TINJAUAN PUSTAKA
Bakteri yang Bersimbiosis dengan spons Spons merupakan hewan yang termasuk ke dalam filum porifera. Spons adalah hewan multiselular (Metazoa) yang paling tua, menempel pada substrat di dasar perairan laut atau tawar, serta mengambil makanan dari lingkungannya secara pasif (filter-feeding). Spons tidak memiliki jaringan yang sebenarnya, tetapi memiliki tipe sel berbeda dengan pembagian fungsi yang jelas. Interaksi antara spons dan bakteri terjadi dalam banyak bentuk. Mikroba yang berada dalam tubuh spons dapat diartikan sebagai makanan, patogen, parasit atau sebagai organisme yang bersimbiosis secara mutualistik. Hoffmann et al. (2005) menyatakan bahwa bakteri yang bersimbiosis dengan spons dapat mencapai 40% dari jaringan spons dengan kepadatan 109 sel bakteri per mL jaringan spons. Hingga saat ini berbagai mikroorganisme yang telah diketahui bersimbiosis dengan spons dikategorikan ke dalam 14 filum bakteri, dua kelompok utama arkea, dan organisme eukariotik berukuran mikroskopik. Berdasarkan analisis sekuen 16S rDNA dan Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) yang dilakukan oleh Taylor et al. (2007) kelompok bakteri yang diketahui bersimbiosis dengan spons antara lain Acidobacteria, Actinobacteria, Bacteroides, Chloroflexi, Cyanobacteria, Deinococcus-Thermus, Firmicutes,
Gemmatimonadetes,
Nitrospira,
Planctomycetes,
Poribacteria,
Proteobacteria, Sphirochaetes dan Verrucomicrobia. Spons yang bersifat sesil menyaring makanannya dari aliran air sangat terbuka terhadap serangan patogen (bakteri dan virus) dan predator (Vogel 1994; Müller et al. 2004). Spons mampu bertahan terhadap gangguan dari organisme lainnya dengan mengandalkan berbagai senyawa bioaktif yang dihasilkan mikroorganisme simbionnya. Mikroorganisme yang bersimbiosis dengan spons mendapatkan suplai senyawa karbon organik yang dapat dengan mudah digunakan sebagai sumber energi. Hubungan mutualisme antara spons dan berbagai mikroorganisme berlangsung dalam bentuk yang ekstrim (Müller et al. 2004). Hal ini dikarenakan senyawa bioaktif yang dihasilkan bakteri simbion spons hanya memiliki aktivitas terhadap organisme nonsimbion, sedangkan spons
5
menghasilkan senyawa karbon yang dapat digunakan dalam lintasan metabolisme energi bakteri simbionnya (Müller et al. 2004). Imhoff dan Sthor (2003) mengungkapkan bahwa suatu mikroorganisme akan bersimbiosis dengan spesies spons tertentu, sehingga dapat dikatakan ada kekhususan interaksi antara mirkoorganisme tertentu dengan spons jenis tertentu. Hubungan simbiosis mutualisme yang ekstrim antara spons dan mikroorganisme menjadikan kebutuhan mikroorganisme yang bersimbiosis dengan spons menjadi sulit terpenuhi oleh media kultur dalam laboratorium. Proksch et al. (2002) mengungkapkan bahwa isolat bakteri dapat kehilangan aktivitasnya dalam menghasilkan senyawa antimikrob setelah dikulturkan pada media yang umum di laboratorium. Hal ini diduga karena hilangnya penggerak elemen-elemen genetik yang menginduksi ekspresi gen-gen penyandi senyawa bioaktif.
Aspek Medis Bakteri yang Bersimbiosis dengan Spons Spons menjadi perhatian utama dalam berbagai riset mengenai senyawa bioaktif. Lebih dari 200 metabolit baru yang memiliki aspek penting dalam bidang medis berhasil diisolasi dari kelompok hewan tersebut tiap tahunnya (Blunt et al. 2006). Beragam kelas senyawa kimia seperti terpenoid, alkaloid, peptida, dan poliketid dengan aplikasi bioteknologi seperti senyawa antimikrob didapatkan dari bakteri yang bersimbiosis dengan spons. Radjasa et al. (2007) melaporkan dua isolat yang diisolasi dari spons Aaptos sp dari laut Jawa memiliki aktivitas antibakteri terhadap strain MDR seperti E. coli dan Ptoteus sp. Kedua isolat tersebut juga memiliki gen penyandi nonribosomal peptida yang merupakan prekursor berbagai senyawa antibiotik. Aktivitas inhibitor protease dari bakteri Chromohalobacter sp. yang bersimbiosis dengan spons asal perairan Kepulauan Seribu dilaporkan oleh Nurhayati et al. (2006). Senyawa inhibitor protease yang dihasilkan isolat tersebut mampu menghambat aktivitas protease dari bakteri patogen S. aureus, E. coli, dan P. aeruginosa. Oclarit et al. (1994) telah mengisolasi senyawa peptida antibakteri dari Vibrio sp yang bersimbiosis dengan Hyatella sp, sedangkan Bultel-Ponce et al (1999) melaporkan bahwa beberapa senyawa quinolon berhasil diisolasi dari
6
Pseudomonad yang bersimbiosis dengan spons Homophymia sp memiliki aktivitas antimikrob dan sitotoksik. Senyawa antimalaria juga termasuk satu dari sekian banyak senyawa bioaktif yang dilaporkan berhasil diisolasi dari bakteri yang bersimbiosis dengan spons. Sebuah senyawa baru yaitu siklotetrapeptida dilaporkan oleh Mitova et al. (2003) telah diisolasi dari bakteri Pseudomonas sp. (IM1) yang bersimbiosis dengan spons Ircinia muscarum dari teluk Naples (Italia). Aktivitas antimikrob berpektrum luas senyawa yang diisolasi dari B. subtilis yang bersimbiosis dengan spons dari perairan India juga dilaporkan oleh Anand et al. (2005). Kelima isolat uji (EPEC K1-1, S. aureus, P. aeruginosa, serta khamir C. albicans, dan C. tropicalis) yang digunakan dalam penelitian ini merupakan patogen yang memiliki nilai penting dalam dunia medis. Ketiga bakteri patogen yang digunakan dalam penelitian ini dapat menyebabkan penyakit yang dikenal sebagai foodborne diseases dengan menghasilkan enzim protease (Nurhayati et al. 2006). Hingga saat ini, infeksi yang disebabkan oleh khamir Candida albicans merupakan masalah penting dalam bidang medis. C. albicans umum berada permukaan tubuh atau saluran kelamin pada manusia (Naglik et al. 2003). Patogenitas C. albicans biasa terjadi pada pasien dengan kekebalan tubuh yang menurun, terutama pada pasien human imunodeficiency virus (HIV) (Korting et al. 1999). Enteropatogenik E. coli K1-1 merupakan strain patogen yang menyebabkan infeksi gastrointestinal pada manusia. Budiarti (1997) menemukan bahwa 55 % penyakit diare di Indonesia disebabkan oleh EPEC. Strain tersebut mensekresikan enzim proteolitik ekstraseluler, sehingga mampu merusak lapisan mukus yang melapisi saluran gastrointestinal. Uji degradasi terhadap musin menunjukkan bahwa strain EPEC K1-1 memiliki aktivitas proteolitik (Budiarti dan Mubarik, 2007). EPEC juga diketahui memiliki resistensi terhadap ampisilin dengan menghasilkan enzim β-laktamase. Hingga saat ini penanganan penyakit infeksi yang diakibatkan strain-strain EPEC menjadi masalah rumit karena penyebaran gen-gen enzim β-laktamase diantara strain-strain tersebut. Selain EPEC K1-1, S. aureus juga merupakan bakteri patogen yang memiliki nilai klinis pada kesehatan manusia. Bakteri tersebut umum berada pada permukaan mukosa hewan dan
7
manusia seperti hidung, tenggorokan, dinding vagina, dan saluran gastrointestinal (Liu 2009). Infeksi oleh S. aureus dapat terjadi jika permukaan mukosa terbuka karena luka atau infeksi virus. Penanganan penyakit infeksi yang disebabkan oleh bakteri patogen EPEC dan S. aureus menjadi penting karena penyakit menular seperti diare yang disebabkan EPEC dan infeksi saluran pernapasan atas (ISPA) yang disebabkan S. aureus masih menjadi masalah kesehatan di Indonesia dan terkadang menjadi kondisi luar biasa (KLB) (Ditjen PP & PL Depkes RI 2011). P. aeruginosa merupakan patogen oportunistik pada saluran pernapasan manusia. Patogenitas bakteri tersebut muncul pada pasien dengan kekebalan tubuh menurun dan pada pasien penderita sistis fibrosis. Infeksi P. aeruginosa pada pasien penderita sistis fibrosis terjadi melalui kolonisasi jaringan paru-paru oleh bakteri tersebut yang kemudian mampu membentuk mukus sebagai mekanisme resistensi terhadap sistem antibodi (Govan et al. 1996).
Aktivitas Antibiotik dan Resistensinya Antibiotik merupakan substansi kimia yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme yang mampu menghambat pertumbuhan atau membunuh mikroorganisme lainnya (Madigan et al. 2006). Menurut Lancini dan Lorenzetti (1993) antibiotik merupakan metabolit sekunder mikroorganisme dengan berat molekul rendah, dan pada konsentrasi rendah menghambat pertumbuhan mikroorganisme lain. Antibiotik merupakan substansi kimia yang memiliki aspek penting dalam industri yang memanfaatkan mikroorganisme sebagai penghasil senyawa bioaktif. Sejumlah besar senyawa antibiotik telah ditemukan hingga saat ini, namun hanya 1% yang dapat diaplikasikan dalam bidang medis. Modifikasi kimia dalam memproduksi antibiotik semisintetik menjadi pilihan utama industri obat dalam meningkatkan aktivitas antibiotik. Target penting dari antibiotik adalah ribosom, proses replikasi DNA, transkripsi, dinding sel, dan membran sitoplasma (Madigan et al. 2006). Sensitivitas mikroorganisme terhadap antibiotik dan agen kemoterapi lainnya bervariasi. Sebuah senyawa antibiotik yang mampu menghambat pertumbuhan bakteri baik gram positif maupun gram negatif dikatakan sebagai antibiotik berpektrum luas. Umumnya antibiotik dangen aktivitas berspektrum luas memiliki
8
aplikasi yang lebih banyak dalam bidang medis. Antibiotik dan senyawa kemoterapi dapat dikelompokkan berdasarkan struktur kimia atau model aktivitasnya. Kelompok β-laktam merupakan kelompok antibiotik yang memiliki peran signifikan dalam dunia medis. Target utama antibiotik tersebut adalah dinding sel bakteri. Antibiotik aminoglikosida, makrolid, dan tetrasiklin merupakan antibiotik yang dihasilkan organisme prokariot dan memiliki aplikasi penting dalam dunia medis. Ketiga kelompok antibiotik tersebut memiliki aktivitas menghambat sintesis protein pada ribosom (Madigan et al. 2006). Resistensi terhadap suatu senyawa antimikrob secara alami telah ada bersama dengan dihasilkannya senyawa antimikrob tersebut oleh mikroorganisme. Transfer gen resistensi dari mikroba yang memiliki gen resistensi ke mikroba yang rentan terhadap suatu senyawa antibiotik merupakan hal yang umum terjadi dalam komunitas mikroba. Mikroorganisme memiliki resistensi terhadap antibiotik melalui beberapa mekanisme diantaranya adalah kehilangan struktur yang menjadi target antibiotik, mengubah struktur kimia antibiotik menjadi tidak aktif, atau mikroorganisme mampu mengeluarkan senyawa antibiotik dari selnya (Madigan et al. 2006). Penisilin merupakan antibiotik yang pertama kali ditemukan dan diaplikasikan dalam pengobatan penyakit akibat infeksi. Indikasi munculnya resistensi terhadap penisilin pada E. coli dilaporkan oleh Abramsom dan Chain (1940). Segera setelah laporan tersebut, resistensi terhadap penisilin juga ditemukan pada S. aureus oleh Kirby (1944). Saat ini mayoritas bakteri Staphylococcus dilaporkan memiliki gen penyandi enzim β-laktamase pada plasmidnya (Koch 2003). Berdasarkan laporan-laporan ditemukannya resistensi terhadap antibiotik β-laktam, tidak diragukan lagi bahwa enzim β-laktamase telah tersebar di dunia mikroba.
Genetika Molekuler Bakteri yang Bersimbiosis dengan Spons Analisis genetik dan metagenomik terhadap bakteri yang bersimbiosis dengan spons umumnya dilakukan terhadap gen penyandi poliketid sintase (PKS) (Kim & Fuerst 2006, Schirmer et al. 2005). PKS tipe 1 merupakan protein multifungsional dan berukuran besar yang mengkatalisis kondensasi secara
9
bertahap senyawa-senyawa metabolit yang sederhana. Enzim PKS terorganisasi secara modular dan setiap modul memiliki informasi esensial untuk pengenalan, aktivasi dan modifikasi dari suatu substrat menjadi senyawa polimernya. Setiap modul dapat dibagi menjadi beberapa domain yang teribat dalam reaksi spesifik. Jumlah modul dan organisasi domain-domain pada kluster gen tersebut menentukan struktur senyawa poliketid (Schwarzer & Marahiel 2001). Poliketid sintase pada bakteri merupakan enzim yang terlibat dalam biosintesis poliketid yang merupakan senyawa prekursor bagi banyak senyawa penting dalam bidang farmakologi seperti antibiotik eritromisin dan tetrasiklin. PKS tipe I merupakan jenis enzim yang banyak ditemukan pada bakteri. Sejumlah agen terapi yang berasal dari laut seperti bryostatin, discodermolide, dan aforementioned pelorusida termasuk kelompok yang dihasilkan PKS tipe I. Schimer et al. (2005) melalui studi metagenomik komunitas bakteri pada spons Discordemia dissolute telah mengkarakterisasi kluster gen penyandi PKS. Kluster gen PKS yang dikarakterisasi oleh Schimer et al. (2005) berukuran 110 kb dan terdiri dari 3 open reading frame (ORF). ORF pertama pada kluster tersebut mengkode polipetida berukuran 25572 asam amino dengan massa molekul 622.7 MDa. Kluster gen penyandi PKS memiliki 16 modul. Modul starter membawa domain ketosintase (KS) yang merupakan domain konservatif pada kluster gen PKS. Setiap modul memiliki domain Acyl transferase (AT) yang berperan dalam menyambungkan malonyl-CoA pada pemanjangan rantai poliketid. Keunikan dari kluster gen PKS adalah tiap modul memiliki set domain reduktif (ketoreduktase, dehidratase, enoyl reduktase), selain itu C-metil transferase ada di 8 dari 14 modul PKS. Schirmer et al. (2005) mengungkapkan bahwa produk dari kluster gen PKS lebih memiliki similiaritas dengan asam lemak. Fragmen DNA penyandi domain ketosintase selalu ada pada kluster gen poliketid sintase. Hal ini memungkinkan deteksi terhadap kluster gen PKS tipe 1 dilakukan dengan mengamplifikasi fragmen DNA penyandi domain ketosintase. Sifat domain ketosintase yang terkonservasi dapat dijadikan tolak ukur dalam analisis jarak evolusi antara mikroorganisme yang memiliki kluster gen PKS tipe 1 (Schimer et al. 2005).
