12. Genetika mikrobia kompilasi

Pendahuluan
GENETIKA
suatu proses hereditas dan
variasi, merupakan titik awal dari semua
macam alur , fungsi dan struktur selular.
APA YG DIPELAJARI DALAM GENETIKA ?
Kemampuan suatu mikroorganisme
untuk memelihara viabilitas, beradaptasi,
bermultiplikasi, dan menyebabkan
penyakit
Pendahuluan
ASPEK BESAR YG DIPELAJARI DALAM
GENETIKA MIKROBA :
struktur dan organisasi dari material
genetik
replikasi dan ekspresi dari informasi
genetik
mekanisme dimana informasi genetik
mengalami perubahan.
Struktur & Organisasi Asam Nukleat
Informasi herediter diberikan oleh asam nukleat
deoxyribonucleic acid (DNA) & ribonucleic acid
(RNA)
Nukleotida tdd : gula (pentosa = deoksiribosa), basa,
gugus fosfat
Nukleotida terikat satu sama lain melalui ikatan
fosfodiester
DNA
polimer linier panjang yg tdd nukleotida
Komponen basanya : basa purin (adenin = A, guanin =
G) & basa pirimidin (cytosin = C, timin = T), diikat oleh
ikatan hidrogen pada bagian tengah molekul
Tulang punggung (backbone) molekul DNA tdd : gugus
fosfat dan gula yang letaknya bergantian, dan satu basa
yang melekat pada molekul gula
Struktur DNA
Molekul DNA biasanya untai ganda (double
helix), di setiap untainya mempunyai terminus
hidroksil 5 ‘ dan 3 ‘
Dua untai berjalan anti pararel
terminus 5 ‘
berlawanan dengan terminus 3 ‘ pada untai
yang lain
Basa adenin selalu berikatan melalui dua ikatan
hidrogen dengan basa timin pada untai yang lain
Basa guanin selalu berikatan dengan tiga ikatan
hidrogen dengan basa cytosin pada untai yang
lain
DNA mempunyai struktur unik yang disebut
“tangga berpilin” (twisted ladder)
Struktur RNA
RNA jarang berbentuk untai ganda
Tipe RNA yang berperan penting dalam
ekspresi gen :
mRNA (messenger RNA)
tRNA (transfer RNA)
rRNA (ribosomal RNA)
Struktur DNA
Struktur molekuler asam nukleat
(DNA & RNA )
Gen & Kode Genetik
GEN
Urutan DNA yang memberikan kode
untuk produk spesifik (RNA atau protein)
GENOM
Keseluruhan gen pada suatu
organisme
Ukuran gen : dinyatakan dalam base pairs
(bp) ; kilobase & megabases
Kromosom
Kromosom
organisasi dari suatu genom
Sel eukariotik
diploid : sepasang pada
setiap kromosom shg mempunyai dua
copy pada setiap gen (satu copy : gen
(alel) sbg protein (dominan), copy lain
tidak diekspresikan (resesif)
Pada sel haploid (sel prokariot)
kromosom tunggal & tidak berpasangan
Elemen Non Kromosomal
Unik pd bakteri, terdapat gen di luar kromosom
plasmid dan transposable elements
Plasmid
DNA double stranded kecil, sirkular,
1-2 kb - 1 megabase. banyak pd bakteri, yeast
dan jamur. Jumlah plasmid macam-macam
Gen pd plasmid mengkode transfer antara selsel bakteri, komponen resistensi terhadap
antibiotika tertentu
Konjugasi : Transfer Gen
Kromosom / Plasmid
Elemen Non Kromosomal
Transposable elements (TE)
DNA yang
dapat jump (transpose) dari satu situs
molekul DNA ke situs lain di dalam suatu
sel
insertion sequences
jumping genes yg
plg kecil & plg sederhana
Transposon
lebih besar & kompleks,
mengkode gen yg multipel
Transposisi : Insertion sequences &
transposon
Aliran Informasi Genetik
Replikasi & Ekspresi dlm Informasi
Genetik
REPLIKASI
1 molekul DNA untai ganda menghasilkan 2 molekul DNA
(1 untai lama & 1 untai baru)
Pelepasan ikatan / relaksasi supercoiled kromosom
Pemisahan kedua untai dari DNA induk
masingmasing untai sbg templat untuk sintesis DNA baru
Sintesis untai DNA baru
Akhir / terminasi replikasi dengan pelepasan dua
kromosom identik,masing-masing membawa untai
baru untuk sel anak
Replikasi
Bagian dimana proses
replikasi dimulai
ori
(origin of replication)
Bagian yang aktif
bereplikasi
garpu
replikasi, bergerak dgn
arah berlawanan
(directional) dgn arah 5’
ke 3 ‘
Kofaktor & enzim : DNA
polimerase, ligase dll
Replikasi
Replikasi
Sintesis untai DNA baru
hanya dari arah 5 ‘ ke 3’,
tetapi DNA anti pararel
1 kali sintesis primer ,
dilanjutkan polimerisasi
DNA
leading strand
Sintesis primer berkalikali, polimerisasi DNA shg
dihasilkan fragmen DNA
(Fragmen Okazaki) yg
akan disambungkan oleh
enzim ligase
lagging
strand
Replikasi
Ekspresi Informasi Genetik
Ekspresi gen
proses mengkode
informasi pada elemen genetik
(kromosom, plasmid, transposon)
menghasilkan produk biokimia
Proses ini dibentuk oleh transkripsi dan
translasi
Transkripsi
Transkripsi
merubah urutan basa DNA pada gen
(kode genetik) ke molekul RNA messenger (mRNA) yang
komplementer dengan urutan DNA
RNA polimerase
enzim untuk mengkatalisis proses
transkripsi
RNA polimerase bersama-sama dengan faktor sigma
(holoenzim)
berjalan sepanjang molekul DNA sampai
menemukan lokasi awal transkripsi
Fungsi faktor sigma
membantu RNA polimerase untuk
mengenali suatu urutan tertentu pada molekul DNA yang
menandai tempat awal transkripsi yang dikenal sebagai
promoter
Inisiasi transkripsi
faktor sigma terlepas dari RNA
polimerase
transkripsi berlangsung terus sampai
mencapai suatu daerah pada akhir gen (terminator)
Transkripsi
Transkripsi pada Eukariot
Translasi
Proses translasi
berlangsung di ribosom,
proses sintesis protein
berdasarkan informasi
pada mRNA
Ribosom tdd 2 subunit,
yaitu subunit besar (large
subunit) dan subunit kecil
(small subunit)
Ribosom prokariot terdiri
atas subunit 30S dan 50S
Ribosom eukariot terdiri
dari subunit 40S dan 60S
Translasi
Inisiasi, elongasi, dan terminasi
Inisiasi
komponen prokariot : kodon inisiasi (AUG),
formylmethionine tRNA (fMET-tRNA), subunit 30S dan
50S, dan GTP . tRNA inisiator yang membawa anti kodon
CAU akan menempati situs P pada ribosom
Elongasi
tRNA kedua membawa anti kodon untuk
kodon kedua memasuki situs A pada ribosom
Asam
amino yang dibawa oleh tRNA kedua membentuk ikatan
peptida dengan asam amino pertama
tRNA
bertranslokasi dari situs A ke situs P, lalu dilepaskan
melalui situs E
situs A kosong
situs A terisi kodon
untuk asam amino berikutnya
dst
Terminasi
Akhir proses elongasi, dicapainya suatu
kodon (UAG, UAA, UGA) yang tidak dikenali oleh anti
kodon yang dibawa oleh tRNA
sinyal penghentian
translasi
Kedua subunit ribosom akan berdisosiasi
polipeptida dibebaskan dari tRNAnya
Translasi
Translasi
Translasi
Dogma Sentral
Mula2 oleh Crick (1957) : Informasi genetik yg dibawa
DNA (kode genetik)
ditranskripsikan ke “bahasa” RNA
mRNA + Ribosom
translasi
protein
Amandemen Dogma Sentral
Tidak 1 arah :
Virus : Info genetik pd RNA
konversi ke DNA oleh
enzim reverse transcriptase. Contoh pd retrovirus yg tdd
Human T-lymphotropic virus (HTLV) dan Human
immunodeficiency virus type 1 & 2 (HIV 1-2)
Transposable genetic elements
Eukariot dikenal Splicing RNA : pd mRNA dikenal exon
(mengkode protein) dan intron (tidak mengkode protein)
Perubahan Genetik
Eukariot
reproduksi seksual yang menyebabkan
pencampuran genom pada perubahan genetik
Prokariot (Bakteri)
Multiplikasi dg pembelahan sel
sederhana (setiap sel anak menerima seluruh
komplemen genetik yang identik dengan sel induk) shg
tidak dpt tjd pencampuran
Bakteri sejak dulu selalu melakukan evolusi
Mekanisme : mutasi, genetika rekombinan, & pergantian
gen antara bakteri dengan atau tanpa proses
rekombinasi.
Mutasi
Mutan : organisme yang berbeda secara genetik dari tipe yang
sering ditemukan di alam (wild type). Urutan dapat berbeda pd
genotipenya (urutan DNA) atau fenotipe
Mutasi dapat terjadi secara spontan
Tipe mutasi :
Wild Type
GAA GGU UAC AUU ACU
Glu gly tyr ile thr
- Subtitusi basa GAA GGU AAC AUU ACU
Glu gly asp ile thr
U mjd A
mengkode tirosin menjadi aspargin
- Delesi
GAA GGU *ACA UUA CU
Glu gly thr leu
Satu dari U delesi
selanjutnya
perubahan pada asam amino yang dikode
Mutasi
- Insersi
A insersi
- Duplikasi
GAA GGU AUA CAU UAC U
Glu gly lie his tyr
perubahan urutan asam amino yang dikode selanjutnya
GAA GGU GGU GGU UAC
Glu gly gly gly tyr
Kodon GGU mengalami duplikasi tiga kali.
- Perubahan pada
GAA GGU UAA AUU ACU
Kodon terminasi
glu gly (kodon terminasi)
Perubahan pada C pada kodon UAC akan merubah kodon terminasi
menjadi pada kodon UAA. Sintesis peptide akan berhenti pada
bagian ini
Pertukaran atau Transfer Gen
TRANSFORMASI
Sel resipien mengambil DNA bebas yang
dilepaskan ke lingkungan ketika sel bakteri lain
(donor) mati dan mengalami lisis
DNA bebas
terdapat dalam bentuk fragmen akan diambil
oleh bakteri tertentu
transformasi
Genus Haemophiluus, Streptococcus, dan
Neisseria
DNA donor (untai tunggal) memasuki sel
resipien
rekombinan dengan DNA resipien
homolog
Berperan penting
resistensi antibiotika
TRANSDUKSI
DNA dari dua bakteri masuk ke dalam sel
bersama-sama untuk berekombinasi.
Dimediasi oleh bakteriofaga
Virus mengandung DNA nya sendiri dan
bagian DNA bakteri donor
Transduksi oleh Bakteriofaga
KONYUGASI
Terjadi antara dua sel hidup, melibatkan kontak
sel dengan sel,dan membutuhkan mobilisasi dari
kromosom bakteri donor
Kontak E coli dimediasi oleh pilus sex
Pilus sex berasal dari donor dan membentuk
jembatan konyugasi untuk transfer DNA dari sel
donor ke sel resipien
mobilisasi kromosom
Satu untai DNA baru dihasilkan oleh donor
berpindah ke resipien
Sex pilus E coli antara donor dan
resipien
Konyugasi pada E.coli
Metode Diagnostik Molekuler
Untuk Identifikasi Mikroba dapat dilakukan
melalui metode konvensional & molekuler
Untuk meningkatkan sensitivitas &
spesifisitas dipakai metode amplifikasi
asam nukleat yang tidak membutuhkan
multiplikasi organisme ybs
paling
banyak digunakan POLYMERASE CHAIN
REACTION (PCR)
PCR
• Mengkombinasikan prinsip hibridisasi asam
•
nukleat yang komplementer dengan replikasi
asam nukleat yang diaplikasikan melalui
sejumlah siklus
Copy tunggal dari asam nukleat target
dilipatgandakan menjadi 10 pangkat 7 atau lebih
copy di dalam periode yang relatif pendek
PCR
• PCR mempunyai 30 sampai 50 siklus berulang,
setiap siklus tdd :
• denaturasi asam nukleat target
• primer annealing dengan asam nukleat
target untai tunggal
• pemanjangan (extension) dari pasangan
primer-target
Thermalcycler
PCR
Aplikasi Rekayasa Genetika
Aplikasi Industri
Aplikasi Agrikultural
Aplikasi Terapeutik
Produksi hormon insulin
untuk penanganan
penyakit DM melalui
teknologi DNA
rekombinan (dipakai
bakteri E.coli sbg vektor),
hemofili, kanker
Aplikasi keilmuan
Identifikasi mikroba,
Human Genome Project
Genetic
Mic r o b i a l
Genetika Mikroba,
WHY??
Genetika adalah dasar dari
ekpresi dari suatu ciri
makhluk hidup.
Jika metabolisme ~ dasar
dari kehidupan, dan gen
mengkode enzim-enzim
yang berperan dalam
metabolisme MAKA:
gene ~ basis dari suatu
kehidupan.
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Mic r o b i a l
Hubungan DNA dan Kehidupan
Digital life information on DNA
Digital music
information on
CD
play
transcription
or
play
RNA
CD
player
ribosome
translation
protein
sound
waves
Ear and
brain
music
Development and
metabolism
life
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Mic r o b i a l
MIKROBA
Material Genetik
Genom: Keseluruhan materi
genetik di dalam organisma
Kromosom : Struktur yang
mengandung DNA
Gene : Unit fungsional dari DNA
yang dapat diekspresikan
Bakteri mempunyai DNA berbentuk
sirkular tertutup (plasmid)
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Mic r o b i a l
KROMOSOM
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Mic r o b i a l
KROMOSOM
B a k t e r i
Panjang
kromosom E. coli
= 1.7 mm
Panjang sel E. coli
= 2 μm
DNA adalah
supercoiled
(topoisomerase)
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
DNA
Mic r o b i a l
Material Genetik
DNA= deoxyribonucleic acid
RNA
Asam Nukleat
RNA= ribonucleic acid
 Semua organisma mempunyai DNA dan RNA
 Semua organisma menggunakan nukleotida yang sama
 DNA semua organisma dapat bereplikasi, bertranskripsi dan
Bertranslasi
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Microbial
Building Block
Asam Nukleat
5’ end
5’C
O
Nukleosida
Polinukleotida
3’C
O
Gugus Fosfat
Gugus
Basa Nitrogen
O
5’C
O
Gugus Pentosa
3’C
OH
3’ end
Nukleotida
Asam nukleat akan membentuk polimer (molekul yang tersusun dari pengulangan unit
nukloetida – poli nukleotida)
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Microbial
Nukleotida
GULA & BASA
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genet i c
Mic r o b i a l
Struktur DNA
Untuk DNA : mempunyai rantai
ganda- Double stranded (double
helix)
Untuk RNA : mempunyai rantai
tunggal - Single stranded
Adanya pasangan basa pada
double helix
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
DNA
RNA
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Mic r o b i a l
Struktur DNA
Anti paralel
Arah 5’ to 3’
Start pada Karbon 5 dari
gula ke-1:
PO4-5’-3’-PO4-5’-3’-PO4-5’-3’OH
(disebut sebagai arah 5’-3’)

APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genet i c
Mic r o b i a l
Struktur DNA
T
O
5
O
CH2
1
4
3
2
O
O

P
O-
A
O
5

O
CH2
1
4
3

2
O
O
P
OC
O
5
O
CH2
Polymer nukleotida:
"Backbone" adalah
deoxyribose-phosphate
Pasangan basa
komplementer:
A-T (Adenine – Thymine)
G-C (Guanine – Cytosine
1
4
3
2
OH
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Microbial
Ikatan Molekul DNA
a. Ikatan Hidrogen:
antara pasangan basa nitrogen
b. Ikatan Fosfodiester:
Polaritas DNA tergantung dari :
-
Basa nitrogen
-
Gula
-
Fosfat
-
Ikatan fosfodisester
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011
Genetic
Microbial
APW/MD/Ajar 8 Gen Mikroba/2011