Kuliah 2 FILOGENI MIKROBA
FARMASI – FMIPA – UHAMKA Click to edit Master subtitle 2011 style
Priyo Wahyudi
FILOGENI MIKROBA a. 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)
KLASIFIKASI Apakah itu ? Click toklasifikasi edit Master
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
MANFAAT: §
§
Untuk mempermudah dalam mempelajari organisme yang beraneka ragam Untuk melihat hubungan kekerabatan antar makhluk hidup yang satu dengan yang lai n
Dasar-Dasar Klasifikasi § § § § §
Berdasarkan Persamaan Berdasarkan Perbedaan Berdasarkan Manfaat Berdasarkan Ciri Morfologi dan Anatomi Berdasarkan Ciri Biokimia
Dasar Klasifikasi Mikroba 1.
Morfologi §
§
2.
Mikroba pada umumnya sangat kecil : ukurannya dinyatakan dalam mikrometer (1 µm = 0,001 mm) Ukurannya yang kecil menjadi dasar untuk pengklasifikasikan
Sifat Kimiawi §
§
§
§ §
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
Dasar Klasifikasi Mikroba Sifat Biakan
3. §
§
3.
Sifat Metabolisme §
4.
Zat hara yang diperlukan oleh setiap mikroorganisme berbeda-beda, ada yang memerlukan senyawa kompleks (serum, (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
Sifat Antigenik §
§
Bila mikroorganisme masuk kedalam tubuh, akan terbentuk t erbentuk antibodi yang mengikat antigen. Oleh karena mikroorganisme memiliki antigen yang berbeda, maka antibodi dapat digunakan untuk mencirikan (rapid indentification) i ndentification) terhadap mikroorganisme. Reaksi ini sangat sepesifik sehingga dapat disebut sebagai lock and key system.
Dasar Klasifikasi Mikroba 6.
Sifat Genetik §
§
7.
Patogenitas §
8.
DNA kromosomal 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 (Bdellovibrio)) dan virus (bakteriofag) yang menginfeksi dan menghancurkan bakteri.
Sifat Ekologi §
Habitat merupakan sifat yang mencirikan mikroorganisme. Mikroorganisme yang hidup di lautan berbeda dengan air tawar. tawar. Mikroorganisme yang terdapat dalam rongga mulut berbeda dengan saluran pencernaan.
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 first evide evidence nce for micro microbial bial life can be found 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. Chloroflexus 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 first life life for forms ms may have been been self self-re -replic plicating ating RNAs (RNA life). ). The These se wer were e both both cataly catalytic tic and informational.. Eventually, DNA became the genetic informational repository of cells, and the three-part system— DNA, RNA, and protein—became 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 (Figur e 11.9). 11.9).
•
•
Mitochondria arose from the Proteobacteria, Proteobacteria, a major group of Bacteria 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 (Figure 11.10). 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 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 Tree of Life merepresentasikan Filogeni dari mahluk hidup
Pohon Filogenetik Kehidupan Moderen
Phylogenetic Tree of Life as defined by rRNA sequencing
KRONOMETER MOLEKUL
KRONOMETER MOLEKUL Kronometer : 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 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, Bacteria, Archae Archaea a, 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 ( Plantae)) dan hewan (Animalia (Animalia). ). Mikroorganisme masuk ke dalam Plantae
§
Haeckel (1866) mengusulkan Kingdom baru utk mikroba. Dia menempatkan semua organisme uniselular (mikroskopik) dalam Kingdom baru yaitu "Protista", "Protista", terpisah dari tanaman (Plantae) Plantae) dan hewan (Animalia (Animalia)) yang merupakan organisme multiselular (makroskopik).
4141
Ernst Häckel 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. 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 dari subunit kecil RNA ribosom 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, Eucarya, Bacteria and Archaea. 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 (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 m ikroorganisme 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, Bacteria, Archaea, Archaea, and Eukarya
Taxonom axonomic ic 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 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) ( italicized) Nama Genus selalu diawali dengan huruf besar Nama epiteton specificum tidak huruf besar
5555
Sistem Klasifikasi 3 Domains §
1. Bacteria §
§
Prokariot unicellular dengan dinding sel mengandung peptidoglycan
2. Archaea §
§
1978 Carl Woese
Prokariot unicellular, unicellular, dinding sel tidak mengandung peptodoglycan
3. Eukarya Protista § Fungi § Plantae § Animalia §
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 MIKROBA IDENTIFIKASI : Proses menentukan kelompok takson (taksonomi) dan posisi klasifikasi nya terhadap terhadap suatu spesimen berdasarkan 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 & Diversitas Diversitas Classification, 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.
§
Bergey’s Manual of Systematic Bacteriolog y y § §
1st ed. (1989); mostly phenetic classification; 4 volumes 2nd ed. (2001-2003); mostly phylogenetic classification; 5 volumes
§
Species defined differently 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).
Characters: Very useful in identification! 1) Ecological Characters 2) Genetic Characters
3) Morphological Characters
4) Physiological and Metabolic Characters
Phenetic Identificatio Identification n Use of dichotomous keys for bacteria
Phenetic Identificatio I dentification n Use of multi-test kits and their databases The com combina bination tion of of positive positive resu results lts from from an an unkn unknown own is entere entered d into into a database of results form known bacteria. bacteria. A computer model predicts the most probable match and level of certainty. Intended use is for clinical isolates.
api® substrate utilizati utilization on tests
Molecular Characters § §
Fatty acid profiles (FAME analysis) Proteins § § §
§
Electrophoretic Mobility Immuno-Reactivity A.A. Sequence Data
Nucleic Acids § § §
Nucleotide composition (G+C content ≈ Tm) Degree of Hybridization (>70% ≈ species) Nucleotide Sequence Data
Tm ≈ G+C dsDNA ssDNA
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) 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.
Fig 15.6 Prescott
s
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
