MAKALAH

FISIOLOGI MIKROBIA

REKAYASA METABOLIK MIKROORGANISME SEBAGAI TOOL BIOSINTESA DAN BIODEGRADASI ZAT KIMIA

Disusun oleh :

Aprian Heriyawan

09/282980/PN/11606

JURUSAN MIKROBIOLOGI

FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2012

I. PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

Mikroba telah dimanfaatkan secara luas sebagai bioreaktor untuk memproduksi

antibiotik, protein terapi, ingredient untuk food maupun feed, biofuel, vitamin dan bahan

kimia lainnya. Hal ini terkait dengan kecenderungan untuk mengganti proses sintesa

kimia dengan menggunakan bioteknologi berbasis fermentasi mikroba. Selain lebih aman,

kemampuan tumbuh yang cepat meskipun pada media yang murah, terkarakterisasinya

sebagian besar genome yang berperan dalam kehidupannya, serta kemampuannya untuk

mengkopi vektor menjadi alasan yang utama bagi pemanfaatan mikroba sebagai inang

untuk penerapan rekayasa metabolik.

Makhluk multiseluler, baik manusia, hewan, maupun tumbuhan tersusun atas

jutaan sel. Tiap sel memiliki fungsi tertentu untuk kelangsungan hidup suatu organisme.

Untuk menjalankan fungsinya, sel melakukan proses metabolisme. Metabolisme (bahasa

Yunani: μεταβολισμος, metabolismos, perubahan) adalah semua reaksi kimia yang terjadi

di dalam organisme, termasuk yang terjadi di tingkat selular. Secara umum, metabolisme

memiliki dua arah lintasan reaksi kimia organik,

katabolisme, yaitu reaksi yang mengurai molekul senyawa organik untuk

mendapatkan energi

anabolisme, yaitu reaksi yang merangkai senyawa organik dari molekul-molekul

tertentu, untuk diserap oleh sel tubuh.

Kedua arah lintasan metabolisme diperlukan setiap organisme untuk dapat

bertahan hidup. Arah lintasan metabolisme ditentukan oleh suatu senyawa yang disebut

sebagai hormon, dan dipercepat (dikatalisis) oleh enzim. Pada senyawa organik, penentu

arah reaksi kimia disebut promoter dan penentu percepatan reaksi kimia disebut katalis.

Pada setiap arah metabolisme, reaksi kimiawi melibatkan sejumlah substrat yang

bereaksi dengan dikatalisis enzim pada jenjang-jenjang reaksi guna menghasilkan

senyawa intermediat, yang merupakan substrat pada jenjang reaksi berikutnya.

Keseluruhan pereaksi kimia yang terlibat pada suatu jenjang reaksi disebut metabolom.

Semua ini dipelajari pada suatu cabang ilmu biologi yang disebut metabolomika.

2. Tujuan

1. Mengetahui peran rekayasa metabolomik pada berbagai bidang kehidupan

2. Mengetahui mekanisme yang dapat terjadi dengan rekayasa metabolomik

II. ISI MAKALAH

Rekayasa metabolik biasanya didefinisikan sebagai target dan tujuan dari metabolic

pathway yang didapat dari suatu organisme dalam rangka pemanfaatannya untuk tranformasi

kimia, energi transduksi, supramolecul asembly. Bidang yang melibatkan multidisiplin ini

menggambarkan hubungan beberapa prinsip dari rekayasa kimia, komputer sains, biokimia,

dan biologi molekuler. Secara prinsip, rekayasa metabolik adalah aplikasi dari prinsip

rekayasa desain dan analisa metabolic pathway untuk mencapai suatu tujuan. Tujuan itu bisa

saja untuk meningkatkan proses produksi, biosintesa prekursor atau polimer, atau untuk

memperbesar kapasitas metabolisme dengan penambahan proses tertentu untuk produksi atau

degradasi zat kimia. Teknologi ini meliputi penggunaan DNA teknologi dan pemahaman

yang dalam mengenai fisiologi sel untuk memodifikasi intermediate metabolisme. Yang

menarik dari rekayasa metabolisme ini adalah simulasi aplikasi membuka peluang bagi

perbaikan strain yang mampu meningkatkan produksi melalui proses metabolisme tertentu.

Trend yang sekarang sedang terjadi terfokus pada penggunaan proses biologi sebagai

alternatif dari proses kimiawi, yang lebih besar dari segi kontinunitasnya dan tentunya proses

” green chemistry” yang lebih ramah lingkungan. Perkembangan pada genomic,

transcriptomics, proteomics, metabolomic dan bahkan fluxomics mengarahkan kita untuk

mempelajari metabolic pathway dan network pada level sistemnya.

Fokus dari review ini terletak pada oportunitas potensi teknologi rekayasa metabolik

mikroorganisme untuk memproduksi zat yang bermanfaat.

1. Fermentasi Mikroba rekombinan untuk merubah biomasa (limbah) menjadi

produk yang bermanfaat.

Rekayasa Mikroba untuk produksi bioethanol.

Krisis energi telah memaksa manusia untuk menciptakan energi alternatif terbarukan

(renewable energy), salah satunya adalah produksi bioethanol. Umumnya ethanol diproduksi

dengan menggunakan pati sebagai bahan bakunya, terutama untuk memenuhi kebutuhan

industri makanan. Hingga kini, bahan bakar etanol memiliki pasar terbesar yang mencapai

60% total produksi etanol dunia. Sedangkan etanol untuk industri mencapai 20% dari pasar

ini dan untuk industri minuman berkisar 15%, dimana kedua pasar ini tumbuh perlahan

dibanding pasar bahan bakar etanol.

Gambar 1. Rekayasa Metabolik S.cerevisiae untuk konversi gula Pentosa menjadi bioethanol

Oleh karena produksi bioetanol dengan pati sebagai bahan baku tidak ekonomis, maka

diupa yakan untuk menggunakan limbah pertanian, industri seperti kulit beras, serbuk kayu,

yang kadar gulanya masih tinggi ( lebih dari 60%) sebagai bahan baku pengganti pati.

Beberapa mikroba telah direkayasa sehingga mampu untuk mengkonversi monosakarida dari

limbah, menjadi bioethanol, seperti Z.mobilis, E.coli, Lactobacillus sp. dan S.cerevisiae.

Sebagai contoh, S.cerevisiae secara alami, tidak mempunyai kemampuan untuk

mengkonversi xylosa dan arabinosa yang merupakan bula pentosa menjadi bioetanol. Tetapi

dengan menambahkan beberapa gen penyandi xylose isomerase, xylulokinase, L-arabinose

isomerase, L-ribulose kinase, rekombinan S.cerevisiae mampu mengkonversi gula pentosa

menjadi bioetanol. Gambar 1. di atas, menunjukkan metabolisme S.cerevisiae yang telah

direkayasa agar mampu mengkonversi gula pentosa ( xylosa dan arabinosa ) menjadi

bioethanol. Rekombinan S.cerevisiae mampu memproduksi bioethanol sebesar 50~70 g/100

g biomas.

Rekayasa Mikroba untuk produksi R-(-) Hydroxycarboxylic Acids (material

biodegradable plastic)

Polyhydroxyalkanoat

(PHAs) adalah kelompok

biodegradable poliester yang

tersintesa dan terakumulasi

oleh bermacam bakteri. PHA

merupakan material yang

berguna untuk produksi

biodegradable plastic, yang

ramah lingkungan. Lebih

dari 140 jenis asam

karbosilat yang

terhidroksilasi pada posisi 3-,

4-, 5-, atau 6-, semua dalam

konfigurasi (R). Jika mereka

terletak pada pusat kiral pada

posisi gugus hidroksil, akan

bisa berinkorporasi ke dalam

PHAs dengan cara menumbuhkan bakteri target pada kondisi kultur yang berbeda. Karena

itu, sangat beralasan bahwa beragam RHAs menjadi mudah dipersiapkan dengan

depolimerisasi PHAs tersintesa. RHAs mengandung 2 fungsional grup yang mudah

dimodifikasi untuk sintesa beragam senyawa kiral kususnya senyawa kimia tertentu seperti

antibiotik, vitamin, parfum, feromon. Sebagai contoh, (R)-3-hydroxy butyric acid (R3HB)

adalah prekursor penting dari 4-acetoxyazetidinone, yang sering digunakan untuk

carbapenem antibiotik, yang mempunyai nilai market jutaan dolar. Poly-(R)-(-)-3-

hydroxybutyrate (PHB) adalah member yang paling banyak dari PHAs.

Metoda untuk produksi R3HB dengan

pemotongan secara kimiawi membutuhkan larutan

organic dalam jumlah besar sedangkan efisiensi produk

relative rendah karena prosesnya yang komplikatif.

Disisi lain, metabolisme untuk sintesa dan degradasi

PHB memainkan peranan penting pada beberapa bakteri

untuk reservation dan reutilization dari excess karbon

NH2TP

6PPH4

BH4

Gambar 5. Rekayasa metabolik E. coli untuk produksi BH4.

dan sumber energi dan mengurangi power. Pada bakteri, PHB tersintesa dari acetyl -

coenzyme A (CoA) dengan 3 reaksi enzim yaitu, -ketothiolase, acetoacetyl-CoA reductase,

dan PHA synthase (gambar 3).

Ketika kondisinya sesuai, PHB terdepolimerasi menjadi R3HB oleh enzim intraselular

PHA depolymerase dan oligomer hydrolase. R3HB dehydrogenase mengubah R3HB menjadi

acetoacetate, yang kemudian dimetabolisme di dalam sel. Dengan teknik rekayasa metabolik,

telah dilakukan ekspresi enzim PHA depolymerase pada E.coli dimana bakteri rekombinan

ini mampu mengakumulasi PHB lebih dari 90% dari berat sel kering seperti gambar 4 di atas.

Dengan terproduksinya PHAs secara masal, produksi biodegradable plastic skala industri

yang lebih ramah lingkungan bisa dilakukan Produk biodegradable plastic bisa dilihat pada

gambar 4. Dengan merekayasa mikroba E.coli telah dihasilkan R3HB sebesar 49.3% dari

glukosa yang terkonsumsi.

2. Fermentasi Mikroba rekombinan untuk Memproduksi Obat-obatan

Rekayasa Mikroba untuk Produksi Tetrahydrobiopterin (BH4)

Gambar 6 . Struktur 3 dimensi dari L-Glycerol 3-phospate

Tetrahydrobiopterin (BH4) merupakan kofaktor yang esensial pada mahluk hidup

tingkat tinggi yang digunakan oleh beberapa enzim seperti phenylalanine hydroxylase,

tyrosine hydroxylase, tryptophan hydroxylase, dan 3 isoform dari NO synthase. Kofaktor ini

sangat penting bagi fisiologi manusia, dimana beberapa penyakit neurologi seperti Dopa-

responsive dystonia dan Parkinson, diakibatkan karena terbatasnya ketersediaan BH4 dalam

tubuh. BH4 digunakan sebagai obat dengan nama generik; sapropterin hydrocloride untuk

mengobati pasien penderita typical hyperphenylalaninemia yang disebabkan oleh defisiensi

integral BH4 pada alur biosintesa.

Sejak tahun 1992 BH4 alami untuk medik telah disintesa secara kimiawi. Tetapi

proses ini sangat sulit karena membutuhkan material yang mahal, proses yang cukup banyak,

dan prosedur penanganan yang rumit. Oleh karena itu, metoda alternatif dengan

menggunakan teknik rekayasa metabolik dikembangkan untuk mendapatkan proses produksi

yang lebih ekonomis dan efisien. Gen dari mamalian yang terkait dengan sintesa GTP

menjadi BH4 telah diklon ke dalam E.coli. Gen tersebut adalah GTP cyclohydrolase I

(GCHI), 6-pyruvoyl-tetrahydropterin synthase (PTPS), dan sepiapterin reductase (SPR).

Gambar 5 di atas merupakan skema rekayasa E.coli yang berhasil memproduksi BH4 sebesar

4.0 g per liter kultur, sehingga bisa diproduksi secara komersial skala industri.

Rekayasa Mikroba untuk Produksi L-Glycerol 3-phosphate (L-G3P)

L-glycerol 3-phosphate (L-G3P) adalah

senyawa kiral yang mempunyai karbon yang

berikatan dengan residu phosphate pada C3

dan 2 gugus hidrosyl berlokasi pada C1 dan

C2 (lihat gambar 6). L-G3P merupakan natural

stereo enantiomer pada semua organisme yang

sangat stabil pada suhu tinggi.

L-G3P merupakan komponen potensial bagi

sintesa monosakarida dan

glycerophospholipid secara enzimatik. Monosakarida bisa disintesa dari L-G3P melalui

dihydroxyacetone phosphate (DHAP). L-G3P merupakan prekursor pada biosintesa

phosphatidic acid, yang merupakan kunci perantara bagi formasi semua glycerophospholipid,

yang

Gambar 8. L-G3P pada pathway biosintesa Glycerol pada S. cerevisiae.

merupakan komponen biologi utama dari membran, seperti lecithine dan phosphatidyl cholin.

Monosakarida

dan glycerophospholipid mempunyai peluang besar dalam pengembangan therapeutic dan

vaksin baru. Sebagai contoh gula melekat pada beberapa protein dan lipid yang ada di

permukaan sel, yang berpartisipasi pada proses biologi seperti sistem imun dan komunikasi

antar sel (gambar 7A). Obat berbasis karbohidrat bisa digunakan sebagai vaksin atau

penghambat bagi pertumbuhan tumor. Gambar 7B menunjukkan vaksin yang digunakan

untuk melawan kanker, berikatan dengan gula tertentu pada permukaan sel tumor. Vaksin

kemudian menginduksi sistem imun untuk menghasilkan antibodi yang memfasilitasi

penghancuran sel tumor. Jenis lain dari obat antiviral berbasis pada molekul kecil yang

berfungsi sebagai inhibitor bagi glycosylation enzyme dalam sel, yang menyebabkan

terjadinya mis-glikosilasi sehingga menimbulkan misfolding dari matrik protein virus.

Dengan demikian virus tersintesa dalam bentuk tidak aktif, yang pada akhirnya akan

didegradasi oleh protease. Obat seperti ini telah diterapkan untuk virus hepatitis B dan

bahkan untuk pengobatan HIV. Kesimpulannya, L-G3P merupakan prekursor bagi

pharmaceuticals yang sangat stabil. Pada S.cerevisiae L-G3P diproduksi dengan cara

mendapatkan mutan S.cerevisiae yang tidak mengandung satu atau dua dari isozyme L-

Glycerol 3-phosphatase (gpp1, gpp2 atau gpp1 gpp2) seperti terlihat di gambar 8. Pada

mutan S.cerevisiae tersebut, dimasukkan gen GPD1 untuk dioverexpresikan. Produksi L-G3P

oleh rekombinan S.cerevisiae mencapai 5 mg/ g sel kering.

Gambar 9. Rekayasa metabolik pada E.coli untuk tujuan bioremediasi merubah parathion menjadi molekul yang non toxic

Fermentasi Mikroba rekombinan untuk Bioremediasi

Pestisida digunakan oleh para petani di Indonesia dalam jumlah yang sangat besar.

Kebanyakan dari pestisida yang digunakan merupakan derivat dari parathion, yang sangat

toksik. Untuk mengatasi hal tersebut, gen opd penyandi parathion hydrolase telah

diklon dan disekuen dari mikroba jenis Pseudomonas dan Flavobacterium, dan kemudian

ditransformasikan ke dalam E.coli dan Pseudomonas putida. Parathion hydrolase mampu

mendegradasi parathion menjadi PNP dan DETP, dimana PNP kemudian diubah menjadi N,

C yang tidak toksik dan bermanfaat bagi pertumbuhan sel oleh satu operon gen pendegradasi

PNP. Sementara itu, gen penyandi enzim phosphodiesterase telah diklon ke E.coli sehingga

mampu menggunakan dietil fosfate sebagai sumber fosfate.

III. KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Teknologi rekayasa metabolik seperti tersebut diatas, teknologi yang berbasis pada

pemahaman alur metabolik, DNA teknologi, komputer desain, dan biokimia. Artinya

teknologi ini tidak memerlukan suatu perangkat mesin kusus yang mahal, tetapi lebih kepada

kombinasi imformasi dari beberapa disiplin ilmu tersebut. Kelebihan teknologi ini dibanding

DNA teknologi adalah lebih kepada optimalisasi proses yang terarah dalam mencapai tujuan.

Dari beberapa pemaparan aplikasi rekayasa metabolik pada mikroba di atas, bisa

diambil kesimpulan bahwa teknologi ini sangat atraktif untuk dikembangkan guna mensintesa

maupun mendegradasi zat – zat target.

Prospek Rekayasa Metabolik di Indonesia.

Sudah menjadi masalah klasik dari suatu negara berkembang adalah minimnya ilmu

pengetahuan dan keinginan untuk menerapkannya. Sehingga berdampak pada persoalan

makro, seperti penggunaan zat kimia beracun, DDT untuk pestisida, ketidakmampuan untuk

mengolah limbah (pertanian, kehutanan dan industri makanan dan untuk memproduksi

material yang bermanfaat, tingginya biaya penelitian yang berbasis bioteknologi serta masih

banyak lagi.

Sementara itu, Indonesia sebagai negara tropis sebenarnya kaya akan berbagai

potensi. Potensi sumber daya alam, yang di dalamnya adalah sumber daya mikroorganisme,

potensi SDM, dengan semakin banyaknya warga negara Indonesia yang belajar ke luar negeri

dan telah kembali dengan membawa pengetahuan yang modern, dan tidak kalah potensi

masalah, karena masalah itu untuk dipecahkan bukan dibiarkan atau ditinggalkan sehingga

menjadi peluang bagi timbulnya kreatifitas, dan yang berikutnya potensi pasar, dimana

Indonesia memiliki penduduk yang besar, dan terletak diantara 2 benua.

Dengan semua potensi tersebut, peluang aplikasi rekayasa metabolik sebenarnya

sangat besar. Tinggal bagaimana pemerintah dan para peneliti memahami dan mendanai

penelitian berbasis teknologi ini.

DAFTAR PUSTAKA

Anderson, A. J., and Dawes, E. A., 1990. Occurrence, metabolism, metabolic role, and industrial uses of bacterial polyhydroxyalkanoates. Microbiol. Rev. 54, 450 – 472

Albertyn, J., Hohmann S., Thevelein, J. M. and Prior B. A. 1994. GPD1 encoding glycerol 3-phosphate dehydrogenase is essential for growth under osmotic stress in Saccharamyces cerevisiae, and its expression is regulated by the high-osmolarity glycerol response pathway. Mol. Cell. Biol. 14, 4135 – 4144.

Doi, Y. 1990. Microbial polyesters. VCH, New York, N.Y.

Dove A. 2001. The bittersweet promise of glycobiology. Nat. Biotechnol. 19, 913 – 917

Eriksson P., Andre, L., Ansell, R., Blomberg, A. and Adler, L. 1995. cloning and characterization of GPD2, a second gene encoding sd-glycerol 3-phosphate dehydrogenase (NAD+) in Saccharomyces cerevisiae, and its comparison with GPD1 Mol. Biol. 17, 95 – 107.

Koeller, K.M., and Wong, C.H. 2000. Emerging themes in medicinal glycoscience. Nat. Biotechnol. 18, 835 – 841

Lee, S.Y. 1996. Bacterial polyhydroxyalkanoates. Biotechnol. Bioeng. 49. 1 – 14