengan pompa

sinkron untuk memasukkan media dan mengeluarkan produk sekaligus.

Pendinginan dan pengatur udara masuk yang dilengkapi dengan katup maknitik

untuk mengatur aliran udara.

Pada tahun 1977, Kato dkk.menggunakan bioreaktor untuk kultur sel

tembakau secara berkesinambungan dalam sekala besar, yaitu 65 dan 1.500 liter.

Pengadukan dilakukan dengan semburan udara (air-lift). Pada tahun yang sama

"The Japan Tobacco & Salt Cooperation" berhasil menumbuhkan sel unggul

tembakau yang mampu mensintesis ubikuinon-10 (enzim Q) dengan kapasitas

20.000 liter dengan sistem pengadukan konvensional atau mekanik.


7/16

Pada tahun 1982, "Mitsui Petrochemical Industries" di Jepang berhasil

memproduksi suatu naftokinon, yaitu sikonin dari kultur sel Lithosperurmum

erythrorhizon secara komersial dengan sistem dua tahap. Tahapan pertama (tahap

pertumbuhan) menggunakan bioreaktor dengan kapasitas 200 liter dan tahap

produksi menggunakan bioreaktor dengan kapasitas 750 liter dan has!) yang

diperoleh untuk setiap 'batch' lima kilogram sikonin.

Untuk penelitian produksi metabolit sekunder dengan sekala laboratorium,

dalam perdagangan tersedia bioreaktor dengan kapasitas dua liter dilengkapi

dengan sistem pengaturan suhu, aliran udara, pengaliran media, pengaturan pH,

dan pengambilan cuplikan secara otomatis.

D. Pemecahan Masalah Secara Proses dan Secara Biologi

Persoalan yang dihadapi di atas, yaitu pada kultur sel dalam sekala besar

dapat dilakukan sebagai berikut.

1. Pengendalian diferensiasi dan pembentukan produk

Dalam hal ini adanya korelasi antara diferensiasi dan pembentukan produk

yang tinggi, merupakan hal yang penting untuk dimengerti sebagai dasar untuk

mencapai optimasi dalam pembentukan produk.

Pemecahan masalah secara proses mencakup penggunaan sistem multi-

tahap yang memisahkan optimasi pertumbuhan dengan kondisi tidak tumbuh yang

memberikan kesempatan deferensiasi sel atau pembentukan produk, penggunaan

sel amobil atau rancang bangun bejana kultur yang baru untuk sel yang mengalami

diferensiasi perlu dicoba. Suatu sumbangan yang penting adalah ditemukanya

komposisi media yang baru untuk produksi. Kebanyakan prosedur yang dilakukan

untuk mencapai tujuan tersebut bersifat trial and error.

Pemecahan masalah secara biologi untuk pertumbuhan sel dan sel

penghasil produk yang tinggi merupakan dua tujuan vana berbeda. Suatu galur sel

yang mampu tumbuh dengan cepat dan memproduksi metabolit sekunder dengan

kadar yang tinggi sangat diinginkan. Untuk sekala besar; sel yang terorganisasi

dalam gumpalan yang nampak dalam ukuran yang cukup kecil mungkin dapat

dibiakkan di dalam bejana kultur. Dengan keadaan tersebut diharapkan tujuan


8/16

produksi metabolit sekunder tertentu dapat dicapai. Pengendalian secara biokimia

pada proses pembentukan metabolit sekunder dan atau diferensiasi sel tumbuhan

tidak diketahui dengan jelas. Metode untuk peningkatan pembentukan metabolit

sekunder perlu didukung oleh pengetahuan mengenai biosintesis metabolit sekunder

itu sendiri. Dengan dasar pengetahuan ini, kita dapat dengan tepat memilih pra zat

atau senyawa awal yang diperlukan dalam proses biotransformasi.

2. Ketidakmantapan sel

Pemecahan persoalan ketidakmantapan sel yang spesifik ini adalah dengan

menerapkan sistem sel amobil. Sistem sel amobil sangat bermanfaat untuk

mempertahankan daya hidup sel, sehingga sel yang sama dapat dipergunakan

untuk memperoduksi metabolit sekunder selama berbulan-bulan.

Suatu pendekatan biologi adalah melakukan manipulasi genetik sel unggul

untuk mendapatkan sel yang lebih mantap atau stabil. Pendekatan ini sangat

bermanfaat dan dapat digunakan sebagai strategi umum baik dalam memperoduksi

suatu metabolit sekunder maupun protein atau enzim tumbuhan. Pemanfaatan

pendekatan ini dibatasi dengan rendahnya pengetahuan mengenai proses

pembentukan metabolit sekunder, pengaturan pembentukan protein dan genetika.

Pemecahan secara biologi yang lain mencakup penyimpanan kultur secara

kriogenik, rekayasa genetik, pemindahan gen sel tumbuhan ke dalam mikroba

dengan tujuan proses produksi selanjutnya diambil alih oleh mikroba yang lebih

mudah dan murah penanganannya.

3. Ciri khas pertumbuhan sel

Ciri khas pertumbuhan sel tanaman harus disesuaikan langsung dengan

rancang bangun bioreaktor dalam sekala besar. Sebagai contoh pembentukan

metabolit sekunder berkaitan langsung dengan kecepatan pertumbuhan sel. Dalam

beberapa kasus pertumbuhan sel yang cepat diperlukan untuk mencapai produk

yang optimal. Dalam hal tidak adanya pertumbuhan sehubungan dengan

pembentukan produk digunakan sistem sel amobil dengan pertumbuhan yang amat

lambat. Di dalam sel amobil persoalan pencemaran tidak setinggi pada sistem


9/16

amobil dengan bakteri. Dalam sistem berkesinambungan dapat dilakukan tanpa

melakukan pencucian sampai tuntas. Kemampuan sel yang tinggi jelas akan

menaikkan produksi dan memperkecil ukuran biorektor. Dalam sistem multi-tahap

dapat dilakukan pengecilan volume bioraktor tetapi meningkatkan kerumitan dan

pencemaran.

Berbagai metode enzimatik, kimiawi, dan fisikawi telah dicoba untuk

membentuk kultur sel tunggal, tetapi biasanya tidak tercapai. Suatu tingkat

penggumpalan tertentu diperlukan untuk pembentukan metabolit sekunder. Yang

penting adalah bagaimana kita dapat mengendalikan ukuran gumpalan tersebut.

Suatu kemungkinan yang dapat dilakukan adalah pemecahan proses dengan

menggunakan sistem amobil. Pada sistem ini, sel diserap dalam bentuk butiran

dengan pertolongan polimer atau bahan lain, sehingga ukuran gumpalan tersebut

dapat diatur. Yang masih belum diketahui dengan jelas adalah apakah sifat biologi

gumpalan buatan dan gumpalan alami tersebut identik. Jika ukuran gumpalan yang

optimal untuk produksi metabolit sekunder diketahui maka sistem sel amobil dapat

dibuat melalui suspensi sel dengan sedikit perlakuan.Dengan mengendalikan ukuran

gumpalan sel diharapkan produksi sekala besar akan menjadi tebih sederhana

karena ukuran gumpalan bebas dari pengaruh dinamika cairan.

Pemecahan secara biologi akan tergantung pada pengetahuan mengenai

faktor yang menyebabkan sel tumbuhan membentuk gumpalan dan perbedaan

fisiologi antara pembelahan sel tunggal dengan sel dalam gumpalan.

Dengan sistem kultur suspensi sel, rancang-bangun bioreaktor untuk

mencapai keseragaman pengadukan jelas akan lebih menjamin distribusi gumpalan

lebih serba sama (homogen).

4. Pembebasan, perolehan, dan pemurn ian produk

Pemecahan masalah ini dapat dilakukan dengan menerapkan sistem multi-

tahap dan sel amobil, baik untuk meningkatkan kadar produk maupun untuk

pmbebasan produk dari dalam sel.

Secara biologi, pembebasan produk dari biomassa dapat ditingkatkan

dengan mengubah permeabilitas sel tumbuhan, perforasi sebagian membran sel


10/16

atau pengubahan sifat membran sel agar dapat melepaskan produk. Jadi di sini

dimungkinkan untuk mempengaruhi pelepasan produk tanpa tergantung

permeabilitas. Dapat d'rtambhakan di sini bahwa dapat dicari galur sel tertentu yang

dapat melepaskan produk ke dalam media. Pemecahan persoalan secara biologi

untuk meningkatkan produksi metabolit sekunder tergantung pada minat untuk

mempelajari lebih lanjut jalur biosintesis metabolit sekunder yang bersangkutan

terutama dari segi enzimologi (rekayasa metabolisme). Upaya yang terakhir adalah

membatasi agar sel hanya memproduksi metabolit sekunder tertentu secara

rekayasa genetik.

5. Ketahanan yang rendah dari sel tumbuhan terhadap gesekan

Sifat sel tumbuhan yang merugikan adalah sifat tidak tahan terhadap

gesekan (shear stress). Untuk memecahkan persoalan tersebut perlu dibuat

bioreaktor bam yang memiliki tegangan gesekan yang rendah atau dapat juga

digunakan sistem sel amobil.Berdasarkan kajian pendahuluan bioreaktor udara

teranakat (air-lift bioreactor) cukup baik untuk maksud tersebut, apabila kerapatan

sel kurang dari 20 g berat kering per liter. Perlu diteliti apakah suasana lingkungan

bioreaktor semacam rtu ada disemua tempat.

Suatu pemecahan persoalan secara biologi adalah upayan mendapatkan

galur sel yang tahan terhadap gesekan tersebut.

E. Penelitian Lanjutan Yang Perlu Dilakukan

Prioritas dan keperluan untuk melakukan penelitian mengenai bioproses

perlu dirancang. Tabel II menunjukan bahwa untuk bioproses yang menggunakanan

sel tumbuhan diperiukan riset untuk memecahkan persoalan yang timbul.

Sedangkan Tabel III memuat acuan uang membandingkan pemecahan yang

diajukan dan pemecahan secara biologi terhadap persoalan yang timbul tadi.

1. Penggunaan sistem sel amobil

Dengan sistem sel amobil persoalan mengenai lambatnya pertumbuhan sel,

kepekaan terhadap gesekan, peristiwa penggumpalan, diferensiasi, dan kesukaran

untuk memperoleh produk dapat dihilangkan atau setidak-tidaknya dikurangi. Suatu


11/16

bioreaktor yang sederhana dapat dibuat dengan mengingat keseragaman aliran dan

sifat mekanik yang baik. Nampaknya pada sistem amobil dapat diupayakan agar sel

dalam keadaan fasa stasioner untuk jangka waktu tertentu.

Tabel II. Rangkuman persoalan dan penelitian yang d iperlukan dalam

bioproses yang menggunakan kultur sel tumbuhan (Fowler, 1985)

Macam Bioproses Persoalan yang timbul Riset yang diperlukan

berdasarkan prioritas

Kultur suspensi sel

Untuk produksi ms*

Kesukaran dalam meng

isolasi produk

Penggunaan sel amobil

Ketidakmantapan sel Bejana multi-tahap

Ciri khas pertumbuhan sel Jalur biosintesis

pengaturannya

Penggumpalan sel Optimasi media %

lingkungannya

Pengaturan diferensiasi sel Pembebasanproduk dan

penyimpanan kri-genik

Ketahanan gesekan Yang rendah Rancang-bangun

bioreaktor

Kss untuk (a)

propagasi

via embriogenesis

somatik sekala

besar

(b) pertumbuhan

dalam produksi

ms**

Pengaturan diferensiasi sel Seleksi galur sel

Ketidakmantapan sel Optimasi media serta

lingkungan


12/16

Ciri khas pertumbuhan sel

kesukaran mengisolasi produk

Ketahanan sel thd gesekan

rendah

Optimasi media serta

lingkungan Penggunaan

be-jana multi-tahap dan

penyinaran intensif

Penyimpanan kriogenik

Studi jalur bio-sintesis

dan pengaturannya

Kultur sel yang

terdife-rensiasi

untuk produksi ms

sekala besar***

Pengaturan diferensiasi

Kelabilan sel

Ciri khas pertumbuhan

Kesukaran mengisolasi produk

Desain bioreak-tor baru

Seleksi galur

Pengaturan bio-sintesis

dan pengaturannya

Optimasi media dan

lingkungan

Penyimpanan kriogenik

Kultur sel

terdiferensiasi

untuk propagasi

dalam sekala

besar*)

Pengaturan diferensiasi sel

Ciri khas pertumbuhan sel

Kelabilan sel terhadap gesekan

Desain biorektor baru

Seleksi galur sel unggul

Optimasi media dan

lingkungan


13/16

Tabel III. Acuan pemecahan persoalan secara proses dan

pemecahan biolog i dalam sekala besar

(Fink, ef al., 1985)

A B C D D E F

Pemecahan secara proses

Set amobil X X X X X X X

Bejana multi-tahap X X X

Optimasi media &lingkungan X X

Rancang-bangun bioreactor baru X

Pemecahan secara biolog i

Seleksi sel X X X X X X X

Pengetahuan jalu biosintesis X X X

Penyimpanan kriogenik X

Pengetahuan pertumbuhan sel /

Penggumpalan sel

X

Pengubahan membran sel X

Keterangan:

A : Pengaturan diferensiasi sel, organisasi dan pembentukan produk

B : Ciri khas sel tumbuhan

C : Ketidakmantapan sel tumbuhan

D : Penggunaan sel

E : Kesukaran memisahkan produk dari biomassa

F : Ketidaktahanan sel terhadap gesekan

(Dikutip dari' Research Needs in Non-Conventional Bioprocesse', Eds. D.J Fink ef al.

1985)

Hal ini akan memungkinkan jajaran sel unggul yang memproduksi metabolit

sekunder yang lebih tinggi lebih mantap. Namun demikian, pembuatan sel amobil


14/16

juga akan menimbulkan persoalan bam yang perlu dipecahkan sebelum peningkatan

sekala dilaksa-nakan. Penggarapan variabel lingkungan seperti suhu, pH, cahaya,

serta penggarapan media seperti penambahan zat pengatur tumbuh (fitohormon),

penambahan prekursor, komposisi media (misalnya ratio C/N) perlu dilakukan untuk

mencapai produksi metabolit sekunder yang maksimal dan berlangsung lama.

Keberhasilan dalam sistem sel amobil ini sangat tergantung pada keberhasilan

pembebasan metabolit sekunder dan pemeliharaan daya hidup sel.

2. Seleksi galur sel

Bioproses dengan menggunakan sel tumbuhan dapat diopti-masikan dengan

cara seleksi sel unggul yang terbaik. Berbagai varitas galur sel harus dipilah untuk

meningkatkan kecepatan pertumbuhan, ketahanan terhadap gesekan, meningkatkan

produk, meningkatkan kerapatan gumpalan sel, dan menaikkan kemampuan

melepaskan produk ke dalam media. Suatu riset diperiukan untuk mengembangkan

metode seleksi sel unggul. Suatu metode yang cepat dan berdaya guna perlu

dirancang untuk seleksi set, misalnya pemilahan sel dengan metode 'platting' dan

penetapan kadar metabolit sekunder dengan radioimunoasai (RIA) untuk sel yang

dipilah dengan alat flow cytometer.

Metode pemilahan yang baru perlu dicari untuk memilih sel yang memiliki

dinding yang bagaimanakah yang tahan terhadap gesekan. Sel yang diperoleh

harus dievaluasi terhadap berbagai keadaan lingkungan.

3. Jalur biosintesis dan pengaturannya

Penelitian dasar yang lebih banyak perlu dilakukan dalam bidang ini. Hal

ikhwal mengenai biokimia tumbuhan termasuk pembentukan zat antara

(intermediates), enzim yang terlibat serta mekanisme reaksinya perlu dipelajari.

Hanya sedik'rt yang diketahui mengenai pengaturan jalur biosintesis dan peranan

fitohormon dalam pengaturan produksi metabolit sekunder.

4. Optimasi media dan lingkungan

Komponen media dan lingkungan pada kultur sel mempunyai pengaruh yang


15/16

besar terhadap pertumbuhan, hasil produksi metabolit sekunder, dan sifat kultur sel.

Penetapan kondisi optimal perlu ditunjang oleh identifikasi atau pengembangan

rancangan percobaan yang sesuai dengan ciri-ciri sel tumbuhan atau jaringan

tumbuhan. .dentifikasi komponen media atau lingkungan yang sangat peka jang

diperlukan.

5. Penggunaan bejana mult i-tahap

Riset mengenai jumlah bejana yang diperlukan untuk optimasi produk perlu

dilakukan, misalnya apakah satu, dua, atau lebih banyak bejana. Dapat ditambahkan

pula bahwa aliran media yang berkesinam-bungan atau tipe bertahap pada

bioreaktor belum cukup dilakukan penelitian. Penggarapan variabel suhu, pH,

hormon, cahaya, penam-bahan prekusor, dan penggarapan media (rasio C/N) juga

perlu diteliti pada sistem ini.

Pertanyaan yang pokok adalah bagaimana sistem bertahap ini dapat

digunakan untuk mengendalikan fisiologi sel dan pembentukan produk?

6. Pembebasan produk

Riset mengenai permeabilitas sel yang bolak-balik dan mengenai

pengubahan membran sel untuk pembebasan produk yang spesifik perlu dilakukan.

Sel tumbuhan dalam kultur dapat mengikat atau menimbun senyawa kimia yang

khas dengan cara yang berlainan dengan keadaannya dalam tumbuhan asal. Untuk

itu, perlu dirancang dan diuji coba metode yang disempumakan untuk mengekstrasi

produk dari biomassa.

7. Penyimpanan dalam bentuk kriogenik

Penyimpanan secara kriogenik (cryopreservation), yaitu penyimpanan dalam

suku yang sangat rendah, masih perlu diteliti untuk kultur yang digunakan untuk

produksi metabolit sekunder. Menurut Seitz (1986) resiko yang dihadapi pada

penyimpanan kultur dalam jangka waktu lama adalah kehilangan aktivitas metabolik

atau terjadi penurunan kemampuan regenerasi atau pembentukan metabolit

sekunder. Walaupun demikian ada kultur yang tahan disimpan lama dan masih


16/16

memiliki kapasitas biosintesis yang tingi, misalnya kultur pace (Morinda citrifolia)

menunjukkan kapasitas biosintesis dan pe-nimbunan antrakinon yang mantap

setelah disimpan selama tujuh tahun (Zenk et a/.,1975). Mengenai penelitian yang

telah dicapai untuk bidang ini dapat dilihat secara selayang pandang dari laporannya

Seitz (1987).

8. Rancang-bangun bioreaktor baru

Bioreaktor baru dengan gesekan yang rendah perlu dirancang untuk kultur

suspensi sel bersekala besar guna memproduksi metabolit sekunder atau pemuliaan

tanaman melalui embriogenesis. Bioreaktor baru perlu dirancang untuk

mengendalikan pertumbuhan gumpalan sel dalam sekala besar, baik untuk tujuan

produksi metabolit sekunder maupun pemuliaan tanaman. Pencahayaan merupakan

faktor yang penting dalam proses penggumpalan ini.

produksi metabolit sekunder

Documents