Prinsip dan mekanisme Biomineralisasi Oleh: Siti K. Chaerun 2010
Jenis-jenis aktivitas mikroba alami dalam men-detoksifikasi logam toksik dan senyawa radioaktif (sbg komponen mineral)
Prinsip & mekanisme biomineralisasi BIB & BCB
Biologically induced biomineralization Biologically controlled biomineralization
Biologically induced biomineralization (BIB) • Melibatkan presipitasi mineral dalam lingkungan terbuka tanpa adanya kontrol oleh sel sepanjang proses pembentukan mineral dan produk mineral yang terbentuk. • Mineral anorganik dideposit melalui proses presipitasi secara tidak sengaja yang timbul dari interaksi sampingan antara bermacam-macam proses metabolisme dengan lingkungan sekitarnya. • Pembentukan mineral terjadi dengan cara sederhana (tidak rumit) sebagai produk sampingan (byproduct) aktivitas metabolisme sel atau melalui interaksi dengan lingkungan berair sekitarnya.
• Pengeluaran (dengan tekanan) produk metabolisme melalui atau kedalam dinding sel bakteri dapat juga menghasilkan presipitasi mineral-mineral anorganik secara BIB yaitu dengan cara bereaksi dengan ion logam yang berada di lingkungan luar sel (Tabel 1).
Tabel 1. “Biologically induced biomineralization (BIB)” pada bakteri
Bbrp bakteri juga mampu mengakumulasi dan membungkus (coat) ion logam toksik (UO22+, Pb2+, Cd2+). Presipitasi ion logam ini menunjukkan bahwa BIB dpt berperan penting dalam bioremediasi tanah dan air yang tercemar
• Flux OH-1 dilibatkan dalam pembentukan deposit oksida, karbonat dan fosfat. • H2S dan elektron menginduksi presipitasi sulfida dan oksida besi • Satu ciri yang jelas untuk BIB: mineral biasanya terbentuk sepanjang permukaan sel dan mineral tersebut melekat kuat pada dinding sel (disebut sbg biomineralisasi epicellular Reaksi “biologically induced biomineralization (BIB)” pada dinding sel (cell wall)
• Bbrp kasus, sel menjadi terbungkus dan mempunyai kerak yang tebal karena deposit mineral, sehingga cukup berat untuk bisa tenggelam dan membentuk sedimen.
Presipitasi partikel Goethite pada bakteri
• Komponen organik dinding sel (lipida, protein dan polisakarida) dapat juga mempengaruhi proses biomineralisasi dengan cara bertindak sebagai sebuah permukaan (surface) untuk presipitasi mineral. • Site spesifik dalam dinding sel sering juga dilibatkan dalam BIB karena daerah efflux metabolisme yang terlokalisasi ini (e.g., pembentukan es) mengandung konsentrasi protein teraggregasi tinggi yang aktif dalam nukleasi (= pembentukan inti kristal baru dalam larutan superjenuh).
• Karena biomineral yang terbentuk oleh BIB dideposit secara tidak sengaja, maka biomineral ini terjadi tanpa kontrol selular yang ketat, shg ukuran, bentuk, struktur, komposisi dan organisasi partikel biomineral ini sering heterogen dan tidak jelas/ tidak beraturan
20 nm
BIB: melibatkan presipitasi secara tidak sengaja mineral anorganik melalui reaksi ion di lingkungan luar sel dengan produk metabolisme yang dikeluarkan oleh sel melalui dan masuk ke dalam dinding sel. Produk biomineralnya closely associated dg dinding sel dan heterogen secara kristallokimia.
“Biologically induced magnetite (Fe3O4) nanoparticles”. Tanda panah menunjukkan kristal yang mempunyai bidang lattice atomik.
• Gangguan-gangguan di bawah ini: – pelepasan buangan metabolisme (e.g., O2, OH-, HCO3-, Fe+2, NH4+ dan H2S) – Perubahan redoks secara enzimatik (e.g., oksidasi Fe+2 dan Mn+2) – Perkembangan permukaan sel yang bermuatan Dapat menginduksi nukleasi mineral (bentuk amorfos s/d poorly crystalline) dengan bentuk dan komposisi kimia yang sama dengan mineral yang terbentuk dari proses presipitasi dari larutan steril. Hal ini disebabkan karena biomineralisasi dikontrol oleh “prinsip kesetimbangan” yang sama dengan prinsip kesetimbangan yang mengontrol proses mineralisasi abiologically.
Biologically controlled biomineralization (BCB) • BCB adalah proses pembentukan mineral yang diatur secara ketat, dimana produk biomineralnya (tulang, gigi dan shell) mempunyai fungsi dan struktur spesifik secara biologi. • Biomineral BCB ini dapat dibedakan berdasarkan sifat kristallokimia yang spesik: – Ukuran partikelnya seragam – Komposisi dan strukturnya jelas – Tingkat penyusunan (organisasi) ruang biomineralnya sangat tinggi – Tektur dan aggregasinya terkontrol – Orientasi kristallografinya istimewa – Higher-order assembly into hierarchial structures
• BCB terjadi juga pada makluk hidup uniselular (e.g., alga dan protozoa) dan banyak terjadi pada organisma multiselular. Ada juga terjadi pada bakteri yaitu magnetotactic bacteria (pembentukan kristal magnetite (Fe3O4). • Morfologi kristal magnetite sangat unik yang dicari dalam “Martian meteorites” sebagai tanda “extraterrestrial life”.
A: cubo-octahedron (Face oktahedral bertemu pada tengah sisi kubus
B: elongated hexaogonal prism (ada satu kristal yang kembar, tanda panah)
C: flat-topped hexagonal prism
50 nm
D: bullet-shaped (berbentuk spt peluru)
Jenis morfologi kristal single magnetite dari bakteri
Kesimpulan • BIB: melibatkan presipitasi secara • tidak sengaja mineral anorganik melalui reaksi ion di lingkungan luar sel dengan produk metabolisme yang dikeluarkan oleh sel melalui dan masuk ke dalam dinding sel. Produk biomineralnya closely associated dg dinding sel dan heterogen secara kristallokimia. • BCB: melibatkan regulasi khusus dari pembentukan dan deposisi biomineral dan menghasilkan biomineral yang mempunyai fungsi secara biologi dengan sifat kristalokimia yang spesifik untuk suatu spesies.
Site untuk BCB • Biomineralisasi berlangsung pada 4 site biologi: – Epi-selular (on the cell wall) – Inter-selular (in the spaces between closely packed cells) – Intra-selular (inside enclosed compartments within the cell) – Extra-selular (on or within an insoluble macromolecular framework outside the cell). • Jadi BCB terjadi pada site spesifik (on, in, between or outside the cell). Site intra-selular dan extra-selular sering dilibatkan dalam BCB. • Lipid berperan sbg site untuk BCB intra-seluler • Makromolekul (matrik organik) berfungsi sbg site extraselular pada BCB.
4 persyaratan dasar yang berhubungan dengan site biomineralisasi BCB • Spatial delineation: utk kontrol size dan bentuk • Diffusion-limited ion flow: utk kontrol komposisi solution • Chemical regulation: peningkatan konsentrasi ion • Organic surface: kontrol nukleasi
Site biomineralisasi melibatkan suatu lingkungan ruang yg bertindak sbg “physical boundary” dan zona yg membatasi difusi utk mempertahankan komposisi ion essensial: SD: Spatial delineation D: Diffusion-limited ion flow C: Chemical regulation O: organic surface
• 5 kunci mekanisme BCB adl regulasi: – Kimia – Ruang – Struktur – Morfologi – konstruksi
Tingkat regulasi pada BCB
Kontrol Struktur
Kontrol Morfologi
Struktur epidermis dari mineral silika (pada silicoflagellates)
Higher-order assembly dalam Biomineralisasi BCB
