Bab 3 Implikasi Fisiologi Nutrisi, Pertumbuhan dan kematian mikrobia Nutrisi sbg indikasi fisiologi yg komplek •
Bakteri sebagai model nutrisi
•
Kebutuhan umum pertumbuhan
•
Mekanisme pengambilan substrat ke dlm sel
Implikasi fisiologi pertumbuhan dan Kematian mikrobia Differensiasi dan Morfogenesis pada mikrobia
IMPLIKASI FISIOLOGI NUTRISI, PERTUMBUHAN DAN KEMATIAN MIKROBIA Tujuan instruksional khusus dan kompetensi kuliah ini ialah •
Memberi pengertian dasar tentang nutrisi dan menunjukkan kunci utama tentang sel mikrobia sebagai suatu sistem yang mampu melakukan reaksi kimia secara langsung dan mengorganisasi molekul menjadi struktur spesifik, yang kemudian diekspresikan dalam bentuk pertumbuhan mikrobia.
Dengan demikian setelah selesai mengikuti kulaiah ini para mahasiswa mampu menjelaskan sesuai dengan materi kuliah tentang arti penting dan hubungan antara nutrisi dan kebutuhan makanan yang diperlukan mikrobia untuk aktivitas seluler, menyebutkan
spektrum
nutrien
yang
diperlukan
pertumbuhan
mikrobia
dan
mengklasifikasi mikrobia Sesuai sifat nutrisi, menjelaskan faktor nutrien yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan penyebab kematian mikrobia. Pengertian tentang nutrisi Mikrobia seperti hanya jasad hidup yang lain, untuk mempertahankan diri agar tetap hidup dan berkermbangbiak, mikrobia harus mampu melakukan aktivitas seluler yang melibatkan berbagai reaksi kimia dan perubahan tenaga. Aktivitas selular tersebut sangat tergantung pada air dan nutrien. Apakah nutrien ? Nutrien: 1.
Substansi yang diperlukan oleh mikrobia untuk mensintesis komponen sel dan memperoleh tenaga untuk pertumbuhannya.
2.
Meliputi bahan oerganik maupun anorganik baik dalam jurnlah hesar atau kecil (Makroelernen atau rnikroelernen))
3.
Mengandung unsur-uisur yang diperlukan untuk sintesis penyusun substansi sel
Apakah nutrisi? Nutrisi adalah suatu proses pengadaan dan pemberian subtansi khusus yang dapat diabsorbsi masuk kedalam sel untuk pertumbuhannya. Oleh karena itu sel mikrobia harus mampu : mendapatkan dan merombak nutrien yang ada di Iingkungan menjadi substansi yang Iebih sederhana sebelum diabsorbsi oleh sel.
mentransformasikan nutrien kemudian diabsorbsi masuk ke dalam sel. Fungsi fisiologi mikrobia mencakup pemahaman tentang kondisi fisiologi dan kebutuhan nutrisional untuk pertumbuhan. Kebutuhan nutrisional bagi mikrobia bervariasi dan spesifik tergantung pada kemampuan metabolik. Apabila sel mikrobia tidak mampu mensintesis substansi essensial, maka sel tersebut harus mampu mendapatkannya dari medium pertumbuhan. Kebutuhan nutrisional dapat dipelajari dengan cara menumbuhkan mikrobia di laboratorium pada media kultur. Medium kultur pada dasarnya harus mengandung senyawa yang mudah digunakan oleh mikrobia dan terdiri dan unsur-unsur yang diperlukan unluk sintesis penyusun substansi sel (Tabel 3.1).. Komposisi medium minimal mendekati komposisi kimia sel mikrobia (Tabel 3,2). Tabel 3.1. Fungsi berbagai substansi yang diperlukan Makro elemen Uns ur C
N
Fungsi
Makro elemen (bahan anorganik) Ion Fungsi
Bahan organik substansi
Fungsi
komponen utama sitoplasma
K+
• Menjaga keseimbangan osmotik • Sebagai Kofaktor
Heme atau tetrapirol
Komponen sitokrom
• Komponen asam amino di dalam protein sel; • Komponen cincin purin & pirmidin asam amino • Komponen subtansi peptidoglikan dan khitin • Komponen substansi lipida kompleks • Sebagai nitrat, penerima elektron
Na
• Diperlukan menggunakan senyawa organik (sitrat) • Obligat diperlukan sbg aktivator ensim • Untuk transpor pada mikrobia halofilik
Vitamin K
Peinbawa (carrier) Elektron
Methiortin Coensim M
Agensia donor metil Pernbawa elektron bagi metatiogen
Purin &Pirimidin
Komponen asam nukleat
+
Tabel 3.1. Fungsi berbagai substansi yang diperlukan untuk pertumbuhan mikrobia (lanjutan) Makro elemen Uns ur O
P
S
Fungsi
Makro elemen (bahan anorganik) Ion Fungsi
FE2+ • Substansi organik utk komponen protoplasma • Gas oksigen • Aseptor elektron pada transpor e aerobik NH4 • Dalam bentuk PO4 sebagai komponen asam nukleat, asam teiokat dan teikuronat, membran fosfolipida • Dalam bentuk pirofosfat • Senyawa anorganik MG2+ penyimpan tenaga • Komponen asam amino • Asam lipoat • Sumber tenaga untuk kemotrof • Sumber pereduksi untuk fototrof • Sebagai sulfat, penerima elektron
• Komponen sitokrom • Komponen ensim • Sumber tenaga untuk ferrobacillus • Dioksidasi ke Fe3+
Bahan organik substansi
Fungsi
Asam amino
Komponen protein • Reaksi transfer karboksil • Fiksasi CO2
Biotin
• Sebagai sumber N • Sebagai sumber tenaga untuk nitrosomonas dll
Asam nikotinat
• Aktifator ensim, reaksi kinase • Komponen klorofil
Riboflavin
Co2+
• Komponen vit B12 • Komponen koensim
Tiamin Asam folat
Ca2+
• Aktifator ensimospora
Piridoksin
• Dekarboksila si • Transfer C-1 • Donor metil Pengatur kembali
NO2
• Sumber tenaga untuk nitrobacter
Asam pantotenat
Transminasi dan deaminasi
NO3
Aseppor transpor elektron
Cobalamin
• Pembawa elektron NAD,NADP • Dehidrogena si
• Koensim A • Aktifasi • Metabolisme tenaga & asam lemak
Air merupakan penyusun terbesar dan sel dan essensial untuk proses kehidupan. Mineral digunakan dalam aktivitas sel, yaitu dalam reaksi enzim atau proses transport. Tidak semua mikrobia dapat menggunakan mineral, tergantung sifat fisiologinya. Tabel 3.2. Komposisi kimia sel bakteri (Madigan dkk., 2001) No 1 2
3
4
Molekul Air Makromolekul - Protein - Polisakarida - Lipida - DNA - RNA Monomer - Asam amino - Gula - nukleotida Ion organik Jumlah total
Berat basah (%) 70 26 15 3 2 1 5
Berat kering sel (%) 96 60 5 9 3 19
1 100
1 100
Nutrisi sebagai indikasi fisiologi yg komplek Pada umumnya nutrien yang dibutuhkan oleh mikrobia dapat merefleksikan kapasitas fisiologi. Semakin hanyak ragam hahan yang diperlukan untuk pertumbuhan mikrobia semakin ekstensif kompleksitas fisioioginya. Contoh: Lactobcillus memeriukan sejumlah asam amino terutama Vitamin B dan nutrien lain untuk pertumbuhhannya. Sianobakieri hanya memerlukan cahaya matahari, CO2 dan N2. Berdasarkan Berdasarkan kebutuhan nutrisional tersebut menunjukkan bahwa sel mikrobia berfungsi sebagai mesin fisiologi yang spesifik untuk mengolah substansi atau mensintesis semua yang diperlukan untuk pertumbuhan. Perbedaan fisiologi di antara mikrobia dapat ditunjukkan pula dengan adanya perbedaan spektra nutrien yang diperlukan untuk tumbuh. Dengan melalui studi tentang penggunaan nutrien, akan meningkatkan pemahaman bagaimana mikrobia menjalankan tugas hidupnya dan peranya pada perubahan lingkungan.. Bakteri Sebagai Model Nutrisi Berdasarkan
kebutuhan
nutrisional,
bakteri
digunakan
sebagai
model
untuk
mengetahui sifat dan fungsi nutrien yang dibutuhkan oleh semua sel dengan alasan bahwa bakteri:
1. Merupakan mikrobia yang paling tinggi keragamannya. 2. Memiliki spektra tipe nutrisi yang tinggi. Contoh : keanekaragaman bakteri yang mampu menggunakan berbagai sumber karbon nitrogen di alam menunjukkan keanekaragaman kapasitas metabolik yang besar 3. Mampu melakukan proses metabolik yang unik untuk kehidupan selular dengan mengetahui sifat dan fungsi nutrien yang terdapat pada sistem mikrobia, maka dapat untuk memahami sifat dan fungsi pada semua sel jasad hidup. Penggolongan mikrobia berdasarkan kebutuhan nutrisi Berdasarkan kebutuhan nutrisional, rnikrohia dapat dikelompokkan menjadi beberapa kategori yang sesuai dengan sumber C yang diperlukan dan mekanisme perombakan karbohidrat (Tabel 3.3). Tabel 3.3. Pengelompokan mikrobia berdasarkan sumber C dan sumber tenaga Sumber karbon Senyawa kimia : 1. Senyawa anorganik (CO2) 2. Senyawa organik
Sumber elektron
Tipe mikrobia
Tipe kombinasi
Ototrof Senyawa anorg Senyawa organik Senyawa anorganik
Sumber tenaga Sumber elektron 1. Senyawa kimia : a. anorganik (CO2) Senyawa anorganik b. Organik 2. Cahaya matahari 3. Cahaya matahari Senyawa organik Senyawa anorganik
: Heterotrof : Tipe mikrobia Kemotrof a. Kemolitotrof b. Kemoorganotrof fototrof
Litrotrof organotrof Tipe kombinasi
Kemoorganotrof (heterotrof) Fotoorganotrof fotolitotrof
Meskipun mikrobia telah dikiasifikasikan berdasarkan nutrien yang diperlukan untuk pertumbuhan, kebutuhan
nutrien tersebut mempunyai fungsi tertentu.
Untuk
memahami hal tersebut maka perlu dipelajari: 1. Beberapa banyak nutrien diperlukan mikrobia untuk tumbuh 2. Spesifikasi nutrien yang diperlukan 3. Bentuk nutrien yang diperlukan. Kuantitas nutrien yang diperlukan mikrobia merupakan indikasi fungsi umum.
Jumlah Kebutuhan nutrisional yang cukup tinggi merefleksikan bahwa nutrien digunakan untuk mensintesis makromolekul dan struktur sel. Jumlah kebutuhan nutrisional yang rendah menunjukkan bahwa nutrien tersebut dipakai untuk mensitesis kofaktor atau koensim. Meskipun demikian kuantitas nutrien yang diperlukan mikrobia bukan merupakan petunjuk pentingnya nutrien terhadap mikrobia tersebut. Oleh karena itu beberapa hal sangat penting untuk diketahui: Bagaimana mekanisme pengangkutan nutrien dari luar masuk ke dalam sel. Perbedaan bentuk nutrien di dalam sel dengan bentuk nutrien di lingkungan, yang dapat rnenunjukkan apakah terjadi modifikasi selama pengangkutan. Lokasi intraselular dan nutrien; hal ini penting untuk mengetahui fungsi nutrien, dan hubungan antara pengambilan dan penggunaan nutrien. ketiga aspek tersebut dapat menjelaskan implikasikan kebutuhan nutrien. Bagaimana mekanisme pengambilan dan masuknya substrat kedalani sel Untuk mendapatkan substansi makanan dari Iingkungan dan melepaskan hasil buangannya, maka membran sitoplasma mikrobia harus bersifat permeabel yang memungkinkan substansi tersebut dapat masuk atau ke dalam Sel. Sebagian besar senyawa esensial (vitamin B12, oligosakarida dan besi) biasanya dalam bentuk molekul yang jauh Iebih besar dan pada sel mikrobia, sehingga tidak mungkin dapat melewati membran sitoplasma. Demikian pula isi sel mikrobia jauh lebih pekat (1000 kali iebih tinggi dan pada yang ada di sekelillngnya, sehingga tidak mungkin dapat keluar dengan bebas. Contoh: -
Molekul maltosa dapat melewati membran sitoplasma luar dengan bantuan protein spesifik, maltoporin,
• molekul 02, C02, NH4 dan H20 masuk ke membran luar dan dalam Sitoplasma dengan cara difusi. OIeh karena itu membran sitoplasma harus mampu mengatur secara selektif gerakan substansi dan luar dan dalam sel, atau semipermeabel. Mikrobia rnempunyai berbagai mekanisme untuk menggerakkan molekul masuk melewati membran sitoplasma. Mekanisme transport molekul pada prinsipnya dibedakan atas karakteristik berikut ini : Apakah molekul dapat langsung masuk melalui lapisan lipida atau lewat protein khusus pada membran
Apakah molekul diubah terlebih te dahulu ahulu agar dapat masuk melewati membran Apakah proses s memerlukan tenaga selular Apakah larutan lebih pekat dari pada gradien Berdasarkan karakteristik tersebut, maka mekanisme meka transport nutrien kedalam sel meliputi empat tipe yaitu 1. Transport yang ang dipermudah (difusi yang dipermudah) dipe 2. Transport kemiosmotik 3. Transport aktif (Binding transport) 4. Translokasi gugus (Transport senyawa konsentrasi tinggi PTS) Proses transport pasif (Diffusi) Mekanisme transport yang tidak memerlukan memerlukan tenaga selular. Mekanisme transport tersebut meliputi (Gambar 3.1):: Difusi pasif Osmosis Diffusi terfasilitasi Mekanisme transport tersebut, substrat dapat masuk kedalam sel tidak memerlukan tenaga naga karena tetapi dengan bantuan ensim en permease dan adanya anya perbeda perbedaan konsentrasi. Contoh: • gliserol dapat diangkut langsung kedalam sel bakteri melalui diffusi. • glucose ditransfer masuk ke dalam sd Zymomonas mobilEs dan Sreptococous bovis melalui mekanisme transport pasif.
Gambar 3.1. Mekanisme transport pasif
Transport kemiosmotik Mekanisme transport kemiosmotik adalah mekanisme transport molekul melalui membran berdasarkan arah pengangkutan dengan melibatkan protein. Protein yang memfasilitasi proses bervariasi dari sistem ke sistem. Berdasarkan direksi atau arah pengangkutan nutrien, sistem transport kemiosmotik meliputi : uniport: transport yang diperantarai protein ke satu arah. Misalnya gliserol diangkut kedalam sel secara uniport. simport; transport yang diperantarai oleh protein yang sama untuk dua molekui berbeda ke arah yang sama. Antiport: transport yang diperantarai oleh protein yang sama, berlangsung secara simultan mengangkut satu molekul ke arah dalam, sedangkan molekul yang lain dibawa ke luar. Misalnya ion Ma+ & H+ ditransfer ke dalam sel Escherichia coli, menjadikan kondisi asam untuk bagian dalam sel yang netral dan pada Iingkungan basa. Transport Aktif transport aktif nutrien: merupakan mekanisme yang paling banyak terjadi pada mikrobia. melibatkan permease dan memerlukan tenaga. Merupakan sistem pengangkutan ini erat hubungannya dengan transport elektron. Gerakan substrat masuk kedalam membran sitoplasma dikemudikan oleh ATP atau gradien ion. Contoh: - Escherichia coli mempunyai sistem transport untuk laktosa dan
-
galaktosidase masuk ke dalam sel dan menggunakan tenaga dan gradien elektrokimia hasil perbedaan konsentrasi ion melalui membran. Gradien elektrokimia ini berperan untuk mengubah bentuk pembawa sehingga substrat tersebut dapat masuk membran. - Mikrobia eukariotik, transport aktif dikemudikan oleh tenaga hasil hidrolisis ATP atau gradien ion. Pada umumnya transport elektron menghasilkan tenaga untuk transport aktif beberapa bakteri anaerobik melepaskan tenaga transport tanpa adanya transport elektron. Misalnya: Bakteri fermentatif pada keadaan anaerobik mendapatkan tenaga untuk transport nutrien baik dan hasil hidrolisis ATP, maupun dan transport hasil fermentasi secara simport dari proton ke luar sel.
Contoh transport aktif yang lain: penyerapan asam amino laktosa, phosphat dan sulfat yang terjadi pada sel Escherichia coli,. Perhandingan antara transport aktif dengan mekanisme diffusi terfasilitasi: 1. Persamaannya: diperantarai oleh protein 2. Perbedaannya: transport aktif: - memungkinkan terjadi akumulasi versus konsentrasi gradien. - Obligat memerlukan tenaga selular Diffusi terfasilitasi: - tidak terjadi akumulasi gradien - tidak memerlukan tenaga selular Sistem translokasi gugus (Sistem Fosfotransferase = PTS) Pada proses transport yang disebut translokasi gugus terjadi di dalam sistem Fosfoenol piruvat: fosfotransferase (PEP-PTS). Sistem PEP-PTS mentransport substrat yang mengalami perubahan kimia selama melewati membran sitoplasma dengan penambahan gugus fosfat. Proses tersebut khusus terjadi pada sel bakteri. Contoh: - Bakteri gram negatif dan gram positif mengambil karbohidrat dan lingkungan melalui mekanisme PEP-PTS. - Pada Escherichia coli, transport gugus melalui sistem PTS adalah fosforilasi glukosa. Pada PEP-PTS Escherichia coli, glukosa difosforilasi selama perjalanan melewati membran sitoplasma. Ketika senyawa tersebut dibawa PEP-PTS masuk ke dalam sel, tetap nampak seperti glukosa di luar sel, tetapi sebetulnya menjadi glukosa-6-fosfat. Contoh translokasi Phosplioenol piruvat (PEP) oleh E coli melalui sistem PTS yang dipindahkan melalui protein enzim III dan enzim II lalu senyawa gula masuk ke sel
Gambar 3.2. Translokasi gugus
Implikasi Fisiologi Pertumbuhan Dan Kematian Mikrobia Pertumbuhan mikrobia merupakan: Suatu ekspresi fisiologi yang sangat penting untuk hidup bagi mikrobia. Kemampuan berkermbangbiak sebagai kriteria utama untuk menentukan apakah mikroibia itu hidup atau mati. Refleksi kinerja struktur yang terkoordinasi Fenomena dinamika populasi yang dapat memberikan pengaruh negatif terhadap jasad hidup lain, maka perlu dipelajari agar dapat dikendalikan pertumbuhannya. Dengan mempelajari proses pertumbuhan mikrobia dapat dimengerti tentang faktor kritikal yang terlibat di dalam pertumbuhan dan metabolisme sel, serta respons sel terhadap perubahan lingkungan.
Sifat pertumbuhan mikrobia Pertumbuhan mikrobia mengimplikasikan : Peningkatan volume protoplasma Pembentukan struktur baru dan Pembentukan sel baru atau perbanyakan mikrobia yang dipengaruhi oleh faktor Iingkungan. Bagaimana mikrobia memberi tanggapan terhadap lingkungan yang tidak sesuai? Apabila Iingkungan mendukung semua komponen meningkat secara proposional, maka pertumbuhannya adalah seimbang. Apabila lingkungan tidak mendukung pertumbuhan, sehingga tidak terjadi peningkatan komponen sel yang tidak proporsional dan komponen sel baru meningkat secara tidak konstan, maka pertumbuhan tersebut tidak seimbang. Aktivitas sintesis mikrobia menunjukkan suatu bentuk pertumbuhan, maka ada pandangan yang perlu diperhatikan: 1. Seberapa besar pertumbuhan dapat terjadi 2. Seberapa cepat pertumbuhan berlangsung Hasil pertumbuhan yang diperoleh dapat diukur dan kecepatan pertumbuhan dapat diukur dan ditingkatkan. Kedua parameter tersebut sangat penting untuk menentukan faktor kritikal yang mempengaruhi proses pertumbuhan. Pertumbuhan mikrobia dapat digunakan untuk: 1. Memproduksi dan mengawetkan makanan. 2. Sintesis antibiotik, etanol, vitamin, asarn amono dan enzim.
3. Mengolah Iimbah dan detoksiflkasi. 4. Bagaimana cara reproduksi mikrobia sangat menarik dan perlu diketahui. Fisiologi pertumbuhan ini penting untuk dpelajari karena merupakan dasar tidak hanya mempelajari pertumbuhan sel di tingkat mikrobia tetapi juga untuk memahami faktor umum yang mempengaruhi pengendalian pertumbuhan berbagai tipe sel hidup Apakah pertumbuhan itu ? Pertumbuhan mikrobia meliputi 1. Pertumbuhan secara individu merupakan pertambahan komponen sel, ukuran sel, setelah ukuran sel maksimal baru memperbanyak diri melalui pembelahan sel. Pembelahan atau divisi sel merupakan syarat utama pada pertumbuhan mikrobia. 2. Pertumbuhan populasi yaitu pertambahan jumlah sel dan peningkatan aktivitas poputasi mikrobia. Pertumbuhan sel Individu Mikrobia Pertumbuhan sel melibatkan pembelahan yang tidak lepas dan siklus hidup sel. Mengapa sel mikrobia membelah? Pembelahan sel adalah faktor kritikal untuk memahami sel hidup, maka perlu diketahui: 1. Hubungan antara ukuran sel dan pembelahan sel; semakin kecil ukuran sel semakin tinggi rasio permukaan dengan volume sel. Semakin kecil sel semakin tinggi aktivitas metabolik semakin cepat dan hasil akhir metabolisine mudah diambil. 2. Sifat karakteristik komponen sel yang dapat bereplikasi; berkaitan dengan kontrol genetik. 3. cara dan karakter replikasi komponen sel, dihubungkan dengan proses Selular 4. Kebutuhan minimal suatu komponen untuk fungsi selular. Siklus sel Mikrobia Siklus sel adalah proses dalam sel yang sangat esensial untuk pertumbuhan dan pembelahan sel. Di dalarn proses tersehut in ncakup peningkatan ukuran, komponen dan pembelahan untuk membentuk sel anakan. Proses pertumbuhan mencakup tiga fase yaitu: 1. Fase C (replikasi kromosom): fase dimana kromosom baru disintesis 2. Fase G (gap, variabel): fase dimana segregasi kromosorn terjadi Segregasi kromosom menyebabkan DNA menempel pada sisi membran sitoplasma yang berdekatan
3. Fase D (divisi atau pembelahan): Pembentukan septa diantara dua sel baru dan sel membelah menjadi dua sel Beberapa bakteri, algae dan protozoa mengalami pembelahan biner membentuk sel anakan yang identik, namun demikian beberapa sel mikrobia membelah secara asimetri, sehingga sel anakannya tidak identik. Contoh : • Pembelahan sel Caulobacter diawali dengan membentuk sel bertangkai dan sel bergerak aktif. • Pada pembelahan sel diatomae menghasilkan sel anakan lebih kecil hasil meiosis dan auksospora hasil perkecambahan yang bentuknya lebih besar. • Beberapa kharnir membentuk tunas, kecuali Schizosaccharoinyces mengalami pembelahan. • Beberapa
bakteri
filamentous
(aktinomisetes)
berkembang
biak
dengan
membentuk rantai konidiospora yang terjadi di ujung filamen. Siklus Sel Bakteri Bakteri pada umumnya berkembangbiak melalui pembelahan biner, artinya sel induk membelah menjadi dua sel anakan yang identik. Masing-masing sel anakan tersebut membelah dan menghasilkan dua sel anakan lagi, dan seterusnya. Proses tersebut diatas disebut siklus sel. Siklus sel diawali dengan peningkatan sel yang kemudian mulai terjadi replikasi DNA yang akan diwariskan kepada dua sel turunannya (Gambar 3.3).
Gambar 3.3. Diagram pembelahan biner pada bakteri Pembentukan dinding dan membran sel baru:
• terpusat di bagian ekuatorial sel pada sekitar mesosom yang menjadi tempat perlekatan DNA pada membran sel. • sintesis senyawa penyusun dinding sel baru yang dapat dilihat jelas teknik pengecatan immunofluorescens. Preparasinya menggunakan antibodi dinding sel, untuk membedakan sintesis dan sel lama dan baru. Contoh pembentukan dinding sel dan membran baru dapat diamati dengan mikroskop elektron pada Streptococcus faecalis. Kinetika Pertumbuhan Bakteri Kinetika pertumbuhan sel menggambarkan populasi mikrobia dan suatu bahan, mendapatkan gambaran populasi mikrobia perlu dilakukan penentuan jumlah mikrobia, baik secara langsung dengan mikroskopi atau secara tidak langsung berdasarkan aktivitas metabolik. Secara mikroskopi nampak bahwa sel individu mikrobia bertambah secara linier dengan waktu. Ketika satu sel bakteri diinokulasikan kedalam medium pertumbuhan, sel akan: mengakumulasi nutrien mensintesis konstituen sel baru dan tumbuh mereplikasi bahan genetik mensintesis dinding sel baru dan membelah. Seperti pada gambar 3.2., satu sel membelah menjadi dua sel dan masing-masing sel membelah
lagi
yang
akhirnya menjadi
empat
disebut
seagai pertumbuhan
eksponensial. Waktu yang diperlukan sel untuk membelah atau populasi menjadi berganda disebut waktu generasi (g) atau waktu berganda (td). Kecepatan suatu bakteri tumbuh disebut kecepatan pertumbuhan spesifik (µ). Waktu generasi ini bervariasi tergantung kondisi Iingkungan; temperatur dan lainnya. Bakteri pada umumnya mempunyai waktu generasi sekitar 1 - 3 jam, dan beberapa bakteri memerlukan waktu lebih dan 24 jam per generasi. atau 2n
Kalau jumlah awal 1 sel :
Jumlah awal sel x 2n = jumlah sel
Jumlah akhir sel (Xt) adalah:
Untuk mengkalkulasi jumlah generasi (n), maka jumlah sel harus dikonversikan ke logaritmik (log 10 atau Log2 = 0,301) Log jumlah set akhir (Xt)- Log jumlah set akhir (X0) Jumlah generasi (n) =
0,301
Waktu generasi (n) dapat dikalkulasi :
60 menit x jam Jumlah generasi (n)
_ 0.301
Kecepatan Pertumbuhan dapat diukur dengan persamaan berikut ini: Kecepatan pertumbuhan spesifik
(µ) = 0.69/td
Contoh : - Kecepatan tumbuh spesifik E. coli bila ditumbuhkan pada medium kaya dan cukup aerasi pada temperatur 37 °C mampu membelah tiap 20 menit, sedangkan waktu yang diperlukan untuk mensintesis turunan kromosom sekitar 40 menit. Siklus terpendek untuk E. Coli seharusnya sekitar 60 menit. Dengan demikian DNA baru basil replikasi DNA harus diinisiasi setiap 20 menit, meskipun sikius sel belum sempurna. * Mycobacterium tuberculosis mempunyai waktu generasi maksimum 18 jam. Kurva pertumbuhan bakteri Teknik yang paling baik untuk mendapatkan kultur mikrobia dengan biomasa hasil metaboliknya yang tinggi adalah dengan menumbuhkan mikrobia dalam medium cair. Teknik tersebut dikenal dengan Kultur sekali unduh (Batch culture). Pertumubuhan bakteri di dalam medium cair menunjukkan pola pertumbuhan yang spesifik disebut kurva pertumbuhan bakteri. Selama pertumbuhan terjadi empat fase pertumbuhan : 1. Fase lag : fase setelah inokulasi dimana sel bakteri beradaptasi pada medium. Pada fase ini sel tidak dorman tetapi populasi bakteri mulai aktif mensintesis DNA dan ensim. 2. Fase eksponensial (log): fase dimana bakteri tumbuh konstan dan menunjukkan garis linear apabila diplot antara logo jumlah sel versus waktu. reproduksi selular paling aktif dan waktu generasi mencapai konstan. pada fase log sel paling aktif melakukan metabolisme dan menghasilkan produk paling efisien. Akan tetapi, mikrobia sangat sensitif terhadap perubahan lingkungan (Radiasi dan antibiotika) 3. stasioner: fase dimana nutrien mulai habis dan metabolit toksik terakumulasi di dalam medium sehingga terjadi penghambatan jumlah sel. 4. Fase kematian: fase dimana jumlah sel menurun karena sel mengalami lisis.
Gambar 3.4. Kurva pertumbuhan bakteri dengan empat fase pertumbuhan yang tipikal Kematian Mikrobia Kematian mikrobia dapat diukur dengan mententukan proporsi sel total dengan sel yang masih hidup pada satuan waktu tertentu. Pada kondisi tertentu kematian sel adalah logaritmik. Pada fase ini populasi berhenti menjadi fraksi yang sangat kecil atau mati sama sekali. Karena ada perubahan kondisi lingkungan, kematian logaritmik terhenti dan kultur menjadi steril atau hanya beberapa sel yang dapat bertahan hidup. Kematian mikrobia dapat disebahkan oleh pengaruh agensia pengendali fisik, kimia dan biologi. Mekanisme kematian akibat berbagai agensia, meliputi: Kehilangan permeabilitas membran sitoplasma karena kerusakan pada lapisan lipida atau protein membran, sehingga sel menjadi bocor. Merusak protein dan asam nukleat, • khususnya ensim yang bentuknya dijaga dengan adanya ikatan kimia. Beberapa ikatan tersebut adalah H yang mudah rusak karena panas atau senyawa kimia tertentu, menyebabkan denaturasi protein. • Asam nukleat (DNA, RNA) pembawa informasi genetik dapat rusak oleb panas, radiasi atau senyawa kimia, sehingga menyebabkan kematian; atau sel tidak dapat bereplikasi, atau tidak mampu mensintesis ensim. Beberapa jenis mikrobia mampu beradaptasi terhadap faktor lingkungan yang ekstrim dan bahkan menyebabkan resisten. Mikrobia yang berspora lebih tahan terhadap faktor fisik dan kimia yang ekstrirn dibandingkan sel vegetatif. Sifat resisten mi disebabkan beberapa faktor antara lain, spora istirahat kurang bersifat permeabel terhadap pelarut, enzim selama sporulasi lebih tahan terhadap panas, stabilitas struktur karena mengandung kalsium dipikolinat pada spora konsentrasi tinggi.
Susunan DNA berbeda dibanding sel vegetatif, DNA lebih efisien mensintesis enzim sesudah spora berkecambah. Kultur kontinyu Mengapa pertumbuhan eksponensial berhenti, belum diketahui dengan pasti. untuk mempertahankan pertumbuhan bakteri selalu dalam fase eksponensial, pertumbuhan mikrobia dapat dilakukan dengan alat yang disebut kemostat. Dengan menumbuhkan bakteri di dalam kemostat atau sistem kultur berkesinambungan kontinyu) dimana media baru selalu ditambahkan secara konstan ke dalam kemostat, ada tiga hal dicapai: 1. Populasi mikrobia konstan sepanjang waktu inkubasi, 2. Lingkungan terjaga konstan, 3. Kecepatan tumbuh dan konstan dan terkendali. Untuk mikrobia yang tumbuh lambat: kecepatan pengambilan medium dan mikrobia harus proporsional rendah, sehingga kultur tidak akan terbawa (washed out) Untuk populasi mikrobia yang rendah tetapi tumbuh cepat. kecepatan pengenceran harus cepat : • Kecpatan pertumbuhan dibatasi oleh konsentrasi nutrien yang sangat rendah • pertumbuhan yang lebih cepat dan banyak, kecepatan pengenceran harus ditingkatkan secara proporsional • Hubungan antara populasi sel yang ada, kecepatan pengenceran, kecepatan pertumbuhan dan perubahan populasi dinyatakan dalam persamaan berikut ini: dX/dt=µX-DX ……………………………(1) dX/dt=X(µ-D) …………………………….(2) Keterangan dX: - perubahan populasi sel atau biomasa, sebagai fungsi perubahan dalam waktu tertentu (aft) - sama dengan perbedaan antara produk kecepatan turnbuh (µ) dan populasi (X) - produk kecepatan pengenceran populasi yang ada (DX) Persamaan menyatakan suatu konsep bahwa pengenceran dan pertumbuhan tergantung populasi atau biomasa yang tumbuh (Gambar 3.5).
Gambar 3.5. Pengaruh kecepatan pengenceran terhadap konsentrasi biomasa dan nutrien dalam sistem kultur berkesinambungan kemostatik ke Morfogenesis dan Diferensiasi pada mikrobia Morfogenesis
adalah
perkembangan
bentuk,
yang
merupakan merupakan
proses
pembentuk struktur tertentu di dalam sel. Suatu contoh, pembentukan flagella adalah proses morfogenetik. Diferensiasi adalah proses dimana sel berubah bentuk dan atau fungsi. Proses ini melibatkan serangkaian perubahan morfogenetik. Contoh proses diferensisasi : • Proses pembelahan sel (gambar 3.3) • Pembentukan tangkai pada bakteri bertangkai (prosthecate (prosthecate bacteria), coulobacter proses differensiasi ini melibatkan pembelahan asimetris untuk membentuk tangkai. (gambar 3.6)
Karakteristik sistem differensiasi Differensiasi melibatkan serangkaian reaksi biokimia dan tahapan morfologi, perubahana morfologi mikrobia mudah diamati dengan mikroskop elektron. Di dalam sistem perkembangan mikrobia, tidak nampak jelas adanya perubahan informasi genetik total, tal, karena hasil akhir perkembangan (spora) kadang-kadang kadang kadang kembali seperti sel awal (vegetatif), tetapi tetap ada kontrol ekspresi informasi. Perakitan : selama morfogenesis dan perkembangan selular, struktur baru terbentuk pada bentuk yang lama. Oleh karena karena itu perlu perakitan molekul sub unit menjadi bentuk yang tepat.
Interaksi antar sel : beberapa sistem diferensiasi mikrobia hanya terjadi perubahan di dalam sel itu sendiri (pembentukan endospora, gambar 2.15; sporulasi pada khamir, perkecambahan spora). Kadang-kadang terjadi pula komunikasi internal. Contoh : pembentukan zigospora pada Mucor sp. Hifa aerial yang mempunyai tipe mating berbeda tumbuh tumbuh bersinggungan dan
saling berfusi membentuk
zigospora (gambar 3.7.). Morfogenesis erat kaitannya dengan proses biokimia, sitologi dan proses genetik.
Gambar 3.7. Sikius bidup Mucor sp Endosporarulasi bakteri sebagai model diferensiasi. Salah satu contoh proses diferensiasi pada mikrobia adalah endosporasi bakteri (gambar 2.15) dengan alasan: 1. Waktu yang digunakan hanya 7-10 jam sehingga setiap proses dapat diamati 2. Setiap tahapan berbeda 3. Dapat diamati melalui analisis biokimia dan sitologi serta sifat genetik Aspek fisiologi dan genetika sporulasi Sifat morfologi dan biokimia bakteri mengalami perubahan selama sporulasi dikendalikan oleh 100 gen lebih. Gen yang berperan dalam sporulasi terletak disekitar kromosom dan diantara dengan banyak gen yang belum diketahui peranannya dalam sporulasi. Sporulasi Bacillus substillis dikendalikan oleh beberapa gen.
Proses perkecambahan spora di alam tidak dapat diketahui dengan pasti. Di laboratorium sporulasi dapat di aktivasi dengan pemanasan pada temperatur 6065°C selama 10 menit atau lebih. Selain itu aktivasi yang efektif untuk pembentukan endospora adalah dengan perlakuan pH rendah, suhu rendah dan agensia kimia. Persentase perkecambahan spora akan meningkat dengan perlakuan aktivasi. Agensia aktivasi akan meningkatkan permeabilitas spora terhadap germinan. Perkecambahan spora bakteri untuk rnenanggapi kondisi Iingkungan dan agensia kimia menyebabkan perubahan struktur dari fisiologi spora secara cepat. Hal ini disebabkan Kehilangan resistensi terhadap panas, fluktuasi ion, dan pembebasan Ca2+ dan asam dipikolinat serta hidrolisa korteks peptidoglikan, rehidrasi protoplas dan penurunan aktivitas metabolisme. Selama tahapan perkecambahan dalam 6-8 menit warna sinar dan terang mejadi fase gelap. Senyawa pemacu perkecambahan meliputi: 1. I-alanin dan yang analog a’anin 2. I-alanin + inosin atau ribonucleotide 3. Gula + ion senyawa anorganik senyawa anorganik saja. 4. Asparagin, glukose, fruktosa dan KCI (AGFK) Ringkasan Pada dasarnya differensiasi untuk mikrobia dan jasad tingkat tinggi hampir sama, proses
diferensiasi
bervariasi
tergantung
jenis
rnikrobia
dan
Iingkungannya,
menunjukkan keanekaragarnan ekspresi dan kontrol genetik. Beberapa contoh morfogenesis dan differensiasi pada mikrobia adalah pembentukan spora, figella, siklus hidup bakteri bertangkai, induksi ensim dan sistem transport, modifikasi fungsi fosfotransferase dan fenornena pertumbuhan diauksi. Latihan Pertanyaan 1. Apa yang dimaksud dengan nutrisi? Sebutkan kelompok mikrobia berdasarkan kebutuhan nutrisi? 2. Mengapa pertumbuhan bakteri, reproduksi dan siklus hidupnya adalah sinonim? 3. Bahas dengan singkat kurva pertumbuhan mikrobia dan apa yang terjadi pada masing-masing fase pertumbuhan! 4. Jelaskan dari sudut molekular bagaimana sel hakteri mampu bertahan hidup pada lingkungan ekstrim!
5. Bagaimana mikrobia mengalami kematian dan kapan mulai terjadi. 6. Apa yang dimaksud dengan morfogenesis dan differensiasi pada mikrobia. Berikan contohnya. 7. Sebutkan proses biologi molekular yang terjadi selama mikrobia tumbuh termasuk monogenesis dan differensiasi!
