MEKANISME MUTASI PADA BAKTERI Pendahuluan Perubahan Genotipe Genotipe suatu sel ditentukan oleh informasi genetis yang dikandung dalam kromosomnya. Kromosom terdiri dari gen-gen. Gen ialah suatu fungsional yang temurun, menentukan pembentukan suatu polipeptide tertentu dan juga berbagai tipe RNA. Setiap gen terdiri dari beratus-ratus pasangan nukleotide. Misalnya, bila sebuah rantai polipeptide mengandung 300 asam amino maka gen yang menyandikan polipeptide harus mengandung 900 pasang basa (tiga basa untuk setiap asam amino). Ini adalah dasar bagi hubungan satu gen – satu polipeptide. Telah diperkirakan bahwa kromosom bakteri mempunyai kapasitas untuk menyandikan kira-kira 3.000 protein yang berbeda-beda. Tetapi gen manapun dapat berubah atau bermutasi menjadi bentuk lain, sehingga akan memerintahkan pembentukan suatu protein yang berubah atau baru yang pada gilirannya dapat merusak kekhasan selnya (kadang-kadang menyebabkan kematian). Sebagai contoh, subsitusi hanya satu asam amino sekalipun diantara beberapa ratus di dalam sebuah rantai polipeptide dapat menyebabkan protein tersebut tidak berfungsi. Mutasi ialah perubahan di dalam rangkaian nukleotide suatu gen. Ini menimbulkan ciri genetis yang baru, atau genotipe yang berubah. Suatu sel atau organisme yang memperlihatkan efek suatu mutasi disebut mutan. Jadi kita sewaktu-waktu melihat perubahan mendadak pada tumbuh-tumbuhan dan hewan-hewan yang kita kenal. Sekali-sekali seekor kucing albino muncul diantara saudara-saudara seperindukannya yang berwarna hitam, atau sebiji kacang polong berwarna kuning diantara kacang-kacang polong berwarna hijau. Fenomena yang serupa terjadi di antara mikroorganisme. Mutasi adalah peristiwa yang jarang terjadi secara acak dan timbul secara spontan tanpa memperhatikan persyaratan lingkungan. Mutasi bakteri secara spontan dapat terjadi pada laju 1 mutasi saja di dalam 1 juta sel bakteri sampai kepada laju 1 mutasi di dalam 10 milyar sel bakteri. Biasanya mutan-mutan di dalam suatu populasi sel tertutupi (tersembunyi) oleh sel-sel yang tidak mengalami mutasi yang jumlahnya lebih besar. Mengisolasi sebuah sel mutan ialah seperti kata pepatah mencari jarum dalam setumpuk jerami. Namun, para mikrobiologiwan telah mengembangkan teknik-teknik yang mempermudah isolasi mutan yang hanya sedikit saja
jumlahnya itu dari suatu populasi besar sel-sel yang tidak bermutasi (tipe liar). Sebagai
contoh,
sejenis
antibiotik
dapat
dicampurkan
dalam
medium
pertumbuhan untuk mendapat mutan yang resisten terhadap antibiotik tersebut.
Tipe-tipe mutasi Pada taraf molekuler, perubahan-perubahan dalam rangkaian basa purinpirimidin dapat terjadi dengan berbagai cara sehingga mengakibatkan mutasi. Dua tipe yang umum ialah mutasi titik dan mutasi pergeseran kerangka. 1. Mutasi titik Mutasi titik terjadi sebagai akibat tersubsitusinya satu nukleotide oleh yang lain di dalam rangkaian nukleotide tertentu suatu gen. Subsitusi satu purin oleh purin yang lain atau satu pirimidin oleh pirimidin yang lain disebut mutasi titik tipe transisi. Sedangkan penggantian satu purin oleh pirimidin atau sebaliknya disebut transversi. Subsitusi pasangan basa ini dapat mengakibatkan salah satu dari tiga macam mutasi yang mempengaruhi proses translasi: 1. Triplet gen yang berubah itu menghasilkan sebuah kodon pada mRNA yang menetapkan asam amino yang berbeda dari yang ada di dalam protein yang normal. Mutasi ini disebut mutasi salah arti (missense mutation). Protein semacam itu dapat menjadi tidak berfungsi atau kuran aktif ketimbang protein yang normal. Sebuah contoh yang baik mengenai mutasi salah arti pada manusia ialah penyakit amenia sel-sabit (“sikle-cell anemia”). Penggantian satu basa tunggal pada kodon bagi asam amino kekenam dalam hemoglobin S pada anemia sel sabit. Yaitu GAG yang menyandikan
asam-
glutamat,
dapat
berubah
menjadi
GUG
yang
menyandikan valin. Di bawah konsentrasi oksigen yang rendah, molekul-
molekul hemoglobin S yang berubah itu bertumpuk menjadi kristal, sehingga bentuk sel-sel darah merah menjadi seperti sabit.
2. Triplet gen yang berubah itu menghasilkan sebuah kodon pada mRNA yang mengakhiri rantai, mengakibatkan berakhirnya pembentukan protein sebelum waktunya selama translasi. Ini disebut mutasi nonsens. Hasilnya ialah suatu polipetide tak lengkap yang tidak berfungsi.
3. Triplet gen yang berubah itu menghasilkan sebuah kodon mRNA yang menetapkan asam amino yang sama karena kodon yang menghasilkan dari mutasi merupakan sinonim dari kodon aslinya. Ini adalah mutasi netral.
1. Mutasi pergeseran kerangka Mutasi ini merupakan akibat penambahan atau kehilangan satu atau lebih nukleotide di dalam suatu gen. Hal ini mengakibatkan bergesernya kerangka pembacaan. Selama berlangsungnya sintesis protein, pembacaan sandi genetis dimulai dari satu ujung acuan protein, yaitu mRNA, dan dibaca sebagai satuan tiga basa secara berurutan. Karena itu mutasi pergeseran kerangka pada umumnya menyebabkan terbentuknya protein yang tidak berfungsi sebagai akibat disintesisnya asam amino yang sama sekali baru dari pembacaan rangkaian
nukleotide
mRNA
yang
telah
bergeser
kerangkanya
(yang
ditranskripsikan dari mutasi pada DNA sel). Terjadinya mutasi Mutasi paling umum terjadi selama replikasi DNA. Beberapa mutasi terjadi sebagai akibat yang ditimbulkan oleh cahaya ultraviolet atau sinar X. Karena unsur-unsur ini merupakan bagian yang tak terhindarkan dari lingkungan (misalnya cahaya UV adalah komponen cahaya matahari), maka mungkin inilah yang menyebabkan banyaknya mutasi spontan. Namun, laju mutasi dapat ditingkatkan secara nyata dengan cara menyinari biakan dengan sinar-sinar tersebut. Unsur mana saja yang dapat mempertinggi laju mutasi disebut mutagen. Mutasi yang diperoleh dengan menggunakan mutagen dikatakan terinduksi, dan bukan spontan, sekalipun bedanya mungkin hanya apda frekuensinya, bukan pada macamnya. Sebagai contoh cahaya UV menyebabkan mutasi pada kondisi-kondisi baik alamiah maupun labolatoris. Tetapi, jumlah mutan yang diperoleh dengan kondisi-kondisi labolatoris lebih tinggi, karena tingginya dosis UV yang digunakan. Tidak
satu
pun
mekanisme
tertentu
yang
dapat
diusulkan
untuk
menerangkan pengaruh mutagenik sinar X. Karena sinar X dapat menyebabkan pecahnya banyak ikatan kimiawi yang berbeda-beda macamnya, maka mungkin
merusak DNA dengan berbagai cara. Pengaruh utama cahaya UV ialah menyebabkan pembentukan dimer dengan ikatan silang antara pirimidinpirimidin yang bersebelahan, terutama timin. Dimer ini mengacaukan proses replikasi yang normal. Penemuan yang paling banyak membuka rahasia mutasi pasa tahuntahun belakangan ini datang dari penelitian mengenai pengaruh mutagenik berbagai bahan kimia. Ada dua tipe senyawa kimia yang mutagenik. Yang pertama terdiri dari senyawa-senyawa yang dapat bereaksi secara kimiawi dengan DNA. Karena kekhususan replikasi DNA bergantung pada ikatan purinpirimidin, yang diakibatkan oleh ikatan hidrogen antara gugusan-gugusan amino dan hidroksil pada purin-pirimidin, maka modifikasi kimiawi gugusan-gugusan amino dan hidroksil ini dapat menyebabkan mutasi. Asam nitrous, yang dapat membuang gugusan amino dari purin dan pirimidin, adalah mutagen semacam itu. Tipe zat kimiawi mutagenik yang kedua terdiri dari analog-analog basa. Ini adalah zat-zat kimia yang strukturnya cukup menyamai basa-basa pada DNA yang normal sehingga dapat menggantikannya selama berlangsungnya replikasi DNA. Meskipun strukturnya mirip, analog basa tidak mempunyai sifat ikatan hidrogen yang sama seperti basa yang normal. Karena itu dapat menyebabkan terjadinya kesalahan dalam replikasi yang mengakibatkan mutasi. Reparasi mutasi Telah disebutka bahwa kerusakan DNA dapat disebabkan oleh radiasi UV, sinar X, dan zat-zat kimia tertentu. Untungnya sel mengandung enzim-enzim khusus yang dapat mereparasi DNA yang rusak. Dengan cara beberapa sel yang terpengaruh dapat melanjutkan fungsinya dengan normal. Banyak macam sel bakteri dan khamir telah diperlihatkan memiliki mekanisme fotoreaktivasi yang efisien untuk mereparasi kerusakan yang disebabkan oleh radiasi UV. Fotoreaktivasi ini terjadi ketika sel-sel yang terkenai dosis cahaya UV yang mematikan segera dikenai cahaya kasatmata. Suatu enzim khusus,
yang digiatkan oleh cahaya kasatmata,
memotong
atau
menguraikan ikatan antara dimer-dimer yang terbentuk akibat terkenai cahaya UV dan memulihkan aktivitas normal sel-sel yang rusak itu. Beberapa bakteri mempunyai enzim yang disebut endonuklease dan eksonuklease, yang memotong segmen DNA yang rusak. Kemudian enzim-enzim yang lain, polimerase dan ligase, memperbaiki bagian yang pecah itu dengan
cara mengisi celah-celah itu dan menggabung-gabungkan pototngan-potongan tersebut menjadi satu. Perlu diperhatikan bahwa bila DNA yang mengandung dimer-dimer pirimidin bereplikasi pada bakteri dengan kemampuan reparasi eksisi yang cacat, maka sintesis utasan yang baru akan berhenti pada posisi dimer tersebut tetapi berlanjut pada jarak tertentu setelah itu. Celah tersebut dapat terisi dengan cara menukar dan menggabungkan fragmen-fragmen yang mengandung utasan-utasan DNA yang menumpuk yang celah-celahnya tidak berimpit. Selanjutnya, karena replikasi terinterupsi dan dengan demikian terhalangi pada celah ini, maka
utasan-utasan dengan celah yang jumlahnya lebih sedikit
bereplikasi dengan lebih cepat dan pada akhirnya dapat mempersedikit jumlah DNA yang rusak. Laju mutasi Laju mutasi ialah peluang bagi suatu sel untuk bermutasi ketika terjadi pembelahan sel. Jadi laju mutasi pada umumnya didefinisikan sebagai jumlah rata-rata mutasi per sel per pembelahan, dan dinyatakan sebagai pangkat negatif per pembelahan sel. Sebagai contoh. Bila ada satu peluang dalam sejuta bahwa suatu gen akan bermutasi ketika selnya membelah. Maka laju mutasi bagi satu gen tunggal mana pun sama dengan 10-6 per pembelahan sel. Pada umumnya, laju mutasi bagi satu gen tunggal berkisar antara 10 -3 dan 10-9 per pembelahan sel. Laju mutasi mempunyai implikasi praktis. Karena gen bermutasi secara acak dan tidak bergantung satu dengan lainnya, maka peluang terjadinya dua mutasi di dalam sel yang sama merupakan produk dari masing-masing laju mutasi tunggalnya. Jadi, misalnya bila laju mutasi untuk resistensi terhadap penisilin
ialah
10-8
per
pembelahan
sel
dan
untuk
resistensi
terhadap
streptomisin ialah 10-6 per pembelahan sel, maka peluang terjadinya kedua mutasi tersebut di dalam sel yang sama ialah 10-6 x 10-8, atau 10-14 laju mutasi ini amat rendah. Karena alasan inilah maka umum sekali dilakukan pemberian dua antibiotik sekaligus dalam pengobatan beberapa penyakit. Sebagai contoh, kombinasi penisilin G dan streptomisin telah terbukti ampuh untuk mengobati infeksi oleh streptokokus. Sel yang telah menjadi resisten terhadap satu antibiotik masih bisa dihambat atau dibunuh oleh antibiotik yang lain.
Tipe-tipe mutan bakteri Karena semua sifat sel-sel hidup pada akhirnya dikendalikan oleh gen. Maka ciri sel yang mana pun dapat berubah karena mutasi. Berbagai ragam mutan bakteri telah diisolasi dan dipelajari secara intensif. Beberapa dari tipetipe utama mutan adalah sebagai berikut: 1. Mutan yang memperlihatkan toleransi yang meningkat terhadap unsurunsur penghambat, terutama antibiotik (mutan yang resisten terhadap antibiotik atau obat-obatan). 2. Mutan yang menunjukkan kemampuan fermentasi yang berubah, atau meningkatnya
atau
berkurangnya
kapasitas
untuk
menghasilkan
beberapa produk akhir. 3. Mutan yang mempunyai defisiensi akan nutrisi, yaitu membutuhkan medium yang lebih kompleks untuk tumbuhnya ketimbang biakan aslinya 4. Mutan yang memperlihatkan perubahan dalam bentuk koloni atau kemampuan untuk menghasilkan pigmen 5. Mutan yang menunjukkan perubahan pada struktur permukaan dan komposisi selnya (mutan antigenetik) 6. Mutan yang resisten terhadap aksi bakteriofage 7. Mutan
yang
memperlihatkan
beberapa
perubahan
pada
ciri-ciri
morfologis, misalnya hilangnya kemampuan untuk , menghasilkan spora, kapsul, atau flagel. Dari daftar diatas jelaslah bahwa semua ciri khas bakteri dapat berubah melalui proses mutasi. Juga jelas bahwa beberapa dari perubahan-perubahan khusus yang disebabkan oleh mutasi ternyata serupa atau sama dengan yang diakibatkan oleh perubahan kondisi lingkungan. Maka dari itu perlu dipastikan secara eksperimental bahwa suatu perubahan itu benar-benar disebabkan oleh mutasi dan bukanlah merupakan tangggapan terhadap lingkungan. Ada banyak implikasi praktis yang berkaitan dengan terjadinya mutan mikrobe. Hal ini digambarkan oleh contoh-contoh berikut: 1. Diketahui ada beberapa mikroorganisme yang menggambarkan resistensi terhadap antibiotik-antibiotik tertentu akibat mutasi. Kenyataan inin sangat penting dalam pengobatan penyakit karena antibiotik yang pada mulanya efektif untuk mengendalikan suatu infeksi bakterial menjadi kurang atau tidak lagi efektif ketika muncul mutan-mutan yang resisten terhadap antibiotik yang bersangkutan.
2. Dapat diisolasi mutan biokimiawi yang mampu menghasilkan suatu produk akhir dalam jumlah besar. Hal ini penting dalam industri. 3. Pemeliaharaan biakan murni spesies-spesies jasad renik yang tipikal menysaratkan tercegahnya mutasi, kalau tidak, maka biakan tersebut tidak akan tipikal lagi. 4. Mutan mikrobe telah digunakan secara meluas di dalam penyelidikan berbagai proses biokimiawi. Banyak mutan mungkin sebagian besar, dapat balik ke kondisi liar melalui mutasi balik, yaitu kembalinya sel-sel mutan ke fenotipe asalnya. Akan tetapi, hal ini tidak mesti disebabkan oleh pembalikan mutasi aslinya secara tepat. Kadang-kadang pengaruh mutasi asli dapat ditekan sebagai atau seluruhnya oleh mutasi kedua pada situs yang berbeda pada kromosom. Cara Perkembangbiakan bakteri: Bakteri umumnya melakukan reproduksi atau berkembang biak secara aseksual (vegetatif = tak kawin) dengan membelah diri. Pembelahan sel pada bakteri adalah pembelahan biner yaitu setiap sel membelah menjadi dua. Reproduksi bakteri secara seksual yaitu dengan pertukaran materi genetik dengan bakteri lainnya. Pertukaran materi genetik disebut rekombinasi genetik atau rekombinasi DNA. Rekombinasi genetik dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu: 1. Transformasi adalah pemindahan sedikit materi genetik, bahkan satu gen saja dari satu sel bakteri ke sel bakteri yang lainnya.
transformasi 2. Transduksi adalah pemindahan materi genetik satu sel bakteri ke sel bakteri lainnnya dengan perantaraan organisme yang lain yaitu bakteriofage (virus bakteri).
transduksi 3. Konjugasi adalah pemindahan materi genetik berupa plasmid secara langsung melalui kontak sel dengan membentuk struktur seperti jembatan diantara dua sel bakteri yang berdekatan. Umumnya terjadi pada bakteri gram negatif.
Konjugasi
