Genetika dan Pengendalian Mikrobiologi

Genetika Prokariot

Oswald Avery dan kawan-kawan pada tahun 1940 menunjukkan bahwa materi hereditas adalah ADN dan bukan protein. Kemudian pada tahun 1953 James Watson dan Francis Crick mengusulkan bahwa molekul ADN terdiri dari dua benang yang berikatan satu sama lain melalui ikatan hidrogen. Kedua benang itu berjalan melingkari satu dengan lainnya sehingga membentuk heliks.

Dogma sentral yang diusulkan oleh Francis Crick mengatakan bahwa informasi yang terkandung di dalam ADN dapat ditranskripsikan menjadi ARN dan informasi di dalam ARN dapat ditranslasikan menjadi protein.

Semenjak dogma sentral diperkenalkan untuk pertama kali, telah dipelajari bahwa beberapa virus memproduksi enzim yang dapat menstranskripsikan ARN menjadi ADN dan virus-virus tersebut dapat mereplikasikan genom ARNnya.

Proses sintesis ADN dengan ARN sebagai template disebut transkripsi balik. Transkripsi adalah proses pembentuk ARN dengan model (template) ADN dan dikatalisis oleh enzim ARN polimerase. Sedangkan transkripsi balik adalah sintesis ADN menggunakan ARN sebagai template dan dikatalisis oleh enzim transkriptase balik. Proses translasi dilakukan oleh ribosom; dan replikasi ADN dilakukan dengan bantuan kompleks ADN polimerase.

George Beadle dan Edward Tatum berjasa karena mampu mengumpulkan data untuk mendukung hipotesis “satu gen mengontrol aktivitas satu polipeptida” (one gene one enzyme hyphotese) pada eukariot rendah.

Bakteri umumnya mengandung satu genom ADN sirkuler yang melekat pada membran selnya. Genom bakteri bereplikasi dimulai dari satu tempat menuju kedua arah (bidirectional). Satu genom dapat melakukan replikasi lengkap dalam kurang dari setengah jam. Sejumlah enzim dan protein terlibat dalam replikasi ADN seperti ARN polimerase yang membuat ARN primer, ADN ligase, ADN polimerase.

Replikasi ADN berlangsung secara semikonservatif. Pada bakteri, genom anak terpisah satu sama lain oleh pertumbuhan membran sitoplasma di antara titik perlekatannya. Sel anak terbentuk bila membran sel dan dinding sel melakukan invaginasi dan membentuk pembatas di antara kromosom.

Prokariot seperti halnya eukariot mensintesis tiga tipe ARN yaitu ARN-d, ARN-t, dan ARN-r. ARN ribosom merupakan komponen struktural dari ribosom. Pada bakteri ARN-r 5S dan 23S terdapat pada sub unit ribosom 30S.

Terdapat 1 sampai 6 ARN-t untuk masing-masing asam amino dari 20 asam amino yang dikenal pembentuk protein. Ribosom mengkatalisis pembentukan ikatan peptida di antara dua asam amino yang berdekatan.

Sintesis protein terdiri atas 3 tahap, inisiasi, elongasi, dan terminasi. Pada bakteri, selama inisiasi ribosom 70S yang merupakan pertautan dari subunit 30S dan 50S pada kodon start AUG pada ARN-d. Selama elongasi asam amino membentuk ikatan kovalen secara berurutan mengikuti gerakan ribosom sepanjang ARN-d. Terminasi sintesis potein terjadi jika ribosom sampai kepada kodon nonsens (UAA, UGA, UAG). Peptida selanjutnya terlepas dari ikatan ARN-t dan ribosom berdisosiasi menjadi sub unitnya.

Kode genetika adalah triplet, karena masing-masing kode terbentuk dari tiga nukleotida yang disebut kodon. Kodon terdiri dari tiga dari empat kemungkinan nukleotida (A, U, C dan G). Ini berarti akan terdapat 43 = 64 kodon. Keenam puluh empat kodon ini dikenal oleh ARN-t kecuali tiga yang disebut kodon nonsens.

Marshall Nirenberg dan Gobin Khorana berjasa dalam hal menemukan kode genetika ini. Dan kode genetika ini berlalu universal untuk semua organisme dari bakteri sampai manusia.

Dasar Molekuler Variasi

Pada bakteri, mutasi spontan pada suatu gen tertentu terjadi dengan laju kurang lebih 10-7 sampai 10-9 (satu dalam setiap 107 sampai 109 bakteri). Pada eukariot tingkat tinggi mutasi semacam itu terjadi dengan laju yang lebih tinggi, yaitu 10-4 sampai 10-7, kebanyakan mutasi spontan pada bakteri disebabkan oleh panas dan sinar ultrabiolet.

Para ilmuwan seringkali menginduksi terjadinya mutasi dengan sinar ultraviolet, zat kimia pengalkil, asam nitrat, dan basa analog.

Terdapat tiga tipe bakteri jantan, yaitu F+, Hfr, dan F’. Bakteri jantan mampu memindahkan informasi genetiknya kepada bakteri betina (F-) pada peristiwa konyugasi. Bakteri jantan gram negatif umumnya melekat pada bakteri betina melalui tabung panjang pili kelamin. Melalui pili inilah informasi genetika dipindahkan. Bakteri gram positif tidak membentuk pili kelamin yang dapat dilihat. Perkawinan pada bakteri gram negatif ialah dengan melakukan perlekatan satu sama lain selanjutnya membentuk hubungan antarsitoplasma.

Konyugasi antara strain Hfr prototrofik dengan F- auksotrofik, telah berhasil digunakan untuk pemetaan kromosom.

Transduksi terjadi jika virus memasukkan ADN ke dalam sel, kemudian terjadi rekombinasi. Transduksi umum maupun khusus pada bakteriofage telah digunakan untuk pemetaan kromosom.

Transformasi terjadi jika ADN telanjang masuk ke dalam sel dan membentuk rekombinasi dengan informasi genetik sel yang bersangkutan.

Genetika Eukariot

Materi genetis pada eukariot adalah ADN benang ganda. Pada banyak eukariot tingkat tinggi, lebih dari 99% ADN tidak mengkode ARN-d, ARN-t atau pun protein.

Siklus sel dibagi menjadi periode gap pertama (G1), sintesis ADN (S), gap kedua G2), mitosis (M), dan sitokinesis.

Selama periode gap, tidak terdapat aktivitas materi hereditas secara sitoplasma yang dapat diamati. Selama periode sintesis, materi hereditas melakukan replikasi. Pada mitosis dan sitokinesis, kromosom menjadi sangat padat dan bergerak cepat di dalam sitoplasma.

Konyugasi pada eukariot melibatkan fusi sebagian atau fusi lengkap di antara dua tipe kawin. Eukariot mencegah terjadinya penggandaan kromosom ketika mereka melakukan konyugasi, dengan cara mereduksi jumlah kromosomnya menjadi setengah dari jumlah semula. Sel haploid yang demikian ini dibentuk melalui pembelahan meiosis, dan sering disebut sebagai gamet.

Sebanyak 50% sampai 75% gen pada eukariot tingkat tinggi tidak mengkode sesuatu untuk dihasilkan. Daerah yang tidak mengkode sesuatu ini disebut intron, dan daerah pada kromosom yang mengkode informasi tertentu disebut exon.

Translasi eukariot terjadi dalam sitoplasma dan dilakukan oleh ribosom 80S.

Rekayasa Genetika

Rekayasa genetik berkembang dengan pesat dengan berhasilnya diisolasi dan karakterisasi enzim endonuklease restriksi yang mampu memotong benang ADN pada tempat khusus. Di samping itu juga ditemukan bahwa ADN seperti plasmid. Sementara itu potongan-potongan benang ADN dapat disambung kembali menggunakan enzim ligase.

Terdapat empat tahap rekayasa genetik, yaitu isolasi ADN, pembuatan wahana, kloning, dan produksi. Agar ADN yang diinginkan itu diekspresikan, maka ADN itu harus ditempatkan dekat promotor site dari sel yang dititipi itu.

Sampai saat sekarang dengan rekayasa genetik yaitu melalui fusi protoplasma antara sel plasma kanker dengan sel plasma normal, sehingga terbentuk sel yang hibridoma yang mampu menghasilkan satu tipe antibodi (monoklonal).

Antibodi monoklonal dapat digunakan untuk berbagai keperluan seperti alat diagnostik, vaksin, pengobatan,dan sebagainya.

Mikrobiologi Tanah/Pertanian

Suatu sistem memiliki 2 komponen yaitu komponen fisikokimia dan komunitas organisme yang ada di dalamnya. Ekosistem dalam ekologi mikroba dapat berupa sistem mikro maupun sistem makro.

Secara umum setiap sistem memiliki ciri-ciri yaitu adanya dinamika populasi, keanekaragaman, mekanisme adaptasi dan adanya hubungan antarorganisme yang ada di dalam sistem tersebut.

Tanah sebagai suatu sistem, memiliki anggota komunitas yang tersusun dari berbagai populasi mikroba yaitu bakteri, Actinomycetes, kapang (jamur), alga, virus, khamir dan protozoa. Macam dan jumlah mikroba tanah tersebut dipengaruhi oleh faktor-faktor jenis tumbuhan, pH, temperatur, curah hujan, macam tanah dan kelembaban tanah.


Peran Mikroba sebagai Dekomposer

Berbagai populasi mikroba tanah berperan membantu menyediakan zat-zat makanan bagi tumbuhan. Zat-zat makanan yang tersedia di dalam tanah, yang dapat dimanfaatkan oleh tumbuhan antara lain berupa senyawa-senyawa karbon dioksida, dan ion-ion nitrat, sulfat, fosfat.

Di alam terjadi peristiwa daur ulang senyawa-senyawa organik dan anorganik, berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, sehingga terjadi suatu siklus. Siklus-siklus materi tersebut menyangkut siklus karbon, nitrogen, fosfor, sulfur dan besi.

Mikrobiologi Air

Air yang terdapat di bumi ini dikelompokkan menjadi air atmosfer, air permukaan dan air di bawah permukaan tanah. Struktur komunitas pada ekosistem air secara umum terdiri atas kelompok autotrof dan kelompok saprotrof.

Ekosistem air permukaan dapat dibedakan menjadi ekosistem air mengalir dan ekosistem air tergenang yang memiliki perbedaan-perbedaan baik secara fisik, biologi maupun kimia. Ditinjau dari kandungan kadar garamnya terdapat adanya ekosistem air tawar dan ekosistem air laut. Pada ekosistem air tawar maupun air laut, keduanya memiliki daerah yang khas kearah vertical, yang memberikan ciri pada komunitas yang menempatinya.

Fungsi mikroba pada ekosistem air, terutama adalah sebagai produser dan decomposer sedangkan di ekosistem tanah mikroba hanya berperan sebagai decomposer.


Air bagi Kehidupan Manusia

Berdasar peruntukannya air dikelompokkan menjadi 4 kelompok yaitu air golongan A, B, C, dan D. Air yang diperuntukkan bagi rumah tangga, umumnya termasuk golongan B dan perlu dilakukan pengolahan terlebih dahulu agar dapat memenuhi syarat kesehatan.

Proses pengolahan air kotor yang umumnya telah tercemar dilakukan secara bertahap, yaitu melalui tahap penyaringan bahan-bahan kasar, pengendapan secara fisik, koagulasi, penyaringan secara halus dengan pasir, khlorionasi selanjutnya baru dapat didistribusikan ke masyarakat konsumen.

Bahan pencemar di dalam air dapat berupa pencemar, fisik, kimia maupun biologi. Pencemar biologi ditandai dengan adanya bakteri coliform, antara lain bakteri E. coli. Untuk mengetahui adanya bakteri secara keseluruhan dan bakteri E. coli khususnya dalam suatu contoh air, perlu dilakukan uji bakteriologis.


Dasar-dasar Pengendalian

Berbagai macam sarana proses fisik telah tersedia untuk mengendalikan populasi mikroba. Pengendalian tersebut dapat dilakukan dengan cara mematikan mikro-organisme, menghambat pertumbuhan dan metabolismenya, atau secara fisik menyingkirkannya. Cara pengendalian mana yang digunakan tergantung kepada keadaan yang berlaku pada situasi tertentu.

Pemberian suhu tinggi/terutama pada uap bertekanan, merupakan salah satu cara yang paling efisien dan efektif untuk mensterilkan sesuatu bahan. Namun demikian bahan-bahan tertentu yang biasa digunakan di laboratorium, rumah-rumah penduduk, dan rumah-rumah sakit mudah rusak bila dikenai suhu tinggi. Prosedur sterilisasi pilihan seperti radiasi, penggunaan berkas elektron, atau penyaringan harus digunakan untuk mensterilkan bahan-bahan yang akan rusak bila diberi suhu tinggi.

Tersedia beribu-ribu zat kimia dipakai untuk mengendalikan mikroorganisme. Penting sekali memahami ciri-ciri pembeda masing-masing zat ini dan organisme yang dapat dikendalikannya serta bagaimana zat-zat tersebut dipengaruhi oleh lingkungannya. Setiap zat kimia mempunyai keterbatasan dalam keefektifannya, bila digunakan dalam kondisi praktis keterbatasan-keterbatasan ini perlu di amati. Tujuan yang dikehendaki dalam hal pengendalian mikroorganisme tidak selalu sama. Pada beberapa kasus mungkin perlu mematikan semua organisme (sterilisasi) sedangkan pada kasus-kasus lain mungkin cukup mematikan sebagian mikroorganisme tetapi tidak semua (sanitasi).

Dengan demikian pemilihan suatu bahan kimia untuk penggunaan praktis dipengaruhi juga oleh hasil antimikrobial yang diharapkan daripadanya.

Cara kerja zat-zat kimia dalam menghambat atau mematikan mikroorganisme itu berbeda-beda, beberapa diantaranya mengubah struktur dinding sel atau membran sel yang lain menghambat sintetis komponen-komponen seluler yang vital atau yang mengubah keadaan fisik bahan selular. Pengetahuan mengenai perilaku khusus tentang bagaimana suatu zat kimia menghasilkan efek anti mikroba sangat berguna baik untuk mempertimbangkan kemungkinannya bagi penggunaan praktis maupun untuk mengusulkan perbaikan-perbaikan apa yang mungkin dilakukan untuk merancang bahan bahan kimia baru.

Desinfeksi adalah proses penting dalam pengendalian penyakit, karena bertujuan merusak agen-agen patogen. Berbagai istilah digunakan berkaitan dengan agen-agen kimia sesuai dengan kerjanya atau organisme yang khas yang terkena. Istilah-istilah ini meliputi desinfektan, antiseptic, agen bakteriostasis, bakterisida, germisida, sporisida, virisida, fungisida, dan preservative (pengawet).

Mekanisme desinfektan mungkin beraneka dari satu desinfektan ke desinfektan yang lain dapat menyebabkan kerusakan pada membran sel atau oleh tindakan pada protein sel atau pada gen yang khas yang berakibat kematian atau mutasi.

Faktor yang mengubah laju desinfeksi mencakup macam agen konsentrasi, waktu dan suhu, jumlah mikroorgansime dengan ciri-cirinya (misalnya perbedaan jenis, spora, dan kapsul) dan keadaan medium yang mengelilinginya.

Dalam merencanakan desinfeksi, desinfektan harus dipilih sesuai organisme yang akan dihancurkan dan material yang akan diperlakukan. Keamanan selalu menjadi pertimbangan utama, dan variabel perlu ditangani sebagaimana diperlukan untuk menjamin hasil yang aman.

Berbagai uji dalam penggunaan untuk menilai agen-agen kimia. Semuanya menyediakan jumlah tertentu informasi yang berguna namun harus diingat keterbatasan uji yang digunakan.


Mikroorganisme, Penyakit-Resistensi dan Pemindah sebarannya

Tubuh manusia mempunyai flora normal yang mulai diperolehnya segera setelah lahir. Setiap bagian tubuh mempunyai keadaan lingkungan khusus yang didiami berbagai macam mikroba yang berbeda-beda.

Hasil interaksi antara inang dan mikroba ada yang menyerang inang. Apakah suatu mikroorganisme itu akan menimbulkan penyakit ditentukan oleh tidak hanya sifat- sifatnya, tetapi juga oleh kemampuan inangnya untuk menekan infeksi.

Resistensi inang dapat berupa resistensi alamiah atau resistensi khusus. Resistensi alamiah bergantung kepada sejumlah faktor. Faktor-faktor resistensi yang dibawa sejak lahir adalah; spesies, ras dan perorangan. Faktor-faktor luar meliputi rintangan mekanis dan kimiawi tubuh. Diantara faktor-faktor pertahanan internal adalah peradangan, fagositosis, komplemen, dan interferon.

Penyakit yang dipindahsebarkan melalui udara meliputi wahana tetesan liur dan sekresi pernafasan liurnya, debu tercemar, dan fomit. Gerbang masuk bagi penyebab penyakit adalah nasofaring. Beberapa infeksi asal udara ini menyerang sistem organ lain pada tubuh meskipun mereka memasuki tubuh melalui hidung maupun tenggorokan.

Penyakit asal makanan ditularkan melalui penelanan makanan yang tercemar oleh jenis-jenis mikroorganisme tertentu dalam jumlah cukup tinggi sehingga mencakup dosis infektif. Ada dua mekanisme yang terlibat pada peracunan makanan oleh mikrorganisme, yaitu infeksi asal makanan dan keracunan makanan.

Sumber infeksi asal air yang sesungguhnya ialah tinja yang telah mencemari air. Bahan tinja mengandung mikroorganisme patogenik bila berasal dari orang-orang yang terinfeksi atau penular. Sayangnya, air merupakan wahana yang baik bagi penularan dan penyebaran penyakit-penyakit enterik semacam itu, yang kesemuanya mempunyai rute tinja ke mulut ke usus. Rute ini harus dihambat untuk dapat mengendalikan infeksi enterik asal air dengan baik.

Arthropoda tidak hanya merupakan penular mekanis penyakit ( seperti penularan demam tifoid oleh lalat rumah), tetapi juga merupakan vektor biologis, karena mikroba patogenik yang ditularkannya berinkubasi dan berkembang di dalam diri mereka.

Terdapat sejumlah besar penyakit yang ditularkan oleh arthropoda. Mereka menyerang berjuta-juta manusia dan tersebar luas diseluruh muka bumi.


Mikrobiologi Pangan

Kehadiran mikroorganisme pada bahan pangan dapat merugikan manusia, tetapi dapat pula menguntungkan. Kehadiran mikroorganisme pada bahan pangan senantiasa menyebabkan terjadinya perubahan tekstur, warna, rasa dan aroma. Perubahan yang terjadi ada yang dikendaki dan ada yang tidak dikehendaki oleh manusia. Jika perubahan yang terjadi tidak dikehendaki disebut kontaminan.

Kontaminasi bahan pangan dapat terjadi dari beberapa sumber, yaitu dari: daerah asal bahan pangan tersebut dipanen meliputi daerah pertanian, peternakan, tambak; saat panen; dan pengolahan pasca panen meliputi semua proses pengolahan sampai konsumsi siap makan. Kehadiran mikroorganisme kontaminan pada bahan pangan merupakan indikator kualitas bahan pangan. Bahan pangan kualitasnya dapat dikatakan baik, jika jumlah dan macam mikroorganismenya masih memenuhi nilai batas maksimum cemaran yang ditetapkan secara nasional dan internasional. Hal ini berkaitan pula dengan keamanan pangan.

Sedangkan jika perubahan yang terjadi pada bahan pangan dikehendaki, maka mikroorganismenya sengaja ditumbuhkan untuk membuat makanan fermentasi. Fermentasi makanan memanfaatkan kelompok bakteri, kapang atau khamir yang menghasilkan enzim-enzim amilolitik, proteolitik atau lipolitik. Enzim-enzim ini bekerja mengubah molekul-molekul kompleks menjadi molekul-molekul yang lebih sederhana sehingga makanan lebih mudah dicerna oleh usus manusia. Pengolahan makanan secara fermentasi dapat meningkatkan nilai gizi makanan tersebut.


Mikrobiologi Industri

Mikrobiologi industri membahas perbanyakan mikroorganisme dalam jumlah besar, di bawah kondisi terkendali, yang bertujuan untuk menghasilkan produk bernilai ekonomi dan bermanfaat. Langkah-langkah yang harus dilakukan untuk mikrobiologi industri adalah isolasi dan seleksi mikroorganisme; seleksi media yang sesuai dengan tujuan; sterilisasi semua bagian penting untuk mencegah kontamitasi oleh mikroba lain; dan evaluasi hasil.

Penentuan produk industri menggunakan jasa mikroorganisme sangat tergantung dari sifat-sifat mikroorganisme yang dipilih. Mikroorganisme yang dipilih harus memenuhi kriteria-kriteria: memiliki sifat-sifat yang stabil; mampu tumbuh pesat; tidak patogenik; memiliki sifat potensial menjamin proses biotransformasi berlangsung sesuai dengan tujuan yang diharapkan. Mikroorganisme yang terpilih ini berupa galur-galur unggul. Sedangkan penentuan media dan bagian pengendali proses lainnya disesuaikan dengan spesifikasi sifat mikroorganisme serta enzim-enzimnya. Macam-macam tipe produk industri dari mikroorganisme antara lain : sel-sel mikroorganisme itu sendiri sebagai produk .yang dikehendaki; enzim-enzim yang dihasilkan mikroorganisme; metabolit dari mikroorganisme.

Selanjutnya pembahasan mikrobiologi industri meliputi beberapa contoh proses pembuatan produk industri menggunakan jasa mikroorganisme antara lain industri minuman beralkohol; industri sirup fruktosa tinggi; produksi asam amino; produksi asam sitrat; produksi asam glutamat; produksi obat pengendali hama; produksi antibiotika; produksi vaksin rekombinan. Pada bagian terakhir disajikan tabel yang menunjukkan berbagai produk, tipe serta mikroorganisme yang potensial dalam produk industri.