Bioteknologi Mikroorganisme

Penghasil Bahan Makanan

Beberapa jenis jamur dapat digunakan untuk menghasilkan zat pewarna makanan. Jamur Neurospora sitophila (jamur pada oncom) misalnya, dapat menghasilkan zat warna merah atau oranye. Zat warna ini merupakan zat pewarna alami yang lebih aman dibandingkan dengan pewarna buatan karena tidak mengandung bahan sintetis.

            Pada pembuatan roti, khamir/ragi Saccharomyces ditambahkan ke dalam adonan tepung gandum sehingga terjadi proses fermentasi (tidak membutuhkan oksigen besar). Persamaan reaksi fermentasi adalah sebagai berikut:

C6H12O6 + ragi = 2CO2 + 2H5OH + energi

Gelembung-gelembung gas CO2 yang terbentuk berguna untuk mengembangkan adonan roti, sedangkan alkohol dibiarkan menguap.

            Proses pembuatan tuak dan bir juga demikian. Bahan baku tuak dapat berupa ketan, sedangkan bahan baku pembuatan bir berupa biji padi-padian yang dikecambahkan dahulu kemudian dikeringkan. Kecambah yang kering ini kemudian dibuat tepung dan akhirnya diberi ragi sehingga terjadi proses fermentasi. Asam cuka dapat diproduksi melalui pertolongan bakteri asam cuka (acetobacter). Bahannya berupa gula, yang diubah menjadi asam cuka. Air nira (mengandung gula) juga dapat berubah menjadi asam cuka setelah disimpan beberapa lama, karena aktivitas bakteri asam cuka.

Penghasil Protein Sel Tunggal (PST)

            PST merupakan protein yang dihasilkan oleh mikroorganisme dan berada di dalam sel mikroorganisme tersebut. Protein ini beratnya mencapai 80% dari berat total sel. Mikroorganisme tersebut meliputi ganggang dan bakteri. Mikroorganisme memiliki kemampuan reproduksi sangat cepat, sehingga dapat dihasilkan protein dalam jumlah banyak dalam waktu yang singkat. Contoh dari mikroorganisme penghasil protein sel tunggal adalah:

l  Bakteri Methylophyllus methylotropus. Protein dari bakteri ini memilikki kandungan asam nukleat yang tinggi dan sulit dicerna oleh manusia, sehingga diolah menjadi makanan ternak

l  Gangga hijau Chlorella. Ganggang hijau yang hidup di air tawar ini menghasilkan protein yang dimanfaatkan untuk obat atau makanan tambahan (suplemen). Selain Chlorella, ganggang spirulina juga diketahui merupakan sumber protein sel tunggal. Spirullina memiliki kandungan asam nukleat yang rendah.

Penghasil Energi

            Beberapa mikroorganisme melakukan proses fermentasi dan menghasilkan zat organik misalnya senyawa etanol (alkohol). Pembuatan alkohol memerlukan bahan baku berupa karbohidrat, misalnya gula tebu, singkong, atau zat tepung lainnya. Bahan baku tersebut kemudian diberi mikroorganisme berupa sel ragi (Saccharomyces). Sel-sel ragi merubah karbohidrat menjadi alkohol. Reaksi tersebut juga menghasilkan karbon dioksida. Etanol merupakan bahan baku utama dari gasohol. Gasohol adalah bahan bakar campuran bensin dengan etanol kering/absolut. Gasohol telah mulai digunakan untuk mengurangi pemakaian bahan bakar fosil (Anonymous^a, 2008).

            Sumber energi alternatif lain adalah biogas. Biogas merupakan gas metana hasil penguraian sampah organik secara anaerob oleh mikroorganisme. Sampah organik dimasukkan dalam suatu tangki. Bakteri anaerob akan hidup di dalamnya dan mencerna sampah menghasilkan metana yang kemudian disalurkan ke rumah-rumah untuk memasak seperti halnya elpiji.

            Keuntungan penggunaan biogas antara lain biaya pengolahan mesin yang murah dibandingkan dengan bahan bakar minyak. Sisa pemrosesan dapat digunakan sebagai pupuk, bebas asap, dan bahan bakunya selalu melimpah.

Penghasil Antibiotik

            Antibiotik penisilin dihasilkan oleh jamur Pennicilium yang ditemukan secara tidak sengaja oleh Alexander Flemming pada 1929. Ia mengamati bakteri yang dipeliharanya tidak dapat hidup dalam tabung yang terkontaminasi jamur Penicillium. Flemming menduga jamur tersebut menghasilkan zat antibiotik sehingga mikroorganisme lain tidak dapat hidup di sekelilingnya. Setelah diteliti ternyata memang jamur ini menghasilkan zat anti hidup yang kemudian diberi nama Penicillin. Penicillin digunakan untuk mengobati berbagai infeksi oleh bakteri.

            Untuk membunuh bakteri yang telah kebal terhadap Penisillin digunakan jamur Cephalosporium yang menghasilkan antibiotik sefalosporin untuk obat radang paru-paru dan jamur Streptomyces yang menghasilkan antibiotik streptomisin untuk obat TBC.

            Sampai sekarang, telah dikenal sekitar 100 macam antibiotik. Jenis antibiotik yang sudah dikenal diantaranya adalah penicillin, streptomycin, tetrasiklin, aeromisin, kioromisetin, amfisin, dan sefalosporin. Penicillin dihasilkan oleh jamur Penicillin notatum. Demikian juga antibiotik streptomycin dihasilkan oleh jamur Streptomyces griceus. Sementara itu, antibiotik seperti tetrasiklin dan sefalosporin dihasilkan oleh bakteri.

Pencerna Limbah

            Proses pengolahan limbah rumah tangga dan pabrik dibantu oleh bakteri. Bakteri akan mencerna limbah, sehingga hancuran limbah dapat dipisahkan antara endapan dan pelarutnya. Endapan dapat diolah menjadi pupuk sedangkan airnya dapat dibuang ke lingkungan. Dengan demikian air yang dibuang ke lingkungan sudah tidak mengandung bahan-bahan pencemar yang meracuni lingkungan.

            Macam bakteri pencerna limbah tergantung pada jenis limbahnya. Limbah yang mengandung senyawa organik dapat dicerna oleh bakteri metanogen (penghasil biogas). Limbah yang mengandung logam berat dapat dicerna oleh bakteri kemolitotrof (logam berat yang diendapkan).

Pemilih Logam dan Bijinya

            Pemanfaatan mikroorganisme untuk memisahkan logam dengan bijih logam diterapkan di tambang logam. Ada beberapa bakteri kemosintesis yang hidup dari zat anorganik seperti tembaga, besi, dan belerang. Bakteri kemosintesis adalah bakteri yang dapat membuat senyawa organik dari senyawa anorganik dengan memanfaatkan energi dari senyawa anorganik tersebut. Contoh bakteri kemosintesis diantaranya adalah: Thiobacillus ferroxidan untuk memisahkan tembaga dari bijihnya.

Penghasil Asam Amino

            Asam amino adalah senyawa penyusun protein. Gabungan beberapa senyawa asam amino akan membentuk molekul protein. Asam amino tersebut ada yang bersifat esensial bagi kita. Artinya tubuh kita tidak dapat memproduksi asam amino tersebut. Asam amino yang esensial dapat kita peroleh dari makanan atau suplemen. Contoh bakteri yang dapat menyusun asam amino essensial: Corinebacterium glutamicum, yang mampu menghasilkan asam glutamat.

Meningkatkan Produksi Pertanian

            Di akar tanaman polong terbentuk bintil-bintil akar karena terdapat bakteri Rhizobium di dalamnya. Bakteri ini mampu menambat nitrogen dari udara. Sehingga tanaman polong (kacang) memperoleh ”pupuk gratis” dari bakteri tersebut. Tanaman memerlukan nitrogen untuk membentuk protein dan untuk pertumbuhan tanaman. Saat ini telah ditemukan dan dikembangkan strain (galur) bakteri yang mampu menambat nitrogen secara efektif. Strain bakteri tersebut diberi nama legin yang dapat disimpan dan dibiakkan di dalam medium untuk dijual. Legin disebarkan di sawah agar tanaman kedelai atau kacang dapat bersimbiosis mutualisme dengan bakteri tersebut (Anonymous^a.2008).

            Hama dan penyakit sering menyerang tanaman. Penyemprotan dengan menggunakan bahan kimia dapat mencemari lingkungan. Di alam terdapat berbagai organisme yang dapat menginfeksi hama. Bakteri Bacillus thuringiensis misalnya, dapat menyerang dan mematikan ulat yang menjadi hama tanaman. Maka bakteri tersebut dikembangbiakan, kemudian disemprotkan ke lahan pertanian agar dapat mematikan ulat hama tanaman. Pemberantasan hama tanaman dengan memanfaatkan jasa makhluk hidup dikenal dengan pengendalian secara biologi atau pengendalian hayati.

           

Bidang Pertambangan

            Kemampuan mikroorganisme untuk memisahkan logam dan batuan merupakan bagian dari perkembangan bioteknologi dalam dunia pertambangan mineral. Tembaga, uranium, dan emas secara efisien dapat diekstrak oleh bakteri Thiobacillus feroxidans dari bijihnya. Penemuan ini selain dapat meningkatkan mutu logam mineral, juga dapat mengurangi kerusakan lingkungan yang disebabkan oleh aktivitas penambangan (Maulana, 2008).

Pengembangan Obat Herbal

Bahan baku obat herbal yang terbatas karena sebagian besar bahan baku obat herbal diambil dari tanaman induknya. Sehingga dikhawatirkan bahwa sumberdaya hayati ini akan musnah disebabkan karena adanya kendala dalam budidayanya. Peranan bioteknologi dalam budidaya, multiplikasi, rekayasa genetika, dan skrining mikroba endofit yang dapat menghasilkan metabolit sekunder sangat penting dalam rangka pengembangan bahan obat yang berasal dari tanaman obat ini. Bahkan dengan kemajuan yang pesat dalam bidang bioteknologi ini telah dapat dihasilkan beberapa jenis tanaman transgenik yang dapat memproduksi vaksin rekombinan.

1.     Rekayasa Genetika

Kemajuan yang telah dicapai dalam bidang bioteknologi dan teknik DNA rekombinan telah membantu mempercepat dan meningkatkan berbagai penelitian menuju ke arah pemahaman tentang biosintesis dari metabolit sekunder. Berbagai penelitian telah berhasil mengidentifikasi beberapa enzim yang berperan penting dalam jalan metabolisme, dan telah berhasil dilakukan rekayasa dan manipulasi terhadap enzim-enzim tersebut. Teknik rekayasa genetika dengan melakukan transformasi genetik telah dilakukan untuk memanipulasi lebih dari 120 jenis spesies dari sekitar 35 famili tanaman menggunakan perantara bakteri Agrobacterium ataupun transformasi langsung (Birch RG., 1997).

Agrobacterium tumafaciens, dan Agrobacterium rhizogenes, merupakan bakteri gram-negatif yang terdapat di dalam tanah yang menyebabkan tumor crown gall dan hairy root pada tanaman. Bakteri Agrobacterium tumafaciens mengandung megaplasmid yang berperan penting dalam induksi tumor tanaman yang diberi nama Ti plasmid. Selama proses infeksi, T-DNA yang merupakan segmen penting dari Ti plasmid ditransfer ke dalam nukleus sel yang terinfeksi dan terintegrasi ke dalam kromosom hospesnya. Sedangkan bakteri A. rhizogenes dapat menginduksi proliferasi multibranched di tempat akar yang terinfeksi sehingga disebut dengan “hairy root”. Melalui infeksi ini dapat ditransfer T-DNA yang dikenal dengan root inducing plasmid (Ri plasmid), dan kemudian dapat terintegrasi ke dalam kromosom sel tanaman (Nester EW., et.al.,1984).

Kemampuan bakteri Agrobacterium tumafaciens, dan A. rhizogenes yang mampu masuk ke dalam nukleus dan berintegrasi ke dalam kromosom tanaman inilah yang dimanfaatkan oleh para peneliti bioteknologi untuk melakukan modifikasi secara genetik guna meningkatkan produksi matabolit sekunder tanaman obat, baik tanaman dikotil ataupun monokotil. Transformasi genetik terhadap tumbuhan obat telah banyak yang berhasil dilakukan. Beberapa diantaranya adalah transformasi genetic menggunakan Agrobacterium tumafaciens terhadap tanaman transgenic Azadirachta indica yang mengandung rekombinan plasmid pTiA6, Atropa belladonna, dan Echinea purpurea dan terbukti dapat meningkatkan komposisi alkaloid secara signifikan. Berbagai jenis tanaman lain juga telah diteliti peningkatan kadar metabolit sekunder yang dihasilkannya melalui transformasi genetik dengan Agrobacterium rhizogenes antara lain adalah terhadap kultur sel/jaringan yang berasal dari tanaman Aconitum heterophyllum, Digitalis lanata, Papaver somniferum L, dan Solanum aviculare.

2.    Mikroba Endofit

Mikroba endofit adalah mikroba yang hidup di dalam jaringan tanaman pada periode tertentu dan mampu hidup dengan membentuk koloni dalam jaringan tanaman tanpa membahayakan inangnya. Setiap tanaman tingkat tinggi dapat mengandung beberapa mikroba endofit yang mampu menghasilkan senyawa biologi atau metabolit sekunder yang diduga sebagai akibat koevolusi atau transfer genetik (genetic recombination) dari tanaman inangnya ke dalam mikroba endofit. Kemampuan mikroba endofit memproduksi senyawa metabolit sekunder sesuai dengan tanaman inangnya merupakan peluang yang sangat besar dan dapat diandalkan untuk memproduksi metabolit sekunder dari mikroba endofit yang diisolasi dari tanaman inangnya tersebut.

Dari sekitar 300.000 jenis tanaman yang tersebar di muka bumi ini, masing-masing tanaman mengandung satu atau lebih mikroba endofit yang terdiri dari bakteri dan jamur. Sehingga apabila endofit yang diisolasi dari suatu tanaman obat dapat menghasilkan alkaloid atau metabolit sekunder sama dengan tanaman aslinya atau bahkan dalam jumlah yang lebih tinggi, maka tidak perlu menebang tanaman aslinya untuk diambil sebagai simplisia, yang kemungkinan besar memerlukan puluhan tahun untuk dapat dipanen. Berbagai jenis endofit telah berhasil diisolasi dari tanaman inangnya, dan telah berhasil dibiakkan dalam media perbenihan yang sesuai. Demikian pula metabolit sekunder yang diproduksi oleh mikroba endofit tersebut telah berhasil diisolasi dan dimurnikan serta telah dielusidasi struktur molekulnya. Beberapa diantaranya adalah :

            Mikroba endofit yang menghasilkan antibiotika Cryptocandin adalah antifungi yang dihasilkan oleh mikroba endofit Cryptosporiopsis quercina yang berhasil diisolasi dari tanaman obat Tripterigeum wilfordii, dan berhasiat sebagai antijamur yang patogen terhadap manusia yaitu Candida albicans dan Trichopyton spp. Beberapa zat aktif lain yang diisolasi dari mikroba endofit misalnya ecomycin diproduksi oleh Pseudomonas viridiflava juga aktif terhadap Cryptococcus neoformans dan C.albicans. Ecomycin merupakan lipopeptida yang disamping terdiri dari molekul asam amino yang umum juga mengandung homoserin dan beta-hidroksi asam arpartat, sedangkan senyawa kimia yang diproduksi oleh mikroba endofit Pseudomonas Syringae yang berhasiat sebagai anti jamur adalah pseudomycin, yang dapat menghambat pertumbuhan Candida albicans dan Cryptococcus neoformans. Pestalotiopsis micrispora, merupakan mikroba endofit yang paling sering ditemukan di tanaman hutan lindung di seluruh dunia. Endofit ini menghasilkan metabolit sekunder ambuic acid yang berhasiat sebagai antifungi. Phomopsichalasin, merupakan metabolit yang diisolasi dari mikroba endofit Phomopsis spp. berhasiat sebagai anti bakteri Bacillus subtilis, Salmonella enterica, Staphylococcos aureus, dan juga dapat menghambat pertumbuhan jamur Candida tropicalis. Antibiotika berspektrum luas yang disebut munumbicin, dihasilkan oleh endofit Streptomyces spp. strain NRRL 30562 yang merupakan endofit yang diisolasi dari tanaman Kennedia nigriscans, dapat menghambat pertumbuhan Bacillus anthracis, dan Mycobacterium tuberculosis yang multiresisten terhadap berbagai obat anti tbc. Jenis endofit lainnya yang juga menghasilkan antibiotika berspaktrum luas adalah mikroba endofit yang diisolasi dari tanaman Grevillea pteridifolia. Endofit ini menghasilkan metabolit kakadumycin. Aktifitas antibakterinya sama seperti munumbicin D, dan kakadumycin ini juga berkhasiat sebagai anti malaria.

     Mikroba endofit yang memproduksi antivirus Jamur endofit Cytonaema sp. Dapat menghasilkan metabolit cytonic acid A dan B, yang struktur malekulnya merupakan isomer p-tridepside, berhasiat sebagai anti virus. Cytonic acid A dan B ini merupakan protease inhibitor dan dapat menghambat pertumbuhan cytomegalovirus manusia.

    Mikroba endofit yang menghasilkan metabolit sebagai antikanker Paclitaxel dan derivatnya merupakan zat yang berkhasiat sebagai antikanker yang pertama kali ditemukan yang diproduksi oleh mikroba endofit. Paclitaxel merupakan senyawa diterpenoid yang didapatkan dalam tanaman Taxus. Senyawa yang dapat mempengaruhi molekul tubulin dalam proses pembelahan sel-sel kanker ini, umumnya diproduksi oleh endofit Pestalotiopsis microspora, yang diisolasi dari tanaman Taxus andreanae, T. brevifolia, dan T. wallichiana. Saat ini beberapa jenis endofit lainnya telah dapat diisolasi dari berbagai jenis Taxus dan didapatkan berbagai senyawa yang berhasiat sebagai anti tumor. Demikian pula upaya untuk sintesisnya telah berhasil dilakukan.

         Mikroba endofit penghasil zat anti malaria Colletotrichum sp. Merupakan endofit yang diisolasi dari tanaman Artemisia annua, menghasilkan metabolit artemisinin yang sangat potensial sebagai anti malaria. Disamping itu beberapa mikroba endofit yang diisolasi dari tanaman Cinchona spp, juga mampu menghasilkan alkaloid cinchona yang dapat dikembangkan sebagai sumber bahan baku obat anti malaria (Simanjuntak P., et.al. 2002).

         Endofit yang memproduksi antioksidan Pestacin dan isopestacin merupakan metabolit sekunder yang dihasilkan oleh endofit P. microspora. Endofit ini berhasil diisolasi dari tanaman Terminalia morobensis. Baik pestacin ataupun isopestacin berhasiat sebagai antioksidan, dimana aktivitas ini diduga karena struktur molekulnya mirip dengan flavonoid.

          Endofit yang menghasilkan metabolit yang berkhasiat sebagai antidiabetes. Endofit Pseudomassaria sp menghasilkan metabolit sekunder yang bekerja seperti insulin. Dalam uji praklinik terhadap binatang coba membuktikan bahwa aktivitasnya sangat baik dalam menurunkan glukosa darah tikus yang diabetes. Hasil tersebut diperkirakan dapat menjadi awal dari era terapi baru untuk mengatasi diabetes dimasa mendatang (Zhang B. et.al.1999).

        Endofit yang memproduksi senyawa imunosupresif obat-obat imunospresif merupakan obat yang digunakan untuk pasien yang akan dilakukan tindakan transplantasi organ. Selain itu imunosupresif juga dapat digunakan untuk mengatasi penyakit autoimum seperti rematoid artritis dan insulin dependent diabetes. Senyawa subglutinol A dan B yang dihasilkan oleh endofit Fusarium subglutinans yang diisolasi dari tanaman T. wilfordii, merupakan senyawa imunosupresif yang sangat poten (Lee,J., et.al. 1995).