kimia dan bioteknologi dalam resistensi antibiotik

SEMINAR NASIONAL KIMIA DAN PENDIDIKAN KIMIA V
“Kontribusi Kimia dan Pendidikan Kimia dalam Pembangunan
Bangsa yang Berkarakter”
Program Studi Pendidikan Kimia Jurusan PMIPA FKIP UNS
Surakarta, 6 April 2013
BIOTEKNOLOGI DAN
RESISTENSI ANTIBIOTIK
MAKALAH UTAMA
ISBN : 979363167-8
KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI DALAM RESISTENSI ANTIBIOTIK
Sri Mulyani1,*
1
Prodi P Kimia Jurusan PMIPA FKIP Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia
* Keperluan korespondensi, tel : 0271-7651266, email: [email protected]
ABSTRAK
Resistensi antibiotik saat ini menjadi masalah kesehatan dunia yang serius baik di
negara maju maupun negara berkembang, mengimbangai masalah energi. Bahaya resistensi
antibiotika merupakan salah satu ancaman kesehatan masyarakat. Antibiotik adalah senyawa
kimia untuk menyetop/memperlambat pertumbuhan bakteri (bakteriostatik) atau membunuh
bakteri (bakteriosidal). Resistensi antibiotik adalah kemampuan mikroorganisme untuk bertahan
terhadap efek antibiotik diantaranya melalui mutasi atau perubahan/pertukaran plasmid antar
spesies bakteri yang sama. Contohnya methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA)
atau vancomycin-resistant Staphylococcus aureus (VRSA). Salah penggunaan antibiotik
merupakan salah satu pemicu resistensi antibiotik. Saat ini banyak bakteri yang telah
mengalami resistensi sehingga kurang responsif terhadap pengobatan antibiotika. Penyebaran
bakteri ini memunculkan masalah besar, karena menyebabkan penyakit sulit untuk diobati,
biaya pengobatan menjadi lebih mahal dan memungkinkan hadir jenis penyakit infeksi baru
yang lebih sulit diobati. Sehingga diperlukan obat baru yang ampuh dan murah. Pemanfaatan
ilmu dasar Kimia dalam kajian ilmiah, penelitian dan eksplorasi bahan alam dipadu dengan
pemanfaan teknologi dan mikroorganisme dalam bioteknologi sangat potensial menggiatkan
perusahaan farmasi dalam membuat antibioti baru. Dengan dukungan kebijakan pemerintah
yang kondusif diharapkan usaha ini mampu membantu mengatasi permasalah resistensi
antibiotik.
Kata kunci: kimia, ilmu kimia, biotechnology, resistensi antibiotik
PENDAHULUAN
bacterisidal bila dapat menyebabkan sel
Sejak ditemukannya antibiotik dokter
bakteri mati. Antibiotik antibakteri didisain
banyak memberikan resep antibiotik untuk
untuk memblok beberapa proses-proses
mengobati infeksi penyakit. Antibiotik adalah
krusial dalam sel bakteri secara selektif [1-
senyawa kimia baik yang merupakan pruduk
4]. Namun penggunaan antibiotik bila tidak
alami
dilakukan secara benar dan tepat dapat
maupun
yang
disintesis
yang
digunakan untuk menyetop pertumbuhan
bakteri
dan
membunuhnya.
atau
jamur
Antibiotik
atau
menimbulkan resistensi antibiotik.
untuk
Resistensi antibiotik saat ini menjadi
digolongkan
masalah kesehatan dunia yang serius baik
sebagai bakeriostatik bila dapat menyetop
di
pertumbuhan bakteri dan sebagai
kembang, mengimbangi masalah energi.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
negara
maju
maupun
negara
ber-
20
Bahaya resistensi antibiotika merupakan
ANTIBIOTIK ANTIBAKTERI
salah satu ancaman kesehatan masyarakat.
Saat ini banyak bakteri yang telah
mengalami
resistensi
sehingga
Antibiotik
menjadi
2
antibakteri
yaitu
digolongkan
bakteriostatik
dan
kurang
bakterisidal yang pengaruhnya terhadap
responsif terhadap pengobatan antibiotika.
kurva pertumbuhan bakteri disajikan dalam
Penyebaran
bakteri
masalah
besar,
penyakit
sulit
pengobatan
ini
memunculkan
gambar 1. Pembagian bakteriostatik dan
karena
menyebabkan
bakterisidal ini tergantung dari konsentrasi
untuk
menjadi
diobati,
spesies
bakteri
dan
fase
perkembangannya. Pembagian ini diman-
memungkinkan hadir jenis penyakit infeksi
faatkan untuk pemilihan antibiotika bagi
baru yang lebih sulit diobati. Masalah ini
pasien
menjadi masalah kesehatan dunia dan
misalnya diperuntukan bagi pasien dengan
harus
status
secara
mahal
obat,
dan
ditangani
lebih
biaya
terpadu
dan
tertentu.
imunologi
Antibiotika
yang
bakterisid
rendah
seperti
mendesak. Berkaitan dengan hal ini WHO
penderita HIV-AIDS, pada pasien pembawa
sudah memperingatkan bahwa infeksi
kuman (carrier), dan pada pasien berkondisi
yang umum terjadi bisa tidak memiliki
sangat lemah, pasien-pasien end-stage [6].
obat lagi di masa yang akan datang [5].
Berdasarkan
hal
tersebut
WHO
pada
peringatan Hari Kesehatan Internasional
tahun
2011
menetapkan
tema
Antimicrobacterial Resistance and its Global
Spread [6]..
dilakukan
Salah satu usaha yang bisa
untuk
mengatasi
hal
ini
diantaranya adalah menemukan obat baru
yang ampuh dan murah.
Di sini
hal
yang
ini akan disajikan beberapa
berkaitan
dengan
antibiotik
antibakteri, sintesis dinding sel bakteri,
resistensi
antibiotik,
kajian
pustaka
beberapa penelitian kimia dan bioteknologi
yang sudah dilakukan oleh peneliti maupun
peneliti lain dalam usaha menanggulangi
permasalaahan
rsistensi
antibiotik.
Beberapa data yang disampaikan merupakan
data
Gambar 1: Kurva pertumbuhan bakteri yang
diberi antibiotik bakteriostatik dan
bakterisidal dibandingkan dengan
kontrol. (Sumber: Scholar & Pratt [7]).
hasil
penelitian
yang
sudah
Beberapa contoh klas antibiotik dan
penggunaannya untuk menggobati penyakit
infeksi dapat dilihat dalam tabel 1 sedangkan contoh treatment awal penyakit infeksi
dengan antibiotik dalam tabel 2 [4].
Antibiotik ada yang merupakan senyawa
produk alam (natural product) yang diisolasi
dari prokaryot, fungi dan tanaman, dan ada
yang berupa senyawa hasil sintesis.
dipublikasi dan diberikan identitas sumber
data di bagian bawahnya.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
21
Tabel 1. Contoh klas Antibiotik dan
penggunaannya [4].
Contoh antibiotik produk alam dan hasil
sintesis dapat dilihat dalam gambar 2.
Klas
Contoh obat
Infeksi
Cephalosporin
Cefaclor,
cefuroxine
Bronkhitis,
pneumonia,
meningitis
Penicillins
Amoxicillin,
ampicillin
Pneumonia,
septicemia,
bronkhitis
Fluoroquinolon
Ciproflolacin,
ofloxacin
Toxic shock
syndrome,
meningitis
menghambat
Macrolides
Clarithromycin,
erythromycin
Toxic shock
syndrome,
meningitis
menghambat
Tetracycline
Minocycline
Infeksi saluran
urin, pelvic
inflammatory
disease
Aminoglycoside
Gentamicin
Ada
beberapa
penggolongan
antibiotik, diantaranya berdasarkan struktur
dan targetnya. Berdasarkan targetnya antibiotik dikelompokkan menjadi 4: yaitu: (1)
sintesis
dinding
sel,
(2)
menghambat sintesis DNA dan RNA, (3)
sintesis
protein,
dan
(4)
menghambat sintesis asam folat. Contoh
antibiotik yang menghambat sintesis dinding
sel
adalah:
(a)
ß-Lactams
(Penicillins,
Infeksi
intestinal,
septicemia
Cephalosporins), targetnya: enzim Trans-
Vancomycin, targetnya: ujung D-Ala-D-Ala,
Glycopeptide
Vancomycin
Infeksi
intestinal
Antibiotik
systemik
lainnya
Imipenem,
rifampin
Bronkhitis,
tuberkulosa
peptidase/Transglycolase
dan
(c)
(PBP),
Teicoplanin,
(b)
targetnya:
Peptidoglycan dan Lipid II. Contoh antibiotik
yang menghambat sintesis protein, yaitu: (a)
Tabel 2. Contoh treatment awal dengan
antibiotic [4].
Infeksi
Patogen
Alasan pilihan terapi
awal
Pneumoni
ae dari
masyarakat
Streptoco
ccus
pneumoni
ae
Pasien RS:
cephalosporin spektrum
luas / generasi ke-4
Pasien ambulan:
macrolide/fluoroquinolone
Pneumoni
ae dari RS
Bakteri
gram
negatif /
Staphyloc
occus
Untuk P. aeruginosa:
cephalosporin spektrum
luas / generasi ke-4,
imipenem,
aminoglycosida; Untuk
MRSA: vancpmycin
S.
pneumoni
ae /
Neisseria
meningitid
is
cephalosporin spektrum
luas + vancomycin +
rifampin
bacilli
gram - ;
cocci
gram +
(MRSA)
Cephalosporin +
aminoglycoside;
vancomycin
Infelksi
urinary
tract
Bakteri
gram –
seperti E.
coli
Sulfamethoxazole +
trimethoprim;
fluoroquinolones;
fosfomycin
Tuberculosis
Mycobact
erium
tuberculos
is.
Isoniazid + rifampin +
pyrizinamide +
ethambutol
Meningitis
Sepsis
syndrome
Erythromycins, targetnya:
rase/Ribosom,
dan
(b)
PeptidyltransfeTetracyclins,
targetnya: Peptidyltransferase. Fluoroquinolon
merupakan
contoh
antibiotik
yang
menghambat proses replikasi/reparasi DNA
dengan target aksinya pada DNA Gyrase.
SINTESIS PEPTIDOGLIKAN DINDING
SEL BAKTERI
Ligan target dari antibiotik Penicillins
dan Vancomycin adalah rantai samping
peptida
dari
rantai
peptidoglikan
(PG)
dinding sel bakteri. Monomer rantai PG
disusun atas 2 komponen
mayor turunan
disakarida N-acetyl glucosamine (NAG) dan
N-acetyl muramic acid (NAM) dan rantai
samping
pentapeptida
terikat
secara
kovalen pada sisi NAM (gambar 3).
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
22
PG disintesis secara enzimatis dalam
3 fase di sitoplasma, membran sitoplasma
dan ekstra sitoplasma (Gambar 4). Dalam
cytoplasm,
uridyldiphosphate
N-
acetylglucosamine (UDP-NAG) dihasilkan
dari glucosamine-1-phosphate yang dikatalisa oleh N-acetyl-1-phosphate glucosamine
uridyltransferase (GlmU). UDP-NAG kemudian dikonversi menjadi uridyldiphosphate
N-acetylmuramic acid (UDP-NAM) dalam 2
tahap reaksi yang dikatalis oleh
(A) Antibiotik produk alam
MurA [8]
and MurB, melalui intermediate, UDP-NAGenolpyruvate. Residu amino acids L-alanine,
D-glutamine,
L-lysine,
and
D-alanine-D-
alanine secara berurutan ditambahkan pada
sisi NAM dari UDP-NAM untuk membentuk
UDP-NAM-pentapeptide. Reaksi ini masingmasing dijalankan oleh MurC, MurD, MurE
and MurF. UDP-NAM-pentapeptide kemudian diikatkan pada molekul C55-undeca(B) Antibiotik hasil sintesis
Gambar 2. Contoh-contoh antibiotik produk
alam (A) dan hasil sintesis (B).
prenylphosphate
yang
berlokasi
pada
membran sitoplasma untuk membentuk lipid
I. NAG dari UDP-NAG kemudian diikatkan
sisi pada NAM dari lipid I dalam ikatan ß-
D-Ala
D-Ala
Peptide Side Chain
L-Lys
D-Glu
L-Ala
NH
CH3
Ac
O
NH
O
1,4-glycosidic linkage untuk membentuk lipid
II, yang masing-masing dikatalis oleh MraY
and MurG [9].
Pada S. aereus, lima residu glycine
O
HO
O
O
Ac
NH
O
HO
HO
N-Acetyl glucosamine N-Acetyl muramic acid
Disaccharide Unit
secara berturutan ditambahkan pada gugus
-NH2 dari komponen pentapeptide, L-lysine,
pada lipid II membentuk rantai samping
pentaglycine
yang
menggunakan
donor
glycyl-tRNA [10]. Residu D-glutamate pada
posisi 2 pada rantai samping pentapeptide
NAG
NAM
unit dasar peptidoglycan
dari lipid II diamidasi pada gugus -carboxyl
membentuk D-glutamin dengan menggunakan Lglutamin
Gambar 3. Monomer struktur peptidoglycan
dan gambaran unit dasarnya
pada S. aureus [4].
sebagai
donor
gugus
amino. Amidasi tidak esential untuk transfer
lipid II ke extra sitoplasma, tetapi mungkin
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
23
mempengaruhi
urutan reactionnya [11] .
undecaprenyl-phosphate dengan menghi-
NAG-NAM-L-Ala-D-Gln-L-Lys(5Gly)-D-Ala-
drolisisnya dengan pyrophosphatase yang
D-Ala ditranslokasi menyebrangi mem-brane
terikat pada membran membrane [4]. The
sitoplasma
sitoplasma.
transpeptidases melakukan peptide cross-
Transglycosylase and transpeptidase berlo-
linking antara rantai-rantai tersebut agar
kasi di ekstra sitoplasma. Trans-glycosylase
kuat membentuk dinding sel. Pada S.
menggabungkan subunit NAG-NAM mem-
aureus,
bentuk rantai glycan dengan mengikatkan
antara gugus amino pada satu ujung rantai
C1 sisi NAM pada lipid II ke ujung 4’-OH
pentaglycine
dari sisi NAG rantai peptidoglycan nascent
peptide antara 2 residu D-alanine pada
dengan
C55-undecaprenyl-
posisi 4 and 5 pada unit peptide yang lain.
pyrophosphate. C55-undecaprenylpyrophos-
Selanjutnya residu D-alanine pada posisi 5
phate dapat diputar balik pada permukaan
dilepaskan [12, 13] (Gambar 4).
ke
ekstra
melepaskan
membrane
sitoplasma
sebagai
peptide
cross-linking
yang
menyerang
dibentuk
ikatan
C55-
Gambar 4. Skema jalur biosintesis PG dan skema diagram rantai PG pada S. aureus. UDPNAG = uridyldiphosphate N-acetylglucosamine; UDP-NAM = uridyl-diphosphate Nacetylmuramic acid ; C55 = C55 undecaprenol.
AKSI ANTIBIOTIK PADA BIOSINTESIS
Pada
DINDING SEL
5
tampak
bahwa
vancomycin memiliki struktur yang lebih
Lapisan PG dinding sel Bakteri grampositif
gambar
(staphylococci,
streptococci,
dan
besar (Gambar 2) dibandingkan Penicillin,
dan
tidak
mampu
membrane
tebal dibandingkan dengan gram negative
sehingga tidak mampu memblok target
(Escherichia
molekul rantai samping peptida dari rantai
Salmonella,
Pseudo-
monas, dan Yersinia) (Gambar 5)[4].
bakteri
pori-pori
enterococci) adalah lebih banyak dan lebih
coli,
luar
menembus
gram-negatif,
PG.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
24
Gram-negatif
Gram-positif
Gambar 5. Lapisan PG dinding sel bakteri gram-positif dan gram-negatif. Gram-negatif memiliki
membran luar. gram-postif tidak tetapi memiliki lapisan PG lebih tebal [4].
Oleh karena itu vancomycin hanya
bekerja
efektif
Sedangkan
pada
untuk
gram-positif.
macam
diperlukan
dan
rasional
jenisnya
yang
sehingga
tepat
dalam
maupun
pemilihan dan penggunaannya. Beberapa
chepalosporin (Gambar 6) karena ukuran-
faktor yang mendasari rasional penggunaan
nya lebih kecil mampu mencapai dan
antibiotic,
memblok target molekul baik pada gram-
Indikasinya tepat , (2) Penderitanya tepat,
positif
Penicillin
(3) Pemilihan jenis antibiotiknya tepat, (4)
menginaktifkan PG-cross-linking transpep-
Dosisnya tepat , (5) Efek samping minimal,
tidase.
an (6) Kombinasi tepat (bila diperlukan)
maupun
penicillin
sekali
gram-negatif.
Untuk mengatasi kasus resistensi dan
daiantarnya
adalah:
(1)
ekonomis [14].
memperluas spectrum aktivitas antibakteri,
Sedangkan beberapa hal penting yang perlu
para ahli kimia medisin telah menurunkan
diketahui
beberapa
diantaranya adalah: (1) Sifat aktifitasnya
varian turunan penicillin
cepalosphorins
melalui
modifikasi
dan
semi-
sintetik pada gugus samping R (Gambar 6).
apakah
dalam
sebagai
memilih
antibiotic,
bakteriostatik
atau
bakterisidik, (2) Sifat spektrumnya apakah
luas atau sempit, berspektrum luas dapat
RASIONAL PENGGUNAAN ANTIBIOTIK
menghambat
baik
bakteri
gram-positif
Antibiotik bila digunakan secara benar
maupun gram-negatif, sedangkan berspek-
mempunyai khasiat yang luar biasa, dan
trum sempit hanya dapat menghambat atau
sebaliknya bila digunakan secara irrasional
membunuh kelompok bakteri tertentu, 3)
bisa menimbulkan kerugian yang fatal bagi
Mekanisme kerjanya apakah meng-hambat
kesehatan
ekonomi.
sintesis dinding sel, sintesis protein atau
Antibiotik yang ada sekarang sudah banyak
sintesis DNA/RNA, (4) Pola resistensinya,
maupun
dari
segi
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
25
apakah di Indonesia masih sensitive, meski
sampingnya
apakah memberikan reaksi
di Negara lain sudah resisten, (5) Efek
alergi atau reaksi toksik [14].
(A) Generasi Penicillin
(B) Generasi cephalosporins
Gambar 6. Perbedaan generasi penicillin (A) dan cephalosporins (B).(diadaptasi dari Scholar
and Prat [7] cit. [4]).
Bakteri penyebab infeksi secara ideal
guess”
dengan
mempertimbangkan
dapat diketahui dengan pasti berdasarkan
organ/sistem
yang
terinfeksi maupun
pemeriksaan mikrobiologis, sehingga terapi
kuman penyebab pada umumnya [14].
antibiotiknya dapat dipiliih dengan tepat.
Berdasarkan uraian di atas maka
Tetapi dalam kondisi tertentu misalnya
antibiotik harus digunalan secara benar
fasilitas
karena
terbatas
dan
tidak
mungkin
salah
penggunaan
bisa
menunggu hasil pemeriksaan yang relative
menimbulkan efek samping seperti pusing,
lama,
reaksi
antibiotic
yang
sesuai
dapat
ditentukan berdasarkan prinsip “educated
alergi,
reaksi
toksik
bahkan
menyebabkan resistensi antibiotic.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
26
RESISTENSI ANTIBIOTIK
Resistensi antibiotik adalah kemam-
strain
vancomycin-resistance
(VRE)
tahun
1989,
dan
enterococci
tahun
90-an
bertahan
ditemukan stains Vancomycin-resistance S.
terhadap efek antibiotik diantaranya dengan
aureus (VRSA), Vancomycin-intermediate S.
memperoleh gen resisten melalui mutasi
aureus
atau perubahan/pertukaran plasmid (transfer
intermediate S. aureus (GISA).
puan
mikroorganisme
untuk
methicillin-resistant
Staphylo-
dan
Glycopeptides-
S. aureus merupakan gram-positif
gen) antar spesies bakteri yang sama [4].
Contohnya
(VISA),
yang
banyak
menyebabkan
nokosomal
coccus aureus (MRSA) atau vancomycin-
infeksi, berkoloni di permukaan kulit dan
resistant Staphylococcus aureus (VRSA).
saluran
Resistensi
sebagai
infeksi serius pada kondisi paska operasi,
konsentrasi inhibisi mimimum (MIC) dasar
racunnya menyebabkan demam, kesakitan
yang dibutuhkan untuk mengatasi infeksi
sampai kematian. Sedangkan Enterococci
secara
didefinisikan
efektif
[15].
juga
Multiple
drugs
resistance didefinisikan sebagai resistensi
pernafasan
atas,
menyebabkan
berkoloni di kulit juga, survive di alam,
toleran terhadap suhu 10 °C – 45 °C, tahan
kondisi asam dan basa.
terhadap dua atau lebih obat maupun kla-
The National Committe for Clinical
sifikasi obat. Sedangkan cross resistance
Laboratory Standard (NCCLS) memberikan
adalah resistensi suatu obat yang diikuti
acuan untuk strain S. aures rentan terhadap
dengan obat lain yang belum pernah
vancomycin
Resistensi muncul diantaranya karena
penggunaan berlebihan dari antibiotic ber-
resisten bila
pada tanaman dan hewan dalam jangka
waktu yang lama sehingga berimbas kepada
Antibiotik
penicillin
untuk
mengatasi
1941,
ditemukan
penicillin-resistance.
pertama
infeksi
namun
strain
Tahun
kali
4
S.
1961
S.
tahun
aureus
mulai
digunakan methicillin sebagai pengganti
penicillin, namun 15 tahun kemudian muncul
juga strain Meticillin-resistance S. aureus
(MRSA). Tahun 1986 vancomycin dipilih
untuk mengatasi MRSA dan infeksi karena
enterococci. Alhasil berturut-turut ditemukan
32 mg/l. Berdasarkan acuan
pokkan intermediate bila MIC antara 8 – 16
mg / l, dan resisten bila
Kerja
kemudian
mg/l,
8 mg / l, dan di Perancis strain dikelom-
manusia.
tahun
4
di UK dikelompokkan resistan bila MIC nya
spektrum luas, atau penggunaan antibiotik
aureus
MIC
intermediate antara 8 – 16 mg / l, dan
dipaparkan [16].
digunakan
dengan
dengan
16 mg/l [15]
Vancomycin
berinteraksi
residu D-Ala-D-Ala pada rantai
peptide, yang kemudian memblok proses
cross-linking rantai dinding cell, akibatnya
rantai PG tidak dapat digabungkan dan
diding
cell
kemungkinan
menjadi
factor
lemah.
yang
Ada
dua
mengarahkan
pada resistensi vancomycin, yaitu (1) pada
VRE terjadi modifikasi residu the DAla-D-Ala
pada rantai peptide sub unit PG menjadi DAla-D-lactate, (2) pada VSRA, VISA atau
GISA terjadi penebalan lapisan PG.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
27
Interaksi
ikatan
hidrogen
antara
(A)
vancomycin dengan D-Ala-D-Ala dan D-AlaD-lactate ditunjukkan dalam gambar 7.
Kehilangan satu ikatan hydrogen antara
vancomycin dan D-Ala-D-lac menyebabkan
afinitas ikatannya berkurang 1,000 kali [4].
Beberapa
mekanisme
penebalan
(B)
dinding sel pada VSRA, VISA atau GISA
telah diperkirakan tetapi persisnya belum
diketahui secara pasti [19]. Bentuk tidak
beraturan dinding sel yang menebal diduga
sebagai hasil dari perubahan biosintesis PG
akan tetapi mekanisme molekuler terjadinya
(Diadopsi dari Lowy [18])
perubahan dalam biosintesis PG belum bias
Gambar 8. SKema akses glikopeptida pada
sintesis dinding sel. (A) Akses bebas pada
sel staphylococci rentan menyebabkan
inhibisi sistesis dinding sel. (B) Akses di
dalam sel resisten (VRSA) diblok dan
sintesis dinding sel dilanjutkan [18]
diterangkan [18].
PERAN KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI
DALAM ALTERNATIF SOLUSI KASUS
D-Ala-D-Ala
(A)
D-Ala-D-Lac
RESISTENSI ANTIBIOTIK
(B)
Kasus resistensi memerlukan penanganan segera dan terpadu. Beberapa cara yang
bisa
A
dilakukan
diantaranya
adalah:
(1)
produksi obat atau antibiotik baru, (2)
modifikasi potensial antibiotik secara kimia,
(3) produksi hibrid antibiotik baru baik
B
secara secara in vitro atau secara genetika
(Diadopsi dari Lowy [18])
Gambar 7. Interaksi hidrogen antara
vancomycin dengan D-Ala-D-Ala dan D-AlaD-lactate dan skema mekanisme resistensi
dalam VRE. (A) dalam sel enterococci
rentan vancomycin berinteraksi dengan DAla-D-Ala dan menyebabkan sistesis dinding
sel dihambat. (B) dalam sel VRE
vancomycin tidak berinteraksi dengan D-AlaD-Lac dan tidak berefek pada sibtesis
dinding sel [17].
melalui manipulasi
biosintesis
antibiotik.
Dalam upaya di atas sangat diperlukan
kajian
biosintesis
metabolit
(antibiotik).
Dalam hal ini pelibatan ilmu kimia dan
bioteknologi sangat besar.
Kajian
dilakukan
biosintesis
dengan
heterologous
dan
metabolit
cara:
(1)
bisa
ekspresi
karakterisasi
protein
dengan substratnya , dan (2) inaktivasi gengene
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
yang
terlibat
dalam
biosintesis
28
metabolit
dan
karakterisasi
metabolit
yang
disekresikan
metabolitke
dalam
medium. Sebagai contoh adalah kajian
biosintesis balhimycin sebagai salah satu
upaya
untuk
mempelajari
metabolism
vancomycin dan pencarian obat alternative
pengganti vancomycin.
Balhimycin (Gambar 9) dan vancomycin
merupakan klas antibiotik glikopeptida yang
mempunyai struktur mirip dan berbeda
hanya pada pola glikosilasi [20]. Balmimycin
Gambar 10. Organisasi balhimycin biosintesis gen kluster (diadopsi dari Süssmuth
and Wohlleben [23]). Bhp merupakan gen
putative “haloperoxidase”/perhydrolase sedangkan bhaA diidentifikasi sebagai gen
putative halogenase.
mempunyai residu glukosa pada pada cincin
aromatik asam amino 4 dan dehydrovan-
STUDI FUNGSI ENZIM DALAM BIO-
cosamin pada asam amino 6. Balhimycin
SINTESIS BALHIMYCIN
dan vancomycin keduanya aktif terhadap
Kirner et al [24] mengidentifikasi bah-
strains MRSA, khsususnya terhadap strains
wa non-haem, metalfree “haloperoxidases”/
Clostridium
unggul
perhydrolases tidak terlibat dalam tahap
dibandingkan vancomycin [21] meskipun
halogenasi selama biosintesis halometabolit
ampai saat ini belum dibunakan untuk terapi
Sedangkan Puk et al [25] menunjukkan
infeksi gram-positif.
bahwa
Balhimycin
lebih
BhaA bertanggung jawab pada
penggabungan kedua atom Klor ke dalam
balhimycin, sedang Bhp terlibat dalam the
biosynthesis of the nonproteinogenic amino
acid b-hydroxytyrosine. Mulyani et al [26]
juga menunjukkan bahwa putative hydrolase
Bhp merupakan thioesterase (Gambar 11
dalam biosintesis Balhimycin berspesifisitas
Gambar 9. Struktur Balhimycin. Balhimycin
tersusun dari 7 asam amino, dua diantaranya mengandung atom klor, yaitu B-hidroksi
tyrosine (asam amino no 2 dan no 6).
tinggi terhadap PCP-bound
-OH-Tyr dan
bukan “haloperoxidase”/perhydrolase maupun non-specific esterase. Identifikasi fungsi
protein dalam balhimycin biosynthetic gene
Sekuens balhimycin biosintesis gen
cluster dirangkaikan dalam gambar 12.
kluster sudah dideposit di GenBank [22] dan
organisasi
gen-gennya
disajikan
dalam
gambar 10.
Gambar 11. Reaksi hidrolisis B-hydroxy
tyrosine-SNAC menghasilkan
B-hydroxy
tyrosine [26].
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
29
Gambar 12. Protein-protein yang diidentifikasi dalam balhimycin biosynthetic gene cluster yang
bertanggung jawab dalam biosintesis nonproteinogenic aromatic asam amino acids and
representasi skemati penggabungan 7 asam amino berdasarkan NRPS membentuk tulang
punggung heptapeptide dari balhimycin. Leu = leucine, Cht = 3-chloro-ß-hydroxytyrosine, Asn
= asparagines, Hpg = 4-hydroxyphenylglycine, Dpg = 3,5-didroxyphenylglycine, m1-7 = modul 1
- 7. Diadopsi dengan modifikasi dari Süssmuth and Wohlleben [23].
Prediksi
fungsi
protein
POLA BIOSINTESIS ANTIBIOTIK
dalam
biosintesis gambar 12 adalah t [23]:
(1) Bhp,
OxyD,
BpsD
Pola biosintesis antibiotic diantaranya
terlibat
dalam
ada
biosyntesis of ß-hydroxytyrosine
2
yaitu:
Non-ribosomal
peptide
synthetase (NRPS) dan Polyketide synthase
(2) Pdh, HmaS, HmO, Pgat diasumsikan
(PKS). NRPS merupakan set modul yang
terlibat dalam biosyntesis of Hpg
masing-masing terdiri atas aktivitas enzy-
(3) gene cassette dpgABCD menunjukkan
matic untuk menggabungkan satu asam
bahwa DpgA/B/C/D dan Pgat terlibat
amino secara berurutan menghasilkan pro-
dalam biosyntesis 3,5-dihydroxy phenyl
duk. Urutan dan jumlah modul umumnya
glycine
ditentukan oleh urutan dan panjang peptide
(4) Tujuh monomer asam amino secara
yang dihasilkan. Modul dapat dibagi menja-
berurutan digabungkan delalui mekanis-
di beberapa domain yang berbeda yang
me NRPS membentuk tulang punggung
bertanggung-jawab terhadap reaksi kimia
heptapeptide dari antibiotik glycopeptide
tunggal. Tipe modul Inisiasi , modul elongsi
balhimycin
komplit
dan modul terminasi masing-masing adalah
domain thioesterase
A-PCP di-domains, C-A-PCP tri-domains, &
dan
dilepaskan oleh
heptapeptida
C-A-PCP-TE tetra-domain (gambar 13).
(Te) pada ujung C- modul 7 dalam BpsC.
O
O
H
H
S
H
S
S
R1
H 2N
S
R2
NH2
A
PCP
1
C
A
2
PCP
C
A
PCP
TE
A
PCP
O
H 2N
S
C
A
S
R3
PCP
C
A
PCP
H2O
TE
Tripeptida
3
1 = Initial module; 2= Elongation module; 3 = Termination module
§
§
§
An initiation module consists of an adenylation (A) and a thiolation domain T
An elongation module is built of an N-terminal condensation (C) domain, an adenylation, and a thiolation domain
A termination module needs a C-terminal thioesterase domain to release the full-length peptidyl chain
Gambar 13. Urutan Domain dan fungsi dalam modul-modul chain initiation, chain elongation
dan chain termination dari NRPS assembly lines[27]
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
30
PKS merupakan enzyme kompleks yang
Peran serta ahli kimia dan bioteknologi
memproduksi polyketida, mirip dengan fatty
dalam menemukan obat baru serta penggi-
acid synthase (FAS). Pengubahan thioester
atan perusahaan farmasi dalam membuat
acyl-S-CoA rantai pendek menjadi produk
antibioti baru sangat diperlukan. Dengan
long-acyl-chain melalui serangkaian siklus
du-kungan
perpanjangan yang menambahkan 2 atau 3
kondusif diharapkan usaha ini mampu
unit atom. Terdapat multiple domain atau
membantu
sub
resistensi antibiotik.
unit-sub
unit
sub
unit
yang
berpartisipasi dalam tahap-tahap khusus
initsiasi, elongasi, dan terminasi.
UPAYA PENEMUAN OBAT BARU
Upaya untuk menemukan obat baru
dalam
rangka
resistensi
mengatasi
antibiotic
dapat
masalah
dilakuakan
dengan cara: (a) melalui disain target baru
dari genomik bacteria, (b) memanfaatkan
bioinformatika untuk mencari conserv ORF
dari target bakteri yang potensial, (c)
pendekatan
genomik
untuk
penemuat
antibiotic. Hal ini juga bisa dilakukan
dengan
(a)
pendekatan
kepusta-kaan
senyawa sintetis dan kombinatorial kimia,
dan (b) pendekatan kepustakaan natural
product dengan combinatorial biosynthetic
strategies
[4].
Kimiawan
dan
Biotechnologist mempunyai peranan yang
sangat besar dalam upaya penemuan obat
baru tersebut.. Hal ini juga
sangat
potensial dalam menggiatkan perusahaan
farmasi untuk membuat antibioti baru.
KESIMPULAN
Pemanfaatan ilmu dasar Kimia dalam
kajian ilmiah, penelitian dan eksplorasi
bahan alam dipadu dengan pemanfaan
teknologi
dan
mikroorganisme
dalam
bioteknologi sangat potensial untuk mengatasi
permasalahan
resistensi
antibiotic.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
kebijakan
pemerintah
mengatasi
yang
permasalah
DAFTAR RUJUKAN
[1] Scott, T and M. Eagleson. 1988.
Concise encyclopedia biochemistry,
2nd ed. Walter deGruyter, Berlin.
[2] Vining, L.C. and C. Stuttard. 1995.
Genetics and biochemistry of antibiotic
production,Butterworth-Heinemann,
Boston
[3] Strohl, W.R. 1997. Biotechnology of
antibiotics, 2nd ed., reviced and
expanded. Marcel Dekker, Inc., Ner
York.;
[4] Walsh, C. 2003. Antibiotics: action,
origins, resistance, ASM Press,
Washington, DC.
[5] Nurani, N.A., 2013, Dunia Waspada
Resistensi Bakteri pada Antibiotik.
Online.
http://health.okezone.com/read/
2013/03/13/482/774970/dunia-waspada-resistensi-bakteri-pada-antibiotik]
[6] Utami, E.R., 2012. Antibiotika, Resistensi, dan Rasionalitas Terapi. Saintis,
I, 124-138.
[7] Scholar, E.M. and Pratt, W.B., eds.
2000. Antimicrobial drugs, 2nd ed.
Oxford University Press, New York.
[8] Schönbrunn, E., D.I. Svergun, N.
Amrhen, and M.H.J. Koch. 1998.
Studies on the conformational changes
in the bacterial cell wall biosynthetic
enzyme
UDP-Nacetylglucosamine
enol-pyruvyltransferase (MurA). Eur. J.
Biochem. 253:406-412.
[9] Green, D.W. 2002. The bacterial cell
wall as a source of antibacterial
targets. Expert Opin. Ther. Targets
6:1-19.
[10] Rohrer, S., K. Ehlert, M. Tschierske, H.
Labischinski, and B. Berger-Bachi.
1999. The essential Staphylococcus
aureus gene fmhB is involved in the
first step of peptidoglycan pentaglycine
31
interpeptide formation. Proc. Natl.
Acad. Sci. USA 96:9351-9356.
[11] Avison, M.B., P.M. Bennet, R.A. Howe,
and T.R. Walsh. 2002. Preliminary
analysis of thegenetic basis for
vancomycin resistance in Staphylococcus aureus strain Mu50.J. Antimicrob.
Chemother. 49:255-260.
[12] Brock, T.D. and M.T. Madigan. 1991.
Biology of Microorganisms, 6th ed.
Prentice Hall,New Jersey.
[13] Madigan, M.T., J.M. Martinko, and J.
Parker. 2000. Brock biology of
microorganisms 9th ed., Prentice Hall
International, Inc., New Jersey.
[14] Soemohardjo, S. 2009. Pemakaian
Anti-biotik Rasional (Kuliah Untuk
Maha-siswa
Kedokteran
Tingkat klinik).
Online
[[http://biomedikamataram.word
press.com/2009/05/08/pemakaianantib
iotik-rasional/]
[15] Hamilton-Miller, J.M. 2002. Vancomycin-resistant Staphylococcus aureus:
a real and present danger ?. Infection
30:118-124.
[16] Tripathi, K. D. 2003. Antimicrobial
drugs :general consideration. Essential
of medical pharmacology. Fifth edition.
Jaypee brothers medical publishers.
[17] Cetinkaya, Y., P. Falk, and C.G.
Mayhall. 2000. Vancomycin-resistant
Enterococci. Clin.Microbiol. Rev. 13:
686-707.
[18] Lowy, F.D. 2003. Antimicrobial resistance: the example of Staphylo-coccus
aureus. J. Clin.cInvest. 111: 12651273
[19] Komatsuzawa, H., K. Ohta, S.
Yamada, K. Ehlert, H. Labischinski, J.
Kajimura, T. Fujiwara, and M. Sugai.
2002. Increased glycan chain length
distribution
and
decreased
susceptibility to moenomycin in a
vancomycin-resistant Staphylococcus
aureus mutant. Antimicrob. Agents
Chemother. 46:75-81.
[20] Wink, J.M., R.M. Kroppenstedt, B.N.
Ganguli, S.R. Nadkarni, P. Schumann,
G. Seibert, and E. Stackebrandt. 2003.
Three new antibiotic producing species
of the genus Amycolatopsis, Amycolatopsis balhimycina sp. nov., A.
tolypomycina sp. nov., A. Vancoresmycina sp. nov., and description of
Amycolatopsis keratiniphila subsp.
keratiniphila subsp. nov. and A.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
keratiniphila subsp. nogabecina subsp.
nov. Syst. Appl. Microbiol. 26: 38-46.
Nadkarni, S.R., M.V. Patel, S.
Chatterjee, E.K.S. Vijayakumar, K.R.
Desikan, J.Blumbach, B.N. Ganguli,
and M. Limbert. 1994. Balhimycin, a
new glycopeptide antibiotic produced
by Amycolatopsis sp. Y-86,21022.
Taxonomy, production, isolation and
biological activity. J. Antibiot. 47:334341.
Pelzer, S., R. Süßmuth, D. Heckmann,
J. Recktenwald, P. Huber, G. Jung,
and W.Wohlleben. 1999. Identification
and analysis of balhimycin biosynthetic
gene cluster and its use for
manipulating glycopeptide biosynthesis
in
Amycolatopsis
mediterranei
DSM5908.
Antimicrob.
Agents
Chemother. 4:1565-1573.
Süssmuth, R.D. and W. Wohlleben.
2004. The biosynthesis of glycopeptide
antibiotics – a model for complex, nonribosomally
synthesized,
peptidic
secondary
metabolites.
Appl.
Microbiol. Biotechnol. 63:344-350.
Kirner, S., P.E. Hammer, D.S. Hill, A.
Altmann, I. Fischer, L.J. Weislo, M.
Lanahan, K.-H. van Pée, and J.M.
Ligon. 1998. Functions encoded by
pyrrolnitrin biosynthetic genes from
Pseudomonas fluorescens. J. Bactriol.
180:1939-1943.
Puk, O., P. Huber, D. Bischoff, J.
Recktenwald, G. Jung, R.D. Süßmuth,
K.-H. Van Pée, W. Wohlleben, and S.
Pelzer. 2002. Glycopeptide biosynthesis in Amycolatopsis mediterranei
DSM5908: functiuon of a halogenase
and a haloperoxydase/ perhydrolase.
Chem. Biol. 9:225-235.
Mulyani S., E. Egel, C. Kittel, S.
Turkanovic, W. Wohlleben,
R. D.
Süssmuth, K.-H. van Pée: The
thioesterase Bhp is involved in the
formation of ß-hydroxytyrosine during
balhimycin
biosynthesis
in
Amycolatopsis
balhimycina
ChemBioChem, vol 11, pp. 266-271.
Mofid, M.R., R. Finking, and M.
Marahiel. 2002. Recognition of hybrid
peptidyl carrier protein/acyl carrier
protein innon ribosomal peptide
synthetase modules by the 4’phosphopantetheinyl
transferases
AcpS
and
Sfp.
J.Biol.Chem.
277:17023-17031
32
TANYA JAWAB :
Nama Penanya
: Lausiani Dewi
Assaat
Nama Pemakalah
: Sri Mulyani
Pertanyaan
:
Sering terjadi tidak ada aturan dosis yang
jelas dalam pemberian antibiotik terutama
di Indonesia, bagaimana menyikapinya ?
Jawaban
Kadang
:
dokter
dalam
memberikan
diagnosis suatu penyakit seseorang sering
dengan cara coba-coba. Datang pertama
diberikan obat A, dan disuruh datang lagi
kalau dalam 3 hari tidak sembuh. Kemudian
dokter akan memberikan obat B, dengan
diagnosis berbeda. Penggunaan antibiotik
di masyarakat juga sering tidak tepat,
sehingga sering terjadi resitensi terhadap
antibiotika tertentu. Di negara maju, dokter
sangat berhati-hati memberikan antibiotik.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
33