Prinsip dan mekanisme Biomineralisasi

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