i
1
PRINSIP-PRINSIP BIOTEKNOLOGI MIKROBA
Diajukan sebagai tugas mata kuliah Bioteknologi
Dosen Pengampu: Nurul Asikin M.Pd
Disusun Oleh:
Tree Evriyanti 140384205014
Elsa Deswita 140384205021
Siti Kamalia 140384205027
Fachrian 140384205033
Retno Puri Wulandari 140384205056
JURUSAN PENDIDIKAN BIOLOGI
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS MARITIM RAJA ALI HAJI
TANJUNGPINANG
2017
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penyusun ucapkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan kesempatan, kesehatan sehingga dapat menyelesaikan makalah tentang "Prinsip-prinsip Dari Bioteknologi Mikroba" yang merupakan salah satu tugas yang diberikan kepada mahasiswa untuk melengkapi penilaian dalam mengikuti mata kuliah Bioteknologi semester genap 2017.
Penyusun mengucapkan terimakasih kepada BapakNurul Asikin, M.Pd selaku dosen pengampu mata kuliah Bioteknologi, atas bimbingan dan materi yang telah diberikan kepada penyusun dalam kegiatan pekuliahan.
Andai kata dalam penulisan makalah ini terdapat banyak kesalahan dan kekurangan, Penyusun mengharapkan kritik dan saran yang membangun agar dapat memperbaiki penulisan di masa yang akan datang.
Tanjungpinang, 01 Mei 2017
Penyusun
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR i
DAFTAR ISI ii
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Rumusan Masalah 1
1.3 Tujuan Penulisan 1
BAB II PEMBAHASAN 2
2.1 Pengertian Bioteknologi Mikroba 2
2.2 Prinsip-prinsip Bioteknologi Mikroba 8
2.3 Aplikasi Bioteknologi Mikroba Dalam Kehdupan Sehari-hari 22
BAB III PENUTUP 33
3.1 Kesimpulan 33
3.2 Saran 33
DAFTAR PUSTAKA 1
BAB I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Bioteknologi berasal dari dua kata, yaitu 'bio' yang berarti makhuk hidup dan 'teknologi' yang berarti cara untuk memproduksi barang. Dengan definisi tersebut bioteknologi bukan merupakan sesuatu yang baru. Nenek moyang kita telah memanfaatkan mikroba untuk membuat produk-produk berguna seperti tempe, oncom, tape, arak, terasi, kecap, yogurt, dan nata de coco . Hampir semua antibiotik berasal dari mikroba, demikian pula enzim-enzim yang dipakai untuk membuat sirop fruktosa hingga pencuci pakaian.
Bioteknologi adalah penggunaan biokimia, mikrobiologi, dan rekayasa genetika secara terpadu, untuk menghasilkan barang atau lainnya bagi kepentingan manusia. Biokimia mempelajari struktur kimiawi organisme. Rekayasa genetika adalah aplikasi genetik dengan mentransplantasi gen dari satu organisme ke organisme lain.Bioteknologi adalah cabang ilmu yang mempelajari pemanfaatan makhluk hidup (bakteri, fungi,virus, dan lain-lain) maupun produk dari makhluk hidup (enzim, alkohol) dalam proses produksi untuk menghasilkan barang dan jasa. Dewasa ini, perkembangan bioteknologi tidak hanya didasari padabiologi semata, tetapi juga pada ilmu-ilmu terapan dan murni lain, seperti biokimia, komputer, biologimolekular, mikrobiologi, genetika, kimia, matematika, dan lain sebagainya. Dengan kata lain, bioteknologi adalah ilmu terapan yang menggabungkan berbagai cabang ilmu dalam proses produksi barang dan jasa.
1.2 Rumusan Masalah
Apakah prinsip-prinsip dari bioteknologi?
Bagaimana perkembangan bioteknologi mikroba?
Bagaimanakah aplikasi bioteknologi mikroba ?
1.3 Tujuan Penulisan
Untuk mengetahui prinsip-prinsipbioteknologi
Untuk mengetahui perkembangan bioteknologi mkroba
Untuk mengetahui aplikasi dari bioteknologi mikroba
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Pengertian Bioteknologi Mikroba
Penggunaan mikroorganisme untuk keperluan industri berskala besar merupakan sejarah yang lama, yang jauh sebelum diketahui bentuk sesungguhnya dari mikroorganisme. Selama berabad-abad, bir, anggur, cuka, kecap dan makanan fermentasi lainnya diproduksi melalui fermentasi spontan menggunakan mikroorganisme alami. Kualitas dan produktivitas produk awal ini sering tidak konsisten. Pengembangan dari penyaringan ilmiah dan metode isolasi memungkinkan pemilihan yang diinginkan. Metode ini, ditambah dengan kemajuan teknologi dalam sterilisasi media kultur berskala besar, dan penyediaan yang memadai, seperti suplai oksigen, memungkinkan eksploitasi mikroorganisme anaerobik (ragi dan beberapa bakteri) dan mikroorganisme aerobik (jamur dan beberapa bakteri). Contoh umumnya adalah: pengembangan proses berskala besar untuk produksi asam sitrat, Asam amino dan antibiotik; Dalam perbaikan biotransformasi steroid Hormon, serta produksi massal banyak enzim.
Bioteknologi mikroba adalah pemanfaatan mikroba dalam prinsip – prinsip dan kerekayasaan terhadap organisme, sistem, atau proses biologis untuk menghasilkan atau meningkatkan potensi organisme maupun menghasilkan produk dan jasa bagi kepentingan hidup manusia. Mikroba adalah sejenis organisme yang sangat kecil dan tidak dapat dilihat oleh mata telanjang, sehingga diperlukan alat khusus untuk melihatnya. Mikroorganisme yang terdapat melimpah yaitu bakteri, mikroba juga termasuk virus, jamur seperti yeast dan mold, ganggang, organisme bersel tunggal yaitu protozoa. Mikroba-mikroba tersebut mempunyai banyak peranan yang penting dalam bioteknologi.
Bioteknologi mikroba semakin berkembang saat proses fermentasi secara terus menerus dikembangkan untuk produksi protein mikroba makanan dan pakan, dari produk sampingan industri, seperti metanol dan alkana. Proses ini menyebabkan penghematan besar dalam biaya modal, energi dan tenaga kerja. Teknik modern manipulasi gen, dan bioinformatika mutakhir dan biocomputing adalah alat yang sangat ampuh untuk genomik, proteomik dan metabolomik penelitian. Terobosan ilmiah yang telah terjadi telah terjadi layak dilakukan industri pembuatan produk non mikroba, seperti Hormon pertumbuhan manusia, vaksin interferon dan virus; dan didefinisikan pendekatan dalam pemantauan dan pengendalian proses fementasi.
Adapun data beberapa mikroorganisme adalah sebagi berikut:
Bakteri
Sel bakteri lebih kecil (1-5 µm, 1µm= 0,001 mm) daripada sel eukariotik (10-100 µm) dan mempunyai struktur yang lebih sederhana. Sel bakteri juga menunjukkan struktur sebagai berikut:
Nukleus tidak mengandung DNA dan khususnya terdiri dari kromosom yamg sirkular dan tunggal yang sedikit mengandung protein histon.
Bakteri mungkin mengandung DNA plasmid.
Bakteri mempunyai sedikit membran yang mengikat organel.
Struktur dinding sel yang mengelilingi berbeda dari dinding sel tanaman.
Komposisinya terdiri dari polisakarida yang lengkap protein yang disebut peptidoglikan, dinding sel dilindungi dalam mempertahankan bentuknya. Pada Archae strukturnya tidak mengandung peptidoglikan.
Kebanyakan bakteri diklasifikasikan berdasarkan zat warnanya, teknik ini untuk menentukan zat warna pada dinding bakteri. Bakteri gram positif mempunyai struktur dinding sel yang sederhana yang kaya akan peptidoglican sementara pada bakteri gram negatif mempunyai struktur dinding sel yang komplek yang sedikit mengandung peptidoglican. Bakteri tidak multiseluler seperti halnya hewan dan tanaman, meskipun beberapa bakteri mampu berasosiasi dengan masing-masing bakteri sehingga membentuk rantai atau filamen dari banyak sel yang dihubungkan.
Bakteri tumbuh dan membelah sangat cepat dalam kondisi ideal, banyak sel bakteri membelah tiap 20 menit bila dibandingkan dengan sel eukariotik yang tumbuh dalam waktu 24 jam atau lebih lama sebelum mereka membelah. Tiap-tiap sel bakteri membelah membentuk 2 sel individu baru. Oleh karena itu di bawah kondisi tumbuh yang menyenangkan di dalam laboratorium, populasi sel bakteri dapat membelah dengan cepat untuk menghasilkan berjuta-juta sel yang identik. Karena bakteri sangat kecil, jutaan sel dapat tumbuh dalam tempat kecil yang berisi sel agar-agar atau media biakan cair. Ketika tumbuh dalam tempat biakan ,tiap-tiap sel bakteri membelah secara khas untuk membentuk koloni sirkuler yang mengandung ribuan bahkan jutaan sel. Untuk berbagai penerapan dalam bioteknologi, bakteri sering tumbuh dalam fermenter yang dapat menahan beribu liter dari media biakan cair.
Hal itu juga relatif muda untuk membuat strain mutan dari bakteri yang dapat digunakan untuk pelajaran molekuler dan genetik. Mutan dapat diciptakan dengan mengekspos bakteri dengan sinar X, sinar ultraviolet dan berbagai macam zat kimia yang memutasikan DNA (mutagen). Untuk jawaban ini, bakteri bukan merupakan satu-satunya organisme favorit dari banyak mikrobiologi, tetapi juga mikroorganisme ideal untuk dipelajari dalam biologi molekuler genetika, biokimia dan bioteknologi.
Pembagian bakteri berdasarkan bentuk :
Bakteri berbentuk bulat
Dapat di bedakan atas beberapa grup berdasarkan pengelompokan selnya, yang merupakansalah satu sifat yang penting dalam identifikasi, yaitu:
Diplokokil : sel berpasangan (dua sel)
Streptokokil : rangkaian sel membentuk rantai panjang atau pendek
Tedtrat : empat sel membentuk persegi empat
Stapilokkil : kumpulan sel yang tidak beraturan seperti buah anggur
Sarcinae : kumpulan sel berbentuk kubus yang terdiri dari 8 sel putih.
Bakteri berbentuk batang
Mungkin dapat dalam bentuk berpasangan atau membebtuk rantai. Pengelompokan ini pada beberapa kedalam bukan merupakan sifat morfologinya melaiankan dipengaruhi oleh tahap pertumbuhan atau kondisi kultur.
Bakteri berbentuk spiral (tunggal, spirilium:jamak, spirilia)
Kapang (Mold)
Kapang adalah mikroorganisme yang termasuk kedalam anggota kingdom Fungi yang membentuk hifa, memiliki filamen (miselium). Sebagian besar kapang merupakan anggota dari Ascomycetes. Pertumbuhan kapang pada makanan mudah dilihat karena penampakannya yang berserabut seperti kapas.
Sifat Fisiologi Kapang :
Kebutuhan air
Pada umumnya kebanyakan kapang membutuhkan air minimal untuk pertumbuhan lebih rendah dibandingkan khamir dan bakteri. Kadar air bahan pangan kurangdari 14 – 15 %, misalnya oada beras dan serealia dapat menghambat atau memperlambat pertumbuhan kebanyakan khamir.
Suhu pertumbuhan
Kebanyakan kapang bersifat mesofilik, yaitu tumbuh baik poada suhu khamar. Suhu optimum pertumbuhan untuk kebanyakan kapang adalah sekitar 20 – 30 0C tetapi beberapa dapat tumbuh pada suhu 35 – 370C atau lebih tinggi, misalnya asperngillus. Beberapa kapang bersifat psikrotrofik, yaitu tumbuh baik pada suhu lemari es, dan beberapa dapat tumbuh lambat pada suhu dibawah suhu pembekuan. Misalnya suhu -50C sampai -100C
Kebutuhan oksigen dan pH
Semua kapang bersifat aerobic, yaitu membutuhkan oksigen untuk pertumbuhan. Kebanyakan kapang dapat tumbuh pada kisaran pH yang lias, yaitu 2 – 8,5. Tetapi biasanya pertumbuhannya akan lebih baik pada kondisi asam atau pH rendah.
Makanan
Pada umumnya kapang apat menggunakan berbagai komponen makanan dari yang sederhana sampai kompleks. Kebanyakan kapang mempunyai enzim hidrolitik misalnya amylase, pektinase, proteinase, dan lipase. Oleh karena itu dapat tumbuh pada makanan yang mengandung pati, pectin, protein, atau lipid.
Khamir (Yeast)
Istilah khamir umumnya digunakan untuk bentuk-bentuk yang menyerupai jamur dari kelompok Ascomycetes yang tidak berfilamen tetapi uniseluler berbentuk ovoid atau spheroid. Khamir ada yang bermanfaat ada pula yang membahayakan bagi manusia. Fermentasi khamir banyak digunakan dalam pembuatan roti, bir, wine, vinegar dan sebagainya. Khamir yang tidak diinginkan adalah yang pada makanan dan menyebabkan kerusakan pada saurkraut, jus buah, sirup, molase, madu, jelly, daging dan sebagainya.
Karakteristik Umum Khamir
Khamir dapat diklasifikasikan berdasar pada karakteristik morfologinya namun demikian sifat fisiologi juga dipentingkan bagi para ahli mikrobiologi pangan.
Karakteristik morfologi khamir dideterminasi menggunakan uji mikroskopis:
Bentuk dan Struktur
Bentuk khamir dapat sperikal sampai ovoid, kadang dapat membentuk miselium semu. Ukuran juga bervariasi. Struktur yang dapat diamati meliputi dinding sel, sitoplasma, vakuol air, globula lemak dan granula.
Reproduksi
Kebanyakan khamir melakukan reproduksi secara aseksual melalui pembentukan tunas secara multilateral ataupun polar. Reproduksi secara seksual menghasilkan askospora melalui konjugasi dua sel atau konjugasi dua askospora yang menghasilkan sel anakan kecil. Jumlah spora dalam askus bervariasi tergantung macam khamirnya.
Karakteristik Kultur
Khamir dapat membentuk lapisan film di atas permukaan medium cair. Produksi pigmen karotenoid menandakan adanya pertumbuhan genus Rhodotorula. Sulit membedakan antara khamir dengan bakteri pada medium agar, kecuali dengan mikroskop. Koloni khamir yang masih muda biasanya lembab dan sering berlendir dengan warna putih beberapa berwarna merah muda. Khamir ada yang bersifat oksidatif, fermentatif ataupun keduanya. Khamir yang oksidatif dapat tumbuh dengan membentuk lapisan film pada permukaan medium cair sedang yang fermentatif biasanya tumbuh dalam cairan medium.
Fungi ada yang bersifat parasit dan saprofit. Parasit apabila dalam memenuhi kebutuhan makannya dengan mengambil dari benda hidup yang ditumpanginya, sedanghan saprofit apabila memperoleh makanan dari benda mati dan tidak merugikan benda itu sendiri. Fungi dapat mensintesis protein dengan mengambik sumber karbon dari karbohidrat, sumber nitrogen dari bahan organik atau anorganik dan mineral dari substratnya. Ada juga fungi yang dapat mensintesis vitamin-vitamin yang dibutuhkan dan perkembangbiakan sendiri sehingga harus mendapatkan dari substrat, misalkan thiamin dan biotin.
Gambar 1. Bentuk Bakteri dan Tabel Jenis MikrobaGambar 1. Bentuk Bakteri dan Tabel Jenis Mikroba
Gambar 1. Bentuk Bakteri dan Tabel Jenis Mikroba
Gambar 1. Bentuk Bakteri dan Tabel Jenis Mikroba
Gambar 2. Mold, Bacteria, YeastGambar 2. Mold, Bacteria, Yeast
Gambar 2. Mold, Bacteria, Yeast
Gambar 2. Mold, Bacteria, Yeast
2.2 Prinsip-prinsip Bioteknologi Mikroba
Untuk itu, akan dijabarkan mengenai prinsip-prinsip yang digunakan dalam Bioteknologi Mikroba :
Screening Mikroba
Screening adalah proses untuk mendapatkan mikroorganisme yang potensial untuk aplikasi industry. Screening meliputi tahapan isolasi dan seleksi. Isolasi adalah kegiatan pemisahan suatu kultur mikroorganisme sari campuran biakan beberapa jenis mokroorganisme yang terdapat di alam. Seleksi dilakukan dengan manipulasi kondisi lingkungan (pH, temperature, aerob, anaerob, dan sebagainya) dan komposisi media tumbuh sehingga di peroleh suatu jenis mokroorganisme yang memiliki kemampuan untuk menghasilkan reaksi atau produk yang kita inginkan.
Seleksi suatui kultur harus menggabungkan antara produktifitas mikroorganisme dan factor ekonomi lainya. Secara umum pemilihan suatu mikroorganisme yang akan digunakan untuk proses produksi memenuhi kriteria sebagai berikut:
Kemampuan untuk beradaptasi untuk proses prodiksi fermentasi yang murah
Temperature optimum pertumbuhan mikroorganisme di atas 400C.
Kemampuan untuk mengkonvensi subtract (produktifitas) tinggi
Memiliki kestabilan genetic
Kemampuan beradaptasi dengan reactor dan tipe proses yang di gunakan
Kemudahan memisahkan produk (recovery) dan kultur.
Isolasi dapat digunakan untuk beberapa cara yaitu:
Secara konvensional yaitu isolasi yang di lakukan dengan cara bertingkat..
Tingkat pertama biasa di lakukan dengan cara manual yaitu dengan cara Sejauh mungkin mengencerkanya. Beberapa tingkat terakhir dipupuk pada media padat dengan harapan akan tumbuh koloni-koloni yang terpisah jauh hingga dapat di ambil satu koloni yang dianggap murni untuk sementara.
Tingkat kedua adalah dengan media yang bersifat selektif bagi mokroba tertentu atau beberapa mikroba tertentu yang mungkin masih satu golongan.
Tingkat ketiga dari koloni yang seolah-olah sudah murni mungkin masih perlu untuk di encerkan kembali atau diisolasi ulang agar tingkat kemudianya lebih memungkinkan.
Secara modern yaitu isolasi dengan menggunakan alat yang canggih yaitu alat micromanipulator. Alat ini terdiri dari alat manipulator yang dapat di lihat melalui suatu mokroskop.
Secara kultur khusus artinya media khusus yang bersifat memberi kemudahan bagi tumbuhnya galur mikroba tertentu yang diinginkan saja dan dapat mengalami tumbihnya mikroba yang tidak di kehendaki. Cara ini masih di mungkunkan tumbuhnya galur lain dengan sifat yang hamper sama, jadi kan lebih baik bila dilanjutkan dengan pengenceran sehingga hasilnya akan lebih meyakinkan terutama dalam hal kemurniannya. Cara ini sering disebut pula dengan cara kultur pemerkaya dan istilah inggrisnya Enrichment culture.
Untuk keperluan industry, mikroba dalam prakteknya dapat diisolasi dari alam dan untuk memperoleh kultur yang murni, kultur tersebut biasanya di peroleh dari lingkungan khusus yang juga lain dari pada yang lain (kondisi lingkungan yang ekstrim). Walaupun mokroba ini sifatnya dpat hidup dimana saja, mokroba untuk kepentingan industry biasanya diisolasi dari tanah, danau, dan lumpursungai. Program isolasi yang sifat khususnya dan secara besar-besaran di laboratorium prosedur khusus dengan menggunakan media yang di beri tambahan nutrisi khusus dapat di rancang untuk melakukan isolasi terhadap mikroba tanah, air, ataupun air laut yang sifatnya khusus tersebut.
Tahap-tahap isolasi:
Pengambilan sampel dari alam
Pengencaran sampel dalam air steril
Penyimpanan media agar pembiakan
Pencampuran agar pada sampel cawan petri
Inkubasi
Pemeriksaan hasil inkubasi.
Teknologi Bioproses
Teknologi bioproses adalah teknologi yang berkaitan dengan segala operasi dan proses yang memanfaatkan mikroorganisme, baik dalam fasa hidupnya maupun produk-produk enzimnya. Teknologi bioproses merupakan gabungan antara bioteknologi dan teknik kimia. Fermentasi memegang peranan penting dalam bioproses, karena merupakan kunci (proses utama) bagi produksi bahan-bahan yang berbasis biologis.
Contoh Teknologi Bioproses adalah fermentasi dan biokatalisis
Fermentasi
Fermentasi adalah proses terjadinya penguraian senyawa-senyawa organik untuk menghasilkan energi serta terjadi pengubahan substrat menjadi produk baru oleh mikroba (Madigan, 2011). Fermentasi berasal dari bahasa latin ferfere yang artinya mendidihkan. Fermentasi merupakan pengolahan subtrat menggunakan peranan mikroba (jasad renik) sehingga dihasilkan produk yang dikehendaki (Muhiddin, 2001). Produk fermentasi berupa biomassa sel, enzim, metabolit primer maupun sekunder atau produk transformasi (biokonversi).
Proses fermentasi mendayagunakan aktivitas suatu mikroba tertentu atau campuran beberapa spesies mikroba. Mikroba yang banyak digunakan dalam proses fermentasi antara lain khamir, kapang dan bakteri. Teknologi fermentasi merupakan salah satu upaya manusia dalam memanfaatkan bahan-bahan yang berharga relatif murah bahkan kurang berharga menjadi produk yang bernilai ekonomi tinggi dan berguna bagi kesejahteraan hidup manusia.
Jenis-jenis Fermentasi
Berdasarkan produk yang dihasilkan, fermentasi dibagi menjadi dua jenis, yaitu (Belitz, 2009):
Homofermentatif, yaitu fermentasi yang produk akhirnya hanya berupa asam laktat. Contoh homofermentatif adalah proses fermentasi yang terjadi dalam pembutaan yoghurt.
Heterofermentatif, yaitu fermentasi yang produk akhirnya berupa asam laktat dan etanol sama banyak. Contoh heterofermentatif adalah proses fermentasi yang terjadi dalam pembuatan tape.
Berdasarkan penggunaan oksigen, fermentasi dibagi menjadi fermentasi aerobik dan anaerobik. Fermentasi aerobik adalah fermentasi yang memerlukan oksigen, sedangkan fermentasi anaerobik tidak memerlukan oksigen (Fardiaz, 1992).
Berdasarkan proses yang dihasilkan oleh mikroba, fermentasi dibagi menjadi tiga jenis, yaitu:
Fermentasi yang memproduksi sel mikroba (biomass). Produksi komersial dari biomass dapat dibedakan menjadi produksi yeast untuk industri roti, dan produksi sel mikroba untuk digunakan sebagai makanan manusia dan hewan.
Fermentasi yang menghasilkan enzim dari mikroba. Secara komersial, enzim dapat diproduksi oleh tanaman, hewan, dan mikroba, namun enzim yang diproduksi oleh mikroba memiliki beberapa keunggulan yaitu, mampu dihasilkan dalam jumlah besar dan mudah untuk meningkatkan produktivitas bila dibandingkan dengan tanaman atau hewan.
Fermentasi yang menghasilkan metabolit mikroba. Metabolit mikroba dapat dibedakan menjadi metabolit primer dan metabolit sekunder. Produk metabolisme primer yang dianggap penting contohnya etanol, asam sitrat, polisakarida, aseton, butanol, dan vitamin. Sedangkan metabolit sekunder yang dihasilkan mikroba contohnya antibiotik, pemacu pertumbuhan, inhibitor enzim, dan lain-lain.
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Fermentasi
Keberhasilan fermentasi ditentukan oleh beberapa faktor, yaitu:
Keasaman (pH)
Makanan yang mengandung asam bisanya tahan lama, tetapi jika oksigen cukup jumlahnya dan kapang dapat tumbuh serta fermentasi berlangsung terus, maka daya awet dari asam tersebut akan hilang. Tingkat keasaman sangat berpengaruh dalam perkembangan bakteri. Kondisi keasaman yang baik untuk bakteri adalah 4,5-5,5.
Mikroba
Fermentasi biasanya dilakukan dengan kultur murni yang dihasilkan di laboratorium. Kultur ini dapat disimpan dalam keadaan kering atau dibekukan.
Suhu
Suhu fermentasi sangat menentukan macam mikroba yang dominan selama fermentasi. Tiap-tiap mikroorganisme memiliki suhu pertumbuhan yang maksimal, suhu pertumbuhan minimal, dan suhu optimal yaitu suhu yang memberikan terbaik dan perbanyakan diri tercepat.
Oksigen
Udara atau oksigen selama fermentasi harus diatur sebaik mungkin untuk memperbanyak atau menghambat pertumbuhan mikroba tertentu. Setiap mikroba membutuhkan oksigen yang berbeda jumlahnya untuk pertumbuhan atau membentuk sel-sel baru dan untuk fermentasi. Misalnya ragi roti (Saccharomycess cereviseae) akan tumbuh lebih baik dalam keadaan aerobik, tetapi keduanya akan melakukan fermentasi terhadap gula jauh lebih cepat dengan keadaan anaerobik.
Waktu
Laju perbanyakan bakteri bervariasi menurut spesies dan kondisi pertumbuhannya. Pada kondisi optimal, bakteri akan membelah sekali setiap 20 menit. Untuk beberapa bakteri memilih waktu generasi yaitu selang waktu antara pembelahan, dapat dicapai selama 20 menit. Jika waktu generasinya 20 menit pada kondisi yang cocok sebuah sel dapat menghasilkan beberapa juta sel selama 7 jam.
Biokatalisis
Biokatalisis, suatu reaksi kimiawi yang menggunakan katalis biologis (biokatalis), merupakan metoda yang tidak asing dalam proses sintesis kimia organik di ranah akademis maupun dalam tataran industri. Sampai saat ini, metoda tersebut banyak berperan dalam industri kimia dan farmasi, industri pangan dan pakan, serta dalam pengelolaan limbah dan remediasi lingkungan. Sehingga, tidaklah mengherankan, bila biokatalisis dianggap sebagai komponen penting dan bagian yang tak terpisahkan dari industri life-science. Di masa depan, peranan biokatalisis juga akan semakin penting dalam industri kimia modern. Metode ini akan menjadi proses inti untuk memproduksi senyawa yang sulit atau tidak dapat dilakukan dengan teknik-teknik kimia konvensional, seperti dalam sintesa senyawa-senyawa yang bersifat regio-, enansio- dan stereoselektif.
Seperti kita ketahui, kebanyakan farmaseutika adalah molekul-molekul khiral. Inilah salah satu alasan mengapa saat ini industri mulai melirik biokatalisis dan memanfaatkan biokatalis secara ekstensif untuk memproduksi precursor dan ingradien penting untuk produksi farmaseutika. Dan tampaknya, lambat laun biokatalisis mulai menggeser dan menjadi pesaing utama metode sintetik konvensional, yang selama ini digunakan sebagai sarana untuk memproduksi molekul-molekul khiral sebagai bahan baku industri farmasi. Semakin pentingnya peran biokatalisis, dan juga biokatalis, dalam industri, dapat dibuktikan dengan kenyataan bahwa saat ini pasar biokatalis (enzim saja) dalam bisnis global mencapai 1 milyar dolar Amerika.
Biokatalis, yang berupa enzim, sel mikroba (hidup atau mati), yang terikat dalam matriks atau bebas, secara tradisional telah digunakan untuk mengkonversi bahan baku yang berasal dari bahan organik atau bahan baku yang terbarukan. Namun, pemanfaatannya terus meluas, sehingga digunakan juga untuk mengolah material yang berasal dari bahan bakar fosil. Pemanfaatannya juga begitu beragam, dari biotransformasi senyawa khiral secara enzimatis untuk produksi obat sampai desulfurisasi bahan bakar diesel menggunakan mikroba. Dalam skala industri, misalnya, biokatalis telah digunakan untuk produksi fruktosa, aspartame, penisilin semi sintetik dan obat kanker.
Selain itu, biokatalisis dianggap sebagai representasi dari suatu strategi yang menjanjikan dalam menopang konsep "green chemistry". Seperti kita ketahui, isu-isu lingkungan merupakan hal yang penting bagi industri. Pemikiran untuk menekan polusi telah meningkatkan ketertarikan mereka terhadap produk dan proses kimia, yang ramah lingkungan, dapat menekan jumlah limbah dan konsumsi energi, serta yang memihak pada penggunaan sumber daya terbarukan daripada bahan baku berbasis petroleum. Dan tampaknya biokatalisis, secara ideal dapat memenuhi tuntutan itu.
Enzim sebagai biokatalis
Sebagai biokatalis, enzim mempunyai karakteristik yang sangat menarik untuk industri: sangat spesifik, aktif dalam kondisi 'normal', mudah didapat, dan ramah lingkungan. Daya pikatnya berasal dari selektivitasnya yang tinggi, aktif dan bekerja dalam kondisi 'normal', serta limbah yang dihasilkan mudah dituntaskan. Selain itu, reaksi-reaksi yang dijembataninya seringkali mempunyai kemo-, regio- dan stereospesifitas yang tinggi.
Secara umum, enzim digunakan sebagai katalis dalam beragam reaksi, seperti hidrolisis, transesterifikasi, resolusi kinetik dari campuran rasemat, dan lain-lain. Industri proses kimia juga mulai menyadari bahwa enzim bukan hanya efektif sebagai katalis dalam transformasi senyawa-senyawa 'alami' dalam sistem kehidupan, namun juga dapat berperan dalam reaksi serupa dengan senyawa-senyawa 'non-alami'. Atas dasar kelebihan-kelebihan ini, enzim dimanfaatkan untuk mengkatalisis beragam reaksi-reaksi organik dan banyak dilibatkan dalam industri pangan, deterjen, diagnostik, kimia dan farmasi. Sebagai ilustrasi betapa beragamnya kegunaan biokatalis dalam sintesis kimia, pada Tabel 1 ditampilkan beberapa contoh senyawa-senyawa kimiawi yang diproduksi secara enzimatis.
Bila enzim akan dimanfaatkan sebagai biokatalis, maka faktor-faktor berikut yang perlu mendapat diperhatikan:
Spesifitas. Secara umum, enzim bersifat sangat spesifik; dapat bersifat substrat spesifik (selektif terhadap senyawa atau kelompok senyawa tertentu), atau regio-spesifik, atau stereospesifik (selektif hanya terhadap salah satu stereoisomer)
Kofaktor. Untuk bisa berfungsi, beberapa enzim memerlukan keberadaan materi lain, yang disebut sebagai kofaktor. Ada dua macam kofaktor; tipe pertama berupa ion-ion logam sederhana, sedangkan tipe kedua terdiri atas molekul organik yang kompleks, yang disebut sebagai ko-enzim. Semakin kompleks kofaktor yang dibutuhkan, maka akan semakin mahal biaya yang diperlukan, yang pada akhirnya akan membatasi penggunaannya (kecuali ada cara-cara praktis untuk mendapatkannya kembali).
Sumber biologis. Spesifikasi sumber enzim seringkali merupakan hal penting. Enzim dengan nama yang sama tetapi berasal dari sumber yang berbeda seringkali menujukkan perbedaan pula dalam struktur dan sifat-sifatnya
Stabilitas. Secara umum, ezim lebih labil dibandingkan katalis sintetik. Walaupun beberapa dapat beroperasi diatas 60oC, secara umum hanya ada perbedaan yang kecil diantara beragam enzim dalam nilai pH dan suhu operasinya.
Inhibitor. Aktivitas enzim seringkali peka terhadap keberadaan molekul-molekul kecil. Sebagai contoh, enzim dapat dihambat oleh substrat, produk reaksi, atau oleh kontaminan kimiawi yang ada dalam substrat. Dengan demikian, pemahaman tentang mekanisme pengendalian semacam ini dapat merupakan hal penting untuk optimasi proses
Kondisi reaksi. Dalam praktek, ada beberapa contoh enzim yang mampu melakukan reaksi pada suhu lebih rendah dari katalis konvensional, namun rendeman dan kualitas produk yang dihasilkan lebih tinggi, dan sekaligus mengurangi konsumsi enerji untuk produksinya.
Enzim Mikroba
Enzim mikroba digunakan dalam penerapan produksi makanan untuk penelitian biologi molekuler. Karena mikroba merupakan sumber enzim yang baik sekali dan convenien, beberapa enzim yang tersedia diisolasi dan digunakan dalam biologi molekuler yaitu DNA polimerase dan enzim retriksi pada bakteri. Setelah diisolasi dari E.coli, DNA polimerase tersedia pada teknik rekombinan DNA seperti urutan label DNA untuk membuat penyelidikan dan menggunakan rantai polimerase untuk menjelaskan reaksi DNA.
Taq DNA polimerase sebagai thermostable enzyme.Taq adalah enzim esensial penyetabil panas untuk PCR yang diisolasi dari hot-spring Thermus aquaticus. Karena mereka mempunyai kemampuan untuk dipelihara dan tumbuh dengan subur di bawah lingkungan yang sangat panas, mikroba itu disebut Termophillus. Banyak kesamaan enzim termostabil yang diidentifikasi dalam berbagai Termophillus dan digunakan secara luas dalam PCR dan reaksi yang lainnya.
Enzim selulosa dihasilkan oleh E. coli, menurunkan selullosa, sebuah polisakarida yang membentuk dinding sel tanaman. Sellulase banyak digunakan secara luas untuk mencerna makanan binatang dengan mudah oleh binatang tersebut. Selulosa juga digunakan dalam pembuatan jeans.
Kain ini diperlakukan dengan percampuran selulosa dengan jamur seperti Tichoderma reesei dan Aspergilus niger. Serat selulosa dalam katun digunakan untuk membuat celana panjang yang dihasilkan dengan tenunan yang lembut. Protease subtuilisin, diambil dari Bacillus subtilis, adalah komponen yang berharga dari detergen, dimana fungsinya untuk menurunkan dan memindahkan noda protein dari pakaian. Beberapa enzim dari bakteri juga digunakan untuk membuat makanan seperti enzim yang dapat mencerna gula yang disebut dengan amilase yang juga dapat digunakan untuk mendegradasi zat tepung dalam membuat sirup jagung.
Enzim adalah molekul protein yang dihasilkan oleh setiap sel hidup. Semua reaksi kehidupan hanya bisa dimungkinkan oleh adanya enzim. Reaksi-reaksi biokimia di dalam sel tidak mungkin terjadi secara tepat dan cepat seperti yang dikehendaki pada keadaan alamiahnya tanpa adanya biokatalisator enzim yang bekerja dengan efisiensi dan selektifitas tinggi. Enzim merupakan protein katalis. Setelah disintesis dalam sel, enzim dapat berfungsi secara independen pada sel dalam kondisi ideal yang dipertahankan.
Menurut International University of Biochemistry, enzim terbagi menjadi enam golongan, yaitu oksireduktase, transferase, hidrolase, liase, isomerasi dan ligase. Enzim bukan hanya terdiri dari protein (apoenzim) tetapi juga komponen lain yang mengandung logam sebagai koenzim. Aktivitas enzim dipengaruhi oleh berbagai factor seperti pH, suhu, pelarut, kekuatan ion dan adanya inhibitor atau activator.
Teknologi enzim meliputi proses produksi, isolasi dan pemurnian enzim. Enzim secara komersial umumnya didapat dari tanaman, hewan dan mikroba. Kebanyakan enzim didapat dari mikroba (fungi dan bakteri). Strain mutan yang telah diseleksi kemudian diproduksi secara maksimal. Rekayasa genetik telah menjadi pionir dalam pengadaan organisme untuk sintesis enzim.
Lebih dari 2000 enzim telah diisolasi hingga kini namun sampai saat ini hanya sejumlah enzim yang telah diproduksi secara besar-besaran. Kebanyakan enzim yang diproduksi secara komersial adalah golongan enzim hidrolase seperti amylase, selulase, pektinase, dan peptidase.
Enzim komersial digunakan oleh berbagai kelompok industri baik industri pangan maupun industri non pangan. Para ahli enzim pangan menggunakan berbagai enzim untuk memperbaiki sifat-sifat fisik dan kimia pangan dan memunculkan atau memanfaatkan sumber pangan baru. Berikut ini adalah sejumlah enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme beserta sumber dan aplikasinya dalam industri pangan.
Tabel 1. Enzim dan sumber serta aplikasinya bagi pangan.
Enzim
Sumber
Aplikasi
Amilase
Aspergillus niger
A. oryzae
Bacillus subtilis
Rhizophus sp
Mucor rouxii
Industri roti, bir, sirup, makanan lainnya.
Selulase
A. niger
Trichoderma viridae
Industri konsentrat kopi
Dekstransukrase
Leuconostoc mesenteroides
Berbagai kegunaan destran dalam industri pangan
Glucose oksidase
A. niger
Penghilangan glukosa dari telur (industri telur)
Invertase
Saccharomyces cerevisiae
Madu tiruan cegah pengkristalan permen
Lactase
S. fragilis
Industri susu (hidrolisis laktosa)
Lipase
A. niger
Mucor sp
Rhizopus sp
Pembentukan cita rasa pada keju
Pektinase
A. niger
Penicillium sp
Rhizopus sp
Penjernihan anggur dan sari buah
Protease (Proteinase)
A. oryzae
Mencegah pengendapan protein dalam industri bir
B. subtilis
Mucor sp
Rhizopus sp
Industri roti, pengepukan daging
Renin mikrobial
Mucor nihei
M pusillus
Penggumpalan susu (industri keju)
Sumber: Diktat Kuliah Bioteknologi Pangan Terapan (2006)
Enzim yang diperoleh dari mikroba didapatkan dengan melalui serangkaian proses panjang. Menurut Sumanti, Debby., dkk (2006), prosedur pembuatan enzim yang berasal dari mikroba terdiri dari langkah-langkah sebagai berikut:
Seleksi
Seleksi dapat didefinisikan sebagai penggunaan prosedur dengan selektivitas yang tinggi untuk mendeteksi dan mengisolasi mikroorganisme yang diinginkan diantara sekian banyak populasi mikroorganisme. Seleksi dilakukan dalam dua tahap yaitu seleksi primer dan seleksi sekunder.
Melalui seleksi primer, diperoleh beberapa mikroorganisme, tetapi mungkin hanya sedikit sekali diantara mikroorganisme tersebut yang mempunyai nilai komersial karena seleksi primer hanya menentukan mikroorganisme apa saja yang dapat menghasilkan suatu produk dan belum memperhatikan kemampuannya untuk bereproduksi.
Seleksi sekunder merupakan tahap seleksi lebih lanjut dimana mikroorganisme hasil seleksi primer yang tidak mempunyai potensi untuk digunakan dalam proses industri atau dengan kata lain disingkarkan. Seleksi sekunder dapat dilakukan pada agar cawan dalam labu erlenmeyer atau dalam fermentor berukuran kecil yang berisi substrat cair. Seleksi sekunder meliputi seleksi dengan pendekatan kualitatif dan kuantitatif. Melalui pendekatan kualitatif dapat diperoleh informasi mengenai spektrum mikroorganisme yang sensitif terhadap produk yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme. Melalui pendekatan kuantitatif dapat diperoleh informasi mengenai konsentrasi produk yang dapat dihasilkan oleh suatu mikroorganisme bersangkutan apabila ditumbuhkan pada berbagai substrat.
Isolasi
Isolasi suatu strain murni pada prinsipnya dapat dilakukan secara bertingkat. Tingkat pertama bisa dilakukan secara manual yaitu dengan cara mengencerkannya. Tingkat kedua adalah dengan isolasi dengan media yang bersifat selektif bagi mikroorganisme tertentu yang mungkin masih satu golongan. Tingkat ketiga dari koloni yang seolah-olah sudah murni mungkin masih perlu diencerkan kembali atau diisolasi ulang agar tingkat kemurniannya dapat lebih meyakinkan. Untuk selanjutnya diperlukan berbagai metode karakterisasi sebagai pembuktian bahwa galur isolat yang diperoleh benar-benar galur murni. Cara bertingkat tersebut adalah cara konvensional yang sampai kini masih banyak dilakukan.
Cara isolasi yang modern adalah menggunakan alat canggih yaitu dengan alat mikromanipulator. Alat ini terdiri dari alat manipulator yang dapat dilihat dari suatu mikroskop. Cara lain yang sering dilakukan adalah menggunakan kultur khusus artinya media khusus yang bersifat memberi kemudahan bagi tumbuhnya jenis mikroorganisme tertentu yang dikehendaki saja dan dapat menghalangi tumbuhnya mikroorganisme jenis lain yang tidak dikehendaki. Tetapi cara ini masih memungkinkan tumbuhnya jenis yang lain dengan sifat hampir bersamaan, jadi akan lebih baik bila dilanjutkan dengan pengenceran sehingga hasilnya akan lebih meyakinkan terutama dalam hal kemurniannya. Cara ini disebut pula sebagai cara kultur "enrichment culture".
Pemurnian enzim
Pemurnian enzim terdiri dari beberapa tahap, diantaranya adalah; pemisahan enzim dari substrat (bisa dengan cara disentrifugasi) kemudian tahap ekstraksi enzim. Setelah enzim dipisahkan dari substrat dan mikroba, maka selanjutnya dilakukan beberapa tahapan sesuai dengan produk akhir yang akan dihasilkan.
Jika produk akhir yang ingin dihasilkan adalah produk kering maka proses yang dilakukan adalah pengeringan. Jika produk yang ingin dihasilkan adalah produk cair maka proses yang dilakukan adalah evaporasi, filtrasi ataupun osmosis. Apabila produk yang ingin dihasilkan adalah produk terfraksionasi maka proses yang dilakukan adalah kromatografi, elektroforesis ataupun pengendapan bertahap. Apabila produk yang ingin dihasilkan adalah produk kering standar maka proses yang dilakukan adalah pengendapan aseton, spray dryer, atau freeze dryer. Proses terakhir dari produksi enzim adalah proses penyimpanan.
Penggunaan enzim secara luas ternyata menimbulkan sebuah masalah yaitu bagaimana cara me-recover enzim untuk digunakan kembali. Enzim umumnya sangat mahal untuk diproduksi dan diekstrak. Maka, jawaban dari permasalahan tersebut adalah dengan penggunaan teknologi immobilisasi enzim dan sel.
Rekayasa Genetika
Rekayasa genetika (Ing. genetic engineering) dalam arti paling luas adalah penerapan genetika untuk kepentingan manusia. Dengan pengertian ini kegiatan pemuliaan hewan atau tanaman melalui seleksi dalam populasi dapat dimasukkan. Demikian pula penerapan mutasi buatan tanpa target dapat pula dimasukkan. Walaupun demikian, masyarakat ilmiah sekarang lebih bersepakat dengan batasan yang lebih sempit, yaitu penerapan teknik-teknik biologi molekular untuk mengubah susunan genetik dalam kromosom atau mengubah sistem ekspresi genetik yang diarahkan pada kemanfaatan tertentu.
Obyek rekayasa genetika mencakup hampir semua golongan organisme, mulai dari bakteri, fungi, hewan tingkat rendah, hewan tingkat tinggi, hingga tumbuh-tumbuhan. Bidang kedokteran dan farmasi paling banyak berinvestasi di bidang yang relatif baru ini. Sementara itu bidang lain, seperti ilmu pangan, kedokteran hewan, pertanian (termasuk peternakan dan perikanan), serta teknik lingkungan juga telah melibatkan ilmu ini untuk mengembangkan bidang masing-masing.
Ilmu terapan ini dapat dianggap sebagai cabang biologi maupun sebagai ilmu-ilmu rekayasa (keteknikan). Dapat dianggap, awal mulanya adalah dari usaha-usaha yang dilakukan untuk menyingkap material yang diwariskan dari satu generasi ke generasi yang lain. Ketika orang mengetahui bahwa kromosom adalah material yang membawa bahan terwariskan itu (disebut gen) maka itulah awal mula ilmu ini. Tentu saja, penemuan struktur DNA menjadi titik yang paling pokok karena dari sinilah orang kemudian dapat menentukan bagaimana sifat dapat diubah dengan mengubah komposisi DNA, yang adalah suatu polimer bervariasi.
Tahap-tahap penting berikutnya adalah serangkaian penemuan enzim retriksi (pemotong) DNA, regulasi (pengaturan ekspresi) DNA (diawali dari penemuan operon laktosa pada prokariota), perakitan teknik PCR, transformasi genetik, teknik peredaman gen (termasuk inferensi RNA), dan teknik mutasi terarah (seperti Tilling). Sejalan dengan penemuan-penemuan penting itu, perkembangan di bidang biostatistika, bioinformatika dan rabotika/automasi memainkan peranan penting dalam kemajuan dan efisiensi kerja bidang ini.
Prinsip Dasar Rekayasa Genetika
Rekayasa genetika adalah proses mengidentifikasi dan mengisolasi DNA dari suatu sel hidup atau mati dan memasukkannya dalam sel hidup lainnya. Rekayasa genetika merupakan suatu cara memanipulasikan gen untuk menghasilkan makhluk hidup baru dengan sifat yang diinginkan. Rekayasa genetika disebut juga pencangkokan gen atau rekombinasi DNA. Dalam rekayasa genetika digunakan DNA untuk menggabungkan sifat makhluk hidup. Hal itu karena DNA dari setiap makhluk hidup mempunyai struktur yang sama, sehingga dapat direkombinasikan. Selanjutnya DNA tersebut akan mengatur sifat-sifat makhluk hidup secara turun-temurun.
Rekayasa Genetika pada mikroba bertujuan untuk meningkatkan efektivitas kerja mikroba tersebut (misalnya mikroba untuk fermentasi, pengikat nitrogen udara, meningkatkan kesuburan tanah, mempercepat proses kompos dan pembuatan makanan ternak, mikroba prebiotik untuk makanan olahan), dan untuk menghasilkan bahan obat-obatan dan kosmetika, serta Pembuatan insulin manusia dari bakteri ( Sel pancreas yang mempu mensekresi Insulin digunting , potongan DNA itu disisipkan ke dalam Plasmid bakteri ) DNA rekombinan yang terbentuk menyatu dengan Plasmid diinjeksikan lagi ke vektor, jika hidup segera di kembangbiaakan.
Prinsip dasar teknologi rekayasa genetika adalah memanipulasi atau melakukan perubahan susunan asam nukleat dari DNA (gen) atau menyelipkan gen baru ke dalam struktur DNA organisme penerima. Gen yang diselipkan dan organisme penerima dapat berasal dari organisme apa saja. Pada proses rekayasa genetika organisme yang sering digunakan adalah bakteri Escherichia coli.
Proses Rekayasa Genetika
Pada proses penyisipan gen diperlukan tiga faktor utama yaitu:
Vektor, yaitu pembawa gen asing yang akan disisipkan, biasanya berupa plasmid, yaitu lingkaran kecil AND yang terdapat pada bakteri. Plasmid diambil dari bakteri dan disisipi dengan gen asing.
Bakteri, berperan dalam memperbanyak plasmid. Plasmid di dalam tubuh bakteri akan mengalami replikasi atau memperbanyak diri, makin banyak plasmid yang direplikasi makin banyak pula gen asing yang dicopy sehingga terjadi cloning gen.
Enzim, berperan untuk memotong dan menyambung plasmid. Enzim ini disebut enzim endonuklease retriksi, enzim endonuklease retriksi yaitu enzim endonuklease yang dapat memotong ADN pada posisi dengan urutan basa nitrogen tertentu.
2.3 Aplikasi Bioteknologi Mikroba Dalam Kehdupan Sehari-hari
Mikroba merupakan kebutuhan untuk fungsi normal tubuh dan untuk berbagai macam proses alami pada lingkungan. Potensi terbesar dalam pemanfaatan mikroba adalah dalam pembuatan makanan dan produksi obat-obatan baru. Pada bagian ini akan dijelaskan beberapa aplikasi modern dalam pengembangan bioteknologi mikroba.
Peranan Mikroba dalam Produksi Pangan
Produksi Makanan
Mikroba digunakan untuk memproduksi makanan termasuk diantaranya adalah roti, yoghurt, keju, dan minuman seperti bir, wine, dan sampanye. Salah satu cara untuk membuat keju dari susu adalah dengan memberikan asam, tetapi untuk keju yang dengan rasa terbaik adalah dengan menggunakan enzim rennin. Pada awal produksi keju, rennin secara tradisional diperoleh dengan mengekstraknya dari perut sapi, atau dari spesies pemroduksi susu lainnya misalnya kambing, domba, dan kuda. Susu beku yang mengandung rennin diperoleh dari mencerna protein yang biasa disebut casein, yang merupakan komponen penting dari susu.
Pada tahun 1980, dengan menggunakan teknik DNA rekombinan, para ahli mengklon rennin dan mengekspresikannya pada sel bakteri dan jamur seperti Aspergillus niger. Rennin rekombinan (chymosin) dari mikroba banyak digunakan untuk pembuatan keju. Pada 1990, rennin merupakan DNA rekombinan pertama yang digunakan sebagai bahan pembuatan makanan yang juga diakui oleh Food and Drug Administration. Untuk beberapa macam keju, digunakan bakteri yang disebut bakteri asam lactic (Lactococcus lactics). Bakteri ini mendegradasi casein dan metabolisme gula pada susu dan prosesnya disebut fermentasi
Fermentasi Mikroba
Fermentasi merupakan proses mikrobial penting yang digunakan untuk memproduksi berbagai macam produksi makanan dan minuman termasuk beberapa macam roti, bir, wine, sampanye, yoghurt, dan keju. Fermentasi mikroba mempunyai peran yang sangat penting dalam bioteknologi. Salah satu aplikasi yang menggunakan mikroorganisme adalah proses pembuatan bir dan wine, yang berhubungan dengan fermentasi oleh ragi.
Sel hewan, tumbuhan, dan berbagai macam mikroba memperoleh energi dari karbohidrat seperti glukosa dengan menggunakan elektron dari gula ini untuk membentuk sebuah molekul yang dinamakan Adenosine triphosphate (ATP). Produksi ATP terjadi dalam reaksi berangkai. Reaksi pertama disebut glikolisis, yang mengubah glukosa menjadi 2 molekul piruvat. Selama pengubahan ini, elektron ditransfer dari glukosa ke elektron pembawa molekul yang disebut NAD+, yang kemudian elektron akan ditangkap untuk memproduksi NADH. Transfer elektron ini diikuti oleh reaksi selanjutnya yang menghasilkan ATP. Untuk beberapa mikroba dan bakteri tertentu, oksigen merupakan bagian terpenting dari reaksi transport elektron. Mikroba yang menggunakan oksigen untuk memproduksi ATP dinamakan aerob, karena mereka tergantung dari keberadaan oksigen untuk metabolismenya
Beberapa mikroba hidup di daerah yang jarang oksigen seperti di usus hewan, air yang dalam, atau minyak. Karena organisme ini harus bertahan tanpa oksigen, mereka berkembang dari energi yang berasal dari gula tanpa oksigen. Fermentasi ini dan mikroba yang terlibat didalamnya disebut anaerob. Fermentasi ini hampir sama dengan glikolisis, yang mana NAD+digunakan untuk menangkap elektron untuk memproduksi NADH dan piruvat. Pada metabolisme aerob, oksigen digunakan elektron dari NADH dan piruvat tidak dapat digunakan untuk memproduksi ATP. Fermentasi mikroba menggunakan mikroba sebagai molekul akseptor elektron untuk mengambil elektron dari NADH untuk meregenerasi NAD+.
Peranan Mikroba pada Antibodi, Vaksin, dan Insulin
Penggunaan antibodi dan vaksin telah terbukti efektif untuk sejumlah kondisi infeksi penyakit yang cepat menyebar di manusia yang disebabkan oleh mikroorganisme. Tercatat infeksi penyakit yang disebabkan mikroba mengakibatkan lebih dari 60% anak usia sebelum 4 tahun meninggal karena infeksi penyakit. Tentu saja kemampuan untuk mencegah, mendeteksi, dan perlakuan penyakit cepat menyebar adalah suatu aspek bioteknologi mikrobial yang penting, dan vaksin adalah suatu kunci di dalam proses ini.
Vaksin berasal dari kata latin vacca yang berarti "cow". Hal ini berhubungan dengan awal mula vaksin dikembangkan pada tahun 1796 ketika Edward Jenner mendemontrasikan bahwa virus cowpox bisa digunakan untuk vaksin manusia melawan smallpox.
Meskipun Amerika Serikat pada tahun 1980 menghentikan vaksinasi rutin untuk cacar, namun aplikasi vaksinasi tetap tersebar luas dan diberikan secara rutin pada bayi baru lahir, anak–anak, dan orang dewasa. Pada bayi pertama kali diberikan pada umur 2 sampai 15 bulan. Vaksin tersebut adalah DPT vaksin yang menyediakan beberapa tahun perlindungan melawan terhadap tiga bakteri tiksin, diantaranya Diphtheria toxin, Pertussis toxin, danTetanus toxin. Vaksin untuk masa anak–anak yang lain dalah MMR vaksin (measles, mumps, rubella) dan mungkin juga vaksinasi dengan OPV (oral polio vaccine) untuk poliovirus.
Antibodi
Sistem kekebalan pada manusia dan binatang sangat kompleks. Sel – sel sepanjang seluruh tubuh bekerjasama mengenali material asing yang sudah masuk ke dalam tubuh, dan menyerang untuk menetralkan atau menghancurkan material asing tersebut. Material asing yang merangsang untuk membentuk kekebalan disebut antigen. Antigen mungkin adalah bakteri, jamur, ataupun virus
Sistem kekebalan bereaksi dengan antigen memproduksi antibodi. Respon ini disebutantibody-mediated immunity. Ketika mengarah ke antigen, limfosit B (sel B) adalah suatu jenis sel darah putih atau leukosit yang mengenali dan mengikat antigen. Limfosit T (sel T) berperan penting dalam membantu sel B mengenali dan merespon terhadap antigen. Setelah pembongkaran antigen, sel B berkembang untuk membentuk sel plasma, yang menghasilkan dan mengeluarkan antibodi. Kebanyakan antibodi dilepaskan antara lain ke dalam aliran darah, air mata, dan cairan lapisan sistem pencernaan. Salah satu tujuan untuk memproduksi antibodi adalah menyediakan perlindungan terakhir melawan antigen. Pada waktu proses perkembangan sel B, beberapa sel B menjadi sel memori yang memiliki kemampuan untuk mengenali benda asing berikutnya, respon dalam pertumbuhan, memproduksi lebih banyak sel plasma, dan menyediakan antibodi pada tubuh dengan perlindungan jangka panjang melawan antigen.
Antibodi sangat spesifik untuk antigen yang dibuat. Antibodi mengikat dan melapisi antigen di mana antibodi dibuat. Setelah antigen ditutupi dengan antibodi, tipe leukosit makrofag yang sering bisa mengenali mereka. Sel makrofag tersebut sangat efektif memfagosit. Dalam fagositosis, makrofag menelan penutup antigen dengan antibodi, kemudian organel dalam makrofag disebut lisosom melepaskan saluran enzim pencernaan antigen. Ketika antigen berupa bakteri, beberapa antibodi melibatkan mekanisme pemecahan sel, proses tersebut disebut sel lisis.
Pembuatan Vaksin
Menurut Thieman (2013), terdapat tiga perencanaan utama untuk menciptakan sistem kekebalan dengan menggunakan vaksin, yaitu:
Subunit vaccine, dibuat dengan injeksi bagian struktur bakteri atau virus, pada umumnya protein atau lemak dari mikroba. Efektifitas vaksin melawan virus hepatitis B satu dari contoh pertama dari subunit vaksin.
Attenuated vaccine (vaksin yang dilemahkan), melibatkan penggunaan kehidupan virus atau bakteri yang telah dilemahkan dengan genetic engineering untuk mencegah replikasi setelah mereka dimasukkan ke dalam penerima vaksin. Vaksin sabin untuk polio adalah vaksin yang dilemahkan seperti vaksin MMR dan vaksin Chickenpox.
Inactivated vaccine (vaksin tidak aktif), dibuat dengan membunuh patogen dan menggunakan jasad renik inactive atau yang mati untuk vaksin. Campuran virus polio tidak aktif yang digunakan adalah vaksin Shalk untuk melawan polio. Contoh vaksininactive yang menjadi umum di tahun terakhir. diantaranya vaksin rabies diatur untuk anjing dan kucing.
Banyak vaksin yang membutuhkan imunisasi pendek setiap beberapa tahun untuk menstimulus kembali sistem kekebalan, sehingga dapat melanjutkan untuk menghasilkan tingkat perlindungan dari antibodi dan memori sel imun, sedangkan vaksin DPT efektif sekitar 10 tahun. Beberapa subunit vaksin yang melawan bakteri lebih dahulu dibuat dengan teknologi rekombinan DNA. Untuk membuat suatu vaksin rekombinan subunit untuk radang hepatitis B, ilmuwan gen mengklon protein pada permukaan luar virus ke dalam plasmid. Transformasi dengan plasmid digunakan untuk mengeskpresikan sejumlah besar protein dari difusi protein virus, yang digunakan sebagai vaksin untuk melawan infeksi hepatitis B. Pendekatan ini adalah strategi umum untuk memproduksi vaksin subunit.
Produksi Rekombinan Insulin pada Bakteri
Insulin merupakan hormon yang diproduksi oleh sel pada pankreas yang disebut sel beta. Ketika insulin disekresikan ke dalam aliran darah oleh pankreas, maka insulin akan memainkan peran yang esensial pada metabolisme karbohidrat. Salah satu fungsi pentingnya adalah untuk menstimulasi glukosa yang diperoleh ke dalam sel-sel tubuh seperti sel-sel otot, di mana glukosa dapat dipecah untuk memproduksi ATP sebagai sumber energi. Diabetes mellitus tipe I disebabkan oleh produksi insulin yang tidak mencukupi oleh sel beta. Penurunan produksi insulin pada konsentrasi glukosa dalam aliran darah dapat menyebabkan masalah kesehatan seperti tekanan darah tinggi, katarak, dan kerusakan otot. Diabetes mellitus tipe I biasanya melakukan suntikan insulin secara regular untuk mengontrol gula dalam darah.
Bakteri tidak dapat menghasilkan insulin secara normal. Produksi insulin pada manusia dengan bakteri rekombinan merupakan kemajuan yang signifikan dalam bidang bioteknologi. Insulin manusia terdiri dari 2 polipeptida yang disebut rantai A (21 asam amino) dan rantai B (30 asam amino). Kedua polipeptida tersebut saling berikatan satu sama lain untuk menghasilkan hormon aktif. Pada pankreas, sel beta mensintesis kedua ikatan rantai insulin menjadi satu polipeptida dan dipotong secara enzimatik yang kemudian berlipat ganda untuk bergabung dengan dua subunit. Ketika gen manusia yang digunakan untuk memproduksi insulin diklon dan diekspresikan pada bakteri, tiap-tiap gen dari subunit diklon ke dalam vektor plasmid yang terekspresi secara terpisah dan mengandung gen lac z pengkode enzim β-galactosidase (β-gal) dan kemudian digunakan untuk mengubah bakteri.
Oleh karena gen insulin dihubungkan dengan gen lac z, ketika bakteri mensintesis protein dari plasmid ini, bakteri akan memproduksi protein yang mengandung β-gal mengikat protein insulin manusia untuk menghasilkan β-gal insulin yang berfusi dengan protein. Protein yang telah berfusi diperlakukan secara kimia untuk membelah β-gal, melepaskan protein insulin, kemudian pemurnian insulin pada ikatan rantai A dan B dicampur bersamaan dengan kondisi yang memungkinkan dua subunit untuk mengikat dan membentuk hormon aktif. Setelah pemurnian tersebut, hormon rekombinan siap digunakan untuk obat suntik pasien.
Peranan Mikroba dalam Mikrobiologi
Enzim Mikroba
Enzim mikroba telah digunakan dalam aplikasi dari produksi pangan untuk penelitian biologi molekuler, karena mikroba adalah penghasil enzim yang baik. Beberapa enzim yang sudah tersedia secara komersil adalah adalah enzim DNA polimerase dan enzim restriksi dari bakteri. Enzim tersebut diisolasi dari E. coli, sehingga DNA polimerase tersedia dan dapat digunakan untuk berbagai teknik DNA rekombinan untuk menyelidiki sekuen DNA dan sebagi reaktor untuk memperbanyak sekuen DNA dalam proses polymerase chain reaction (PCR).
Enzim yang dihasilkan oleh bakteri E. coli salah satu contohnya adalah enzim selulosa. Selulosa ini mendegradasi selulosa, yaitu suatu polisakarida yang dibentuk oleh dinding sel tumbuhan. Enzim yang dihasilkan oleh bakteri ini dapat membantu pencernaan hewan untuk mencerna makanan yang berupa tumbuhan. Protease subtilisin berasal dari Bacillus subtilisyang merupakan komponen penting yang digunakan oleh banyak deterjen, yang berfungsi untuk menghilangkan noda protein dari pakaian. Beberapa enzim bakteri juga digunakan untuk memproduksi makanan, seperti enzim amilase yang digunakan mendegradasi pati untuk membuat sirup jagung.
Transformasi Bakteri
Transformasi adalah suatu proses transfer informasi genetik dengan bantuan potongan DNA ekstraseluler. Dalam hal ini, fragmen DNA yang berasal dari bakteri donor diambil oleh bakteri lain dalam kedudukan sebagai bakteri resipien. Jika bakteri donor dan bakteri resipien berbeda secara genetik, maka akan dihasilkan rekombinan yang terbentuk melalui peristiwa pindah silang yang melibatkan fragmen DNA dari donor dan DNA atau kromosom resipien. Sel-sel yang telah mengalami transformasi disebut sebagai transforman.
DNA target dikenalkan ke bakteri dengan cara diinsersikan ke plasmid yang membawa satu atau lebih gen resisten antibiotik. Plasmid vektor selanjutnya dicampur dalamtabung dengan komponen – komponen sel dan dicampur di atas es atau pada suhu dingin selama beberapa menit. Mekanisme yang sebenarnya masih belum diketahui, namun yang pasti sel – sel tersebut harus tetap dalam kondisi dingin selama DNA berada diluar dari sel bakteriuntuk menghindari terjadinya kerusakan.
Elektroforesis
Elektroforesis adalah suatu cara pemisahan dilakukan berdasarkan perbedaan ukuran berat molekul dalam medan listrik yang dikandung oleh makromolekul tersebut. Bila arus listrik dialirkan pada suatu medium penyangga yang telah berisi protein plasma maka komponen-komponen protein tersebut akan mulai migrasi (Ricardson, 1986 dalam Pratiwi, 2001)
Teknik lain untuk transformasi sel disebut elektroporasi. Dalam teknik ini suatu alat yang disebut elektroporator menghasilkan kejutan elektrik singkat yang dapat mengenalkan DNA ke sel bakteri tanpa membunuh sel-sel yang lain. Teknik ini lebih efisien prosesnya daripada transformasi yang menggunakan calcium chloride.
Teknik Kloning dan Ekspresi
Dalam replikasi DNA rekombinan, transformasi bakteri bernilai tinggi karena dapat sering digunakan untuk produksi protein secara massal dengan tujuan yang beragam. Ada beberapa cara untuk memproduksi suatu fusion protein, namun konsep dasar teknik ini menggunakan metode rekombinasi DNA untuk menyisipkan gen protein yang diinginkan kedalam suatu plasmid yang mengandung gen protein yang berfungsi sebagai "tag". Vektor plasmid untuk membuat fusion protein disebut vektor ekspresi, karena memungkinkan sel bakteri untuk memproduksi atau mengekspresikan protein dalam jumlah besar. Vektor ekspresi menggabungkan sequen promoter, sehingga sekali pengekspresian rekombinan mengandung gen yang diinginkan (yang diberikan pada bakteri melalui transformasi), bakteri akan mensintesis mRNA dan protein dari plasmid ini. Strain mRNA yang ditranskrip merupakan molekul hibrid yang mengandung sequen pengkode protein yang diinginkan dan protein tag. Hasilnya, suatu fusion protein disintesis dari mRNA yang disintesis bakteri yang mengandung protein yang diinginkan, bergabung dengan tag protein, pada kasus ini protein mengikat maltose.
Untuk mengisolasi protein yang diinginkan dan memisahkan dengan protein lain biasanya dilakukan oleh bakteri, selnya mengalami lisis dan dihomogenkan untuk membentuk ekstrak. Ekstrak tersebut kemudian di letakkan pada tabung. Umumnya cara mengisi tabung dengan bulatan plastik yang dilapisi molekul yang akan berikatan pada protein tag. Teknik ini disebut sebagai kromatografi afinitas. Selanjutnya perlakuan enzim yang digunakan untuk memotong protein dengan bantuan enzim protease untuk melepaskan protein yang diinginkan dari protein tag. Teknik Fusion protein digunakan untuk pemurnian protein dalam mengkaji struktur dan fungsinya, dan juga untuk mengisolasi insulin maupun protein penting lainnya.
Peranan Mikroba pada Proses Diagnosa
Sudah diketahui sebelumnya bahwa banyak mikroorganisme yang dapat menyebabkan penyakit, baik itu pada manusia, hewan, maupun tumbuhan. Ilmuwan dapat menggunakan berbagai teknik molekuler untuk mendeteksi dan mengetahui gejalanya yang disebut dengan diagnosis mikroba.
Strategi Pendeteksi Mikroba
Teknik molekuler seperti analisis Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP), PCR, dan rangkaian DNA bisa digunakan untuk mengidentifikasi bakteri. Jika genom dari patogen besar dan memproduksi banyak enzim fragmen, yang mencegah menunjukkan pita-pita pada gel agarose, DNA mungkin diberlakukan dalam analisis blot Southern. Sebagai contoh, jika seorang dokter menduga infeksi bakteri atau virus , sampel termasuk darah, saliva, feses, dan cairan serebrospinal dari pasien bisa digunakan untuk mengisolasi bakteri dan viral patogen. DNA dari dugaan patogen yang kemudian diisolasi dan digunakan dalam teknik molekuler seperti PCR. PCR adalah alat penting dalam tes pendiagnosisan di laboratorium klinikal mikrobiologi dan digunakan untuk mendiagnosis penyebab infeksi melalui mikroba seperti virus Hepatitis (A, B, dan C), Chlamydia trachomatis, dan Neisseria gonorrhoeae(keduanya adalah menyebarkan penyakit), HIV-1, dan banyak bakteri dan virus lainnya.
Jejak Mikroorganisme Penyebab Penyakit
Ahli ilmu pengetahuan menggunakan teknik biologi molekuler untuk contoh dari mikroba penyebab penyakit dan perjangkitan penyakit yang mereka timbulkan. Seperti yang telah ketahui, mikroba memiliki peran penting dalam produk sehari-hari seperti yoghurt dan keju. Produk-produk tersebut juga mudah terkena kontaminasi dengan mikroorganisme patogen. Informasi mengenai mikroba pada susu bisa digunakan untuk mendeteksi kualitas susu dan kerusakan pada susu tersebut. Kontaminasi bakteri pada makanan adalah masalah yang signifikan saat ini. Salmonella dapat mengkontaminasi daging, unggas, dan juga telur.Salmonella dapat menginfeksi pada usus manusia yang bisa menyebabkan diare dan muntah yang serius, gejala yang biasanya disebut dengan keracunan makanan.
Setelah dengan sukses merespon pada 1993 penjangkitan kontaminasi pada daging dengan E. coli, Centers for Disease Control and Prevention (CDC) dan Departemen US Agrikultural membuat jaringan dari laboratorium deteksi untuk memperluas ulasannya. Jaringan ini disebul PulseNet, memungkinkan ahli biologi menggunakan DNA sidik jari dengan cepat mengidentifikasi mikroba yang dimasukkan dalam kondisi kesehatan publik. Hasilnya bisa dibandingkan dengan data untuk diidentifikasi penjangkitan mikroba yang mengkontaminasi makanan dan untuk memutuskan bagaimana untuk menanggapi sehingga meminimalisir masyarakat yang terinfeksi.
Microarray untuk Melacak Penyakit Menular
Microarray digunakan untuk mempelajari perubahan ekspresi gen yang terjadi ketika suatu organisme terinfeksi oleh patogen, menyediakan signature untuk infeksi oleh partikular organisme. Dengan potongan, contoh gen yang terstimulasi atau terhambat oleh patogen bisa dianalisis seperti tanda khusus yang unik pada patogen tersebut.
Peranan Mikroba pada Proses Pembuatan Senjata Biologis
Bioterorisme secara luas didefinisikan sebagai penggunaan bahan biologis sebagai senjata untuk menyakiti manusia, hewan, ataupun tumbuhan. Strain baru patogen menular dan berpotensi mematikan berkembang setiap hari di seluruh dunia. Ancaman ini ditimbulkan oleh penyakit yang disebabkan mikroorganisme, yang dapat digunakan sebagai senjata biologis.Berikut tabel senjata biologis yang potensial.
BAB III
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Penggunaan mikroorganisme untuk keperluan industri berskala besar merupakan sejarah yang lama, yang jauh sebelum diketahui bentuk sesungguhnya dari mikroorganisme. Selama berabad-abad, bir, anggur, cuka, kecap dan makanan fermentasi lainnya diproduksi melalui fermentasi spontan menggunakan mikroorganisme alami. Kualitas dan produktivitas produk awal ini sering tidak konsisten.
Bioteknologi mikroba semakin berkembang saat proses fermentasi secara terus menerus dikembangkan untuk produksi protein mikroba makanan dan pakan, dari produk sampingan industri, seperti metanol dan alkana. Proses ini menyebabkan penghematan besar dalam biaya modal, energi dan tenaga kerja. Teknik modern manipulasi gen, dan bioinformatika mutakhir dan biocomputing adalah alat yang sangat ampuh untuk genomik, proteomik dan metabolomik penelitian.
3.2 Saran
Kepada Mahasiswa hendaknya dapat menggunakan makalah ini sebagai referensi dalam mengikuti mata kuliah Bioteknologi, dan lebih memahami lebih mendalam tentang materi ini.
DAFTAR PUSTAKA
Nurcahyo, Heru. 2011. Diktat Bioteknologi. Yogjakarta: Universitas Negeri Yogjakarta
Irfanto. 2009. Bioteknologi Mikroba. https://zonairfanto.wordpress. com/2009/02/15/bioteknologi-mikroba/.(diakses tanggal 30 April 2017)
