Oleh
Indra Fauzi
Sabban
Umat manusia telah memanfaatkan mikroorganisme sejak
lama untuk menghasilkan produk-produk yang bermanfaat. Misalnya, pada sekitar
tahun 6000 SM masyarakat sumeria dan babilonia telah memanfaatkan yeast
untuk membuat bir, sedangkan masyrakat mesir pada tahun 4000 SM telah
menggunakan yeast untuk mengasamkan ropti. masyarakatBabilonia juga
memilki pengetahuan untuk mengubah etanol dalam bir menjadi asam asetat(cuka).
Produk alami yang disentesis oleh mikroorganisme
menjadi sangat pnting. Praduk antikoagulan, antidepresan, vasodilator,
her4bisida, insektisida, hormon tanaman, enzim, dan inhibitor enzim telah
diisolasi dari mikroorganisme. Mikroorganisme lebih sering digunakan untuk
menghasikan enzim seperti enzim amilase yang digunakan untuk membuat bir, roti,
dan memperoduksi tekstil, serta enzim protease yang digunakan untuk
mengempukkan daging, melunakkan kulit, membuat detergen dan keju.
Industri makanan, minyak, kosmetik, dan farmasi juga
menggunakan mikroorganismeuntuk menghasikan polisakarida. Xanthomonas
campestris menghasilkan polisakarida yang dikenal sebagai santan untuk
menstabilkan bahan makanan, sebagai agen pengikat untuk berbagai produk
farmasi, serta untuk pewarnaan tekstil. Leuconostoc mesenteroides, bila
ditumbuhkan pada media yang mengandung sukrosa akan memproduksi dekstran, suatu
polisakarida yangb dapat digunakan sebagi saringan molekuler untuk memisahkan
molekul dalam kromatografi kolom.
Mikrobilogi farmasi modern berkembang setelah perang
dunia ke 2 dengan dimulainyaproduk antibiotik. Suplay produk farmasi dunia
termasuk antibiotik, steroid, vitamin, vaksin, asam amino, dan hormon manusia
diproduksi dalam jumlah beasr oleh mikroorganisme. Streptomyces hydroscopius
memilik strain yang berbeda untuk membuata hampir 200 antibiotik yang berbeda.
Antibiotik pada dasarnya dibuata dalam skala industri dengan cara menginokulasi
spora dari kapang atau streptomycetes dalam suatu media pertumbuhan dan
menginkubasinya dengan aerasi yang baik. Setelah mencapai konsentrasi yang
cukup, larut diekstraksi, dipresitipasi dan diperlukan dengan prosedur standar
industri lainnya.
1. Produk antibiotik
Produksi antibiotik dilakukan dalam skala besar pada
tangki fernentasi dengan ukuran besar. Sebagai contoh Penicillium
chrysogenum ditumbuhkan dalam 100.000 liter fermentor selama kurang lebih
200 jam. Mula-mula suspensi spora P. chrysogenum ditumbuhkan
dalam larutan media bernutrisi. Kultur diinkubasi selama 24 jam pada temperatur
24 °C dan selanjutnya ditransfer ke tangki inokulum. Tangki inokulum digojlok
teratur untuk mendapatkan aerasi yang baik selama satu hingga dua hari.
Pada proses produksi penisilin, media bernutrisi yang
mengandung gula asam fenilasetat ditambahkan ke secara kontinu. Asam
fenilasetat ini digunakan untuk membuat rantai samping benzil pada penisilin G.
Penisilin G diekstraksi dari filtrat dan dikristalisasi. Untuk membuat
penisilin semisintetik, penisilin G dicampur dengan bakteri yang mensekresi
enzim asilase. Enzim ini akan melepas gugus benzil dari penisilin G dan
mengubahnya menjadi 6-aminopebicillanic acid (6-APA). Aminopenicilanic
acid adalah molekul yang digunakan untuk membuat penisilin jenis lain.
Bebagai gugus kimia ditambahkan pada aminopenicillanic
Hal yang serupa juga terjadi pada sefalosporin C yang
diperoduksi oleh cephalosporium acremonium. Molekul sepalosporin C dapat
ditranspormasi dengan melepas rantai samping α-aminodipic acid dan menambahkan
gugus baru yang memiliki kisaran antibakteri yang lebih luas.
Strain streptomyces griseus dan Actinomycetes
lainnya menghasilkan streptomisin dan bebagai antibiotik lainnya. Spora S.
Griseus diinokulasi kedalam media untuk mendapatkan kultur pertumbuhan
dengan biomassa miselia yang tinggi sebelum dimasukkan kedalam tangki inokulum.
Media dasar untuk praduksi streptomisin mengandung pati kedelai sebagai sumber
nitrogen, glukosa sebagai sumber karbon, dan NaCl. Temperatur optimum untuk
proses fermentasi ini berkisar pada 28°C, dengan kecepatan pengadukan dan
aerasi yang tinggi diperlukan untuk mendapatkan produksi streptomisin yang
maksimal. Proses fermentasi berlangsung sekitar 10 hari dengan jumlah
streptomisinyang dipanen berkisar 1g/L.
2. Produksi steroid
Homon steroid sangat penting peranannya dalam dunia
kesehatan. Misalnya kortison dan steroid lain yang serupadiketahui dapat
digunakan untuk mengobati gejala yang berhubungan dengan alergi dan berbagai
respons inflamasi oral dan untuk mengobati ketidak seimbangan homonal.
Sintesis steroid seperti kotison memerlukan lebih dari
35 langkah, sehingga steroid sangat mahal untuk diperoduksi secara kimiawi.
Misalnya, kortison dapat disintesis dari asam deoksikolat melalui 37 langkah,
yang beberapa diantaranya memerlukan kondisi temperatur dan tekanan yang
ektrem, dengan biaya berkisar lebih dari $ 200 pergram. Kesulitan utama pada
sintesis kortison adalah introduksi atom oksigen pada cincin steroid nomor 11.
Hal ini dapat diatasi dngan pemanfaatan mikroorganisme. Penggunaan
mikroorganisme untuk mengganti proses kimiawi ini dikenal dengan istilah
biokomversi.
Fungi Rhizopuz arrhizus menghidroksilasi progesteron
membentuk steroid koteksolon untuk membentuk hidrokortison dengan
mengintroduksi oksigen pada posisi nomor 11.
Bentuk tranformasi lain dari inti steroid dilakukan
oleh mikroorganosme melalui proses hidrogenasi, dihidrogenasi, epoksidasi, dan
penambahan serta penghilangan rantai samping. Penggunaan mikroorganismepada
produksi kortison dapat menurunkan biaya produksi sebanyak 400 kali lipat,
sehingga harga kotisondi amerika serikat kurang dari $50 pergram, dibandingkan
harga aslinya yang sebesar $ 200.
3. Produksi vaksin
Penggunaan vaksin sangat penting untuk mencegah
berbagai penyakit. Pengembangan dan produksi vaksin merupakan salah satu tugas
penting industri farmasi. Produksi vaksin meliputi pengkulturan mikroorganisme
yang memiliki properti antigenikyang diperlukan untuk meluncurkan respons imun
primer.
Vaksin diproduksi oleh strain mutan patogen virulen
tanpa menghilangkan antigen yang diperlukan untuk menimbulkan respons imun.
Perkembangan bidang bioteknologi memungkinkan produksi seluruh seluruh vaksin
baru. Beberapa vaksin baru ini ditujukan bagi target baru, dan beberapa lagi
lebih efektif dan memiliki efek samping lebih sedikit dibandingkan vaksin
tradisional yang ada saat ini.
Untuk menghasilkan vaksin terhadap penyakit yang
disebabkan oleh virus, strain virus ditumbuhkan dengan menggunakan telur ayam
tertunas. Individu yang memiliki alergi terhadap telur ayam tidak dapat diberi
vaksin yang dibuat dengan cara seperti ini. Vaksin virus juga dapat diproduksi
melalui kultur jaringan. Misalnya, vaksin rabies tradisional diproduksi pada
telur bebek tertunas dan memiliki efek samping yang sangat menyakitkan. Vaksin
ini digantikan oleh produksi vaksin melalui kultur jaringan fibroblas manusia
yang memiliki efek samping yang lebih sedikit.
Produksi vaksin terhadapyang efektif dalam mencegah
infeksioleh bakteri, fungi, dan protozoa melibatkan pertumbuhan strain
mikroorganisme pada media artifisial yang meminimalkan gangguan beruparespons
alergi.vaksin yng diproduksisecara komersial harus di uji dan distandardisasi
terus sebelum digunakan, sehingga terjadi outbreak (wabah) penyakit akibat
introduksi vaksin seperti yang pernah terjadi pada tahun 1976 akibat adanya
vaksin swine influenza yang inadekuat dapat dihindari.
4. Produksi vitamin dan asam amino
Vitamin merupakan faktor nutrisi esensial bagi
manusia. Beberapa vitamin dapat diproduksi melalui fermentasi mikroorganisme,
dan digunakan sebagai suplemen makanan. Misalnya vitamin B12 dapat
diproduksi sebagai produk samping pada fermentasi antibiotik oleh Streptomyces.
Vitamn B12 juga diperoleh dari fermentasi Propionibacteriaum
shermanii atau Paracoccus denitrificans.
Riboflavin dapat dihasilkan dari fermentasi berbagai
macam mikrooganisme, misalnya bakteri Clostridium dan fungi Eremothecium
ashbyi atau Ashbya gossypii.
Masalah utama produksi asam amino komersial melalui
fermentasi mikroorganisme adalah adanya mekanisme alam kontrol pengaturan
mikroorganisme yang membatasi jumlah asam amino yang dihasilkan dan dilepaskan
dari sel. Masalah ini dapat diatasi dengan strain mikroorganisme yang
direkayasa secara genetis sehingga tidak memiliki mekanisme kontrol
seperti strain asli (wild type)
Manusia memerlukan berbagai macam asam amino, termasuk
lisin. Konsentrasi lisin dalam padi-padian tidak cukup banyak untuk memenuhi
kebutuhan nutrisi manusia. Lisin diproduksi melalui fermentasi mikroorganisme,
sehingga dapat digunakan sebagai suplemen makanan bagi manusia dan sebagai
bahan tamabahan pada sereal. Metionin juga diproduksi melalui sintesis kimia
dan digunakan sebagai suplemen makanan.
Produksi lisin dari karbohidrat menggunakan
Corynebactrerium glutamicum, suatu auksotrof yang memerlukan homoserin. Cane
molasses umumnya digunakan sebagai substrat, dan pH dijaga agar tetap netral
dengan menambahakan amonia atau urea. Pada saat gula dimetabolisme, lisin akan
tetap terakumulasi pada media dan sintesis homoserin dihambat pada tahap
homoserin dihidrogenase.
Asam glutamat (glutamic acid) dimanfaatkan sebagai
monosodium glutamat (MSG), bahan penyedap rasa makanan. Asam L-glutamat dan MSG
dapat diproduksi melalui fermentasi strain Brevibacterium, Arthobacter dan
Corynebacterium. Kultur corynebacterium glutamicum dan Brevibacterium flavum
digunakan untuk memproduksi MSG dalam skala besar. Proses fermentasi memerlukan
media glukosa-garam mineral dengan menambahkan urea secara periodik sebagai
sumber nitrogen selama proses fermentasi. Nilai pH dijaga berkisar 6-8,
dan temeratur 30°C
5. Produksi asam organik
Beberapa asam organik seperti asam asetat, asam
glikonat, asam sitrat, asam giberelat, dan asam laktat dhasilkan melalui
fermentasi mikroorganisme. Asam organik antara lain digunakan dalam industri
makanan, miasalnya sebagai pengawet makanan.
Asam glukonat diperoduksi olehberbagai bakteri
termasuk spesies acetobaterdan oleh beberapa fungsi seperti penisilium dan
aspergillus. Aspergillus neger mengoksidasi glkosa menjadi asam glukonat dalam
reaksi enzimatik tunggal leh enzim glukosa oksidase. Asam glukonat
memiliki berbagai kegunaan, antara lain:
- Kalsium glukonat digunakan sebagai produ farmasi untuk menyuplai kalsium dalam tubuh.
- Ferrous glukonate digunakan sebagai asupan besi untuk mengobati anemia.
- Asam glukonat pada detergen pencuci piring mencegah noda pada permukaan kaca akibat presipitasi garam kalsium dan magnesium
Asam sitrat diproduksi oleh aspergillusniger dengan
molases sebagai substrat fermentasinya. Asam sitrat digunakan sebagai bahan
tambahan pada makanan, terutama minuman ringan. Transformasi asam sitrat oleh Aspergillus
terreus dapat digunakan untuk memproduksi asam itokonat dalam dua
langkah reaksi. Langkah pertama merupakan perubahan asam sitrat menjadi asam
cis-akonitat melalui proses hidroksilasi, dan langkah kedua merupakan langkah
karboksilasi asam cis-akonitat menjadi asam itakonat. Proses fermentasi ini
memerlukan pH berkisar pada 2,2. Pada kisaran pH lebih tinggi, A. terreus akan
mendegradasi asam itokonat.
Asam giberelat (gibberellic acid) diproduksi
oleh fungi Gibberella fujikuroi. proses fermentasinya memerlukan media
glukosa-garam mineral, temperatur inkubasi berkisar pada 25°C dengan pH asam.
Asam gibberelat dan homon tanaman giberelin lainnya dimanfaatkan untuk
meningkatkan produktifitas pertanian, yaitu sebagai subtansi pendukung
pertumbuhan tanaman, perbungaan dan germinasi biji, serta untuk menginduksi
pembentukan buah tanpa biji.
Asam laktat diproduksi oleh lactobasillus
delbrueckii, spesies lactobasilus lainnya, streptococcus, dan
leuconustoc. Asam laktat digunakan untuk mengawetkan makanan pada
industri penyamkan kulit dan industri tekstil. Media yang digunakan dalam
fermentasi asam laktat ini memerlukan glukosa 10-15%, kalsium karbonat 10%
untuk menetralisasi asam laktat yang dihasilkan, amonium fosfat, dan sejumlah
kecil sumber netrogen. Gula jagung, pati kentang dan gandum sering digunakan
sebagai sumber karbohidrat. Temperatur inkubasi berkisar pada 45-50°C dengan pH
berkisar antara 5,5-6,5. Setelah proses fermentasi selama 5-7 hari, kurang
lebih 90% gula telah diubah menjadi asam laktat, kalsium karbonat selanjutnya
ditambahkan untuk menaikkan pH hingga 10, kemudian media fermentasi dipanaskan
dan disaring. Prosedur ini akan membunuh bakteri, mengkoagulasi protein,
menghilangkan sisa kalsium karbonat, dan mendokoposisi residu karbohidrat.
6. Produksi Enzim
Enzim yang disolasi dari mikroorganisme dapat
diaplikasikan pada berbagai macam industri. Misalnya, enzim proteose yang
diisolasi dari bahan pembersih. Protease merusak dan melarutkan protein yang
mengotori pakaian. Enzim yang dihasilkan untuk proses-proses industri meliputi
protease , amilase, glikosa isomerase, glukosa oksidase, renin, pektinase, dan
lipase.empat macam enzim yang secara luas diproduksi oleh mikroganisme adalah
protease, glukamilase,α-amilase, dan glukosa isomerase.
Protease adalah enzim yang menyerang ikatan peptida
molekul protein dan membentuk fragmen-fragmen kecil peptida. Strain rekombinan Basillus
sp. GX6644 mensekresikan alkalin protease yang sangat aktif terhadap
protein kasein susu. Dengan aktifitas tertinggi pada pH 11 dan temperatur
40-55°C. Strain rekombinan yang lain yaitu Basillus sp. GX6638
mensekresi beberapa alkalin protease yang aktif pada kisaran pH yang cukup luas
(8-12). Fungi yang mempreduksi protease adalah spesies Aspergillus. Protease
yang dihasilkan oleh fungi memiliki kisaran pH yang lebih luas dibandingkan
protease yang diperoduksioleh bakteri.
Amilase digunakan dalam detergen dan dalam industri
pembuatan bir. Ada beberapa tipe amilase, termasuk α-amilase yang digunakan untuk
mengubah pati menjadi maltosa dan dekstrin, glukamilase yang mengubah pati
menjadi glukosa. Ketiga enzim diatas digunakan untuk memproduksi sirup dan
dekstrosa dari pati. Produksi amilase menggunakan fungi Aspergillus sp.
Aspergillus oryzae yang digunakan untuk memproduksi amilase dari gandum
pada kultur stasioner. Bacillus subtilis dan bacillus diastaticus
digunakan untuk memproduksi amilase bakteri.
Glukosa isomerase mengubah glukosa menjadi friktosa
yang dua kali lebih manis dibandingkan sukrosa dan 1,5 kali lebih manis
dibandingkan glukosa, sehingga fruktosa merupakan bahan pemanis yang
sangat penting pada industrimakanan dan minuman. Enzim ini diproduksi oleh Bacillus
coagulan, streptomyces sp. Dan Nocardia sp.
Renin merupakan enzim penggumpal susu yang
mengkatalisis koagulasi susu dalam industri pembuatan keju. Enzim ini
diproduksi oleh Mucor pussilus.
Enzim mikroorganisme juga digunakan dalan produksi
polimer sintetik. Misalnya, industri plastik saat ini menggunakan metode kimia
untuk mereduksi alkene oxidan yang digunakan untuk memproduksi plastik.
Produksi alkene oxidan dari mikroorganisme melibatkan aksi tiga enzim
yaitu piranose-2-oksidase dari fungi oudmansiella mucida, enzim
haloperoksidase dari fungi Caldariomyces sp. Dn enzim epoxidase dari falvobacterium
sp.
Pada produksi enzim yang stabil terhadap panas, DNA
polimerase sangat penting dalam proses amplifikasi DNA. Reaksi rantai
polimerase sangat penting bagi diagnosis kesehatan, forensik, dan penelitian
biologi mulekular. Kultur thermus aquacitus, dan mikroorganisme
termofilik yang direkayasa secara genetis mengndung gen untuk taq
DNA polimerase dari thermus aquaticus, digunakan untuk membuat DNA polimerase
rekombinan yang stabil terhadap panas, yang disebut amplitaq.
7. Produksi alkaloid ergot
Alkaloid, beberapa diantaranya dapat dimanfaatkan
dalam terapi, umumnya diperoleh dari tanaman, namun alkaloid ergot dihasilkan
dari fungi. Alkaloid ergot pertama kali diperoleh dari sklerotium Ascomycetes,
yaitu Claviceps purpurae. Istilah ergot digunakan untuk menunjukkan
bahwa alkaloid jenis ini dihasilkan oleh fungi. Alkaloid ergot dibedakan
menjadi 2 kelompok berdasarkan atas kandungan asam lisergat dan clavin.
Alkaloid asam glisergat hanya diproduksi oleh genus Claviceps, sedangkan
alkaloid clavin ditemukan pada genus Aspergillus, penicillium, dan Rhizobium.
Alkaloid ergot digunakan untuk menstimulasi sistem syaraf simpatik. Beberapa
alkaloid lisergat seperti halnya ergotamin dan ergobasin digunakan pada terapi
kandungan yaitu untuk mengkontraksi uterus pada saat proses melahirkan untuk
mengkontraksi uterus postpatu.
8. Produksi protein manusia
Adanya proses rekayasa genetik dengan pemanfaatan
mikroorganisme meningkatan peran industri farmasi dlam memproduksi protein
manusia. Melalui tehnik rekombinasi DNA, sekuens DNA manusia yang mengkode
berbagai protein dapat digabungkan dengan genum bakteri, dan dengan menumbuhkan
bakteri rekonbioanan dalam fermentor, maka protein manusi dapat diproduksi
secara komersial.
Insulin mutlak diperlukan oleh manusia. Insulin
merupakan hormon polipeptida yang dihasikan oleh pulau-pulau langerhans
dipankreas yang berfungsi mengatur metabolisme karbohidrat.dalam makanan
dikomfersi menjadi glukosa monosakarida, karbohidrat pokok dalam darah.
Beberapa karbohidrat seperti fruktosa dan selulosa dapat digunakan sebagai
energi sel namun tidak dikomfersi menjadi glikosa dan tidak berpatisipai dalam
mekanisme pengaturan metabolisme glukosa.
Insulin dilepaskan oleh sel beta ( sel β ) pada
pankreas sebagai respon naiknya kadar glukosa darah, pada saat setelah makan.
Insulin memungkinkan sel-sel tubuh mengabsorbsi glukosa dari darah untuk
digunakan sebagai sumber energi, diubah menjdi molekul lain yang diperlukan,
atau untuk disimpan. Insulin juga merupakan sinyal kontrol utama konfersi
glukosa menjdi glikogen untuk pennyimpanan internal dihati dan sel otot. Bila
jumlah insulin yang tersedia tidak mencukupi, sel tidak merespon adanya insulin
(tidak sensitif atau resisten insulin), atau bila insulin itu sendiri tidak
produksi oleh sel-sel beta akibat risaknya sel-sel beta pada pankreas, maka glukosa
tidak dapat dimanfaatkan oleh sel tubuh atau pun disimpan dalam bentuk cadangan
makanan dalam hati maupaun sel otot. Akibat yang terjadi adalah peningkatan
kadar glukosa dalam darah, penurunan sintesis protein, dan gangguan
proses-proses metabolisme dalam tubuh.
Insulin diperlukan bagi penderita diabetes melitus,
suatu penyakit ganguan metabolisme kabohidrat, khususnya penderita diabetes
millitus tipe 1 yang memerlukan asupan insulin eksogen. Pada mulannya, sumber
insulin untuk penggunaan klinis pada manusi diperoleh dari pankreas sapi, kuda,
babi, maupun ikan.insulinyang diperoleh dari sumber-sumber tersebut efektif
bagi manusi karena identik dengan insulin manusia. Hanya terdapat perbedaan 3
asam amino antara insulin sapi dengan insulin manusia, dan hanya terdapat
perbedaan sebesar 1 asam amino antara insulin babi dengan insulin manusia.
Disebabkan mekanisme reaksi alergi yang timbul akibat
mengguanakan insulin dari hewan ( sapi, babi, ikan, maupaun kuda) dalam jangka
waktu lama khususnya penderita diabetes mellitus tipe 1, maka insulin dari
manusia mulai diproduksi dengan menggunakan tehnik rekayasa genetik.
Prusahaan farmasi Amerika serikat Eli Lilly,
memasarkan produk insulin manusia yang pertama, Humulin pada tahun1982. DNA
manusia yang mengkode insulin dipotong dan disisipkan kedalam fektor (
contohnya plasmid ) yang selanjutnya ditransformasi kedalam sel Escherichia
coli sebagai inang. Sel inang tumbuh dan bereproduksi secara normal, dan
karena terdapat DNA manusia yang disisipkan, maka sel inang tersebut otomatis
akan menghasilkan insulinmanusia. Proses yang serupa juga dilakukan pada
produksi interferon, hormon pertumbuhan manusia ( tumour necrosis factor,
TNF) dan interleukin-2 ( IL-2 ). (Lihat gambar)
Gambar 1
Hormon petumbuhan TNF digunakan untuk mengobati
penyakit dwarfisme (cebol) akibat kekurangan hormon ini. IL-2, TNF dan IFN
merupakan komponen penting respon imunitas alami manusia, dan produksinya
terbukti berguna untuk mengobati berbagai penyakit. Misalnya IFN penting dalam
pertahanan terhadap infeksi virus dan pengobatan akibat infeksi virus. TNF
adalah substansi alami yang dihasilkan tubuh dalam jumlah kecil oleh sel darah
putih tertentu yang disebut makrofag, berfungsi menbunuh beberapa sel kangker
dan mikroorganisme infeksius tanpa mempengaruhi sel-sel nomal. Produk
rekombiana lainnya adalah aktifator plasminogen jaringa ( alteplase) yang
merupakn protein yang tersusun atas 527 asam amino yang digunakan untuk
mengobati penderita serangan jantung.
Gambar 2
Comments