Bab 3 Implikasi Fisiologi Nutrisi, Pertumbuhan dan

Bab 3
Implikasi Fisiologi Nutrisi, Pertumbuhan dan kematian mikrobia
Nutrisi sbg indikasi fisiologi yg komplek
•
Bakteri sebagai model nutrisi
•
Kebutuhan umum pertumbuhan
•
Mekanisme pengambilan substrat ke dlm sel
Implikasi fisiologi pertumbuhan dan Kematian mikrobia
Differensiasi dan Morfogenesis pada mikrobia
IMPLIKASI FISIOLOGI NUTRISI,
PERTUMBUHAN DAN KEMATIAN MIKROBIA
Tujuan instruksional khusus dan kompetensi kuliah ini ialah
•
Memberi pengertian dasar tentang nutrisi dan menunjukkan kunci utama
tentang sel mikrobia sebagai suatu sistem yang mampu melakukan reaksi kimia
secara langsung dan mengorganisasi molekul menjadi struktur spesifik, yang
kemudian diekspresikan dalam bentuk pertumbuhan mikrobia.
Dengan demikian setelah selesai mengikuti kulaiah ini para mahasiswa mampu
menjelaskan sesuai dengan materi kuliah tentang arti penting dan hubungan antara
nutrisi dan kebutuhan makanan yang diperlukan mikrobia untuk aktivitas seluler,
menyebutkan
spektrum
nutrien
yang
diperlukan
pertumbuhan
mikrobia
dan
mengklasifikasi mikrobia Sesuai sifat nutrisi, menjelaskan faktor nutrien yang
dibutuhkan untuk pertumbuhan dan penyebab kematian mikrobia.
Pengertian tentang nutrisi
Mikrobia seperti hanya jasad hidup yang lain, untuk mempertahankan diri agar
tetap hidup dan berkermbangbiak, mikrobia harus mampu melakukan aktivitas seluler
yang melibatkan berbagai reaksi kimia dan perubahan tenaga. Aktivitas selular
tersebut sangat tergantung pada air dan nutrien.
Apakah nutrien ?
Nutrien:
1.
Substansi yang diperlukan oleh mikrobia untuk mensintesis komponen sel dan
memperoleh tenaga untuk pertumbuhannya.
2.
Meliputi bahan oerganik maupun anorganik baik dalam jurnlah hesar atau kecil
(Makroelernen atau rnikroelernen))
3.
Mengandung unsur-uisur yang diperlukan untuk sintesis penyusun substansi sel
Apakah nutrisi?
Nutrisi adalah suatu proses pengadaan dan pemberian subtansi khusus yang
dapat diabsorbsi masuk kedalam sel untuk pertumbuhannya. Oleh karena itu sel
mikrobia harus mampu :
mendapatkan dan merombak nutrien yang ada di Iingkungan menjadi substansi
yang Iebih sederhana sebelum diabsorbsi oleh sel.
mentransformasikan nutrien kemudian diabsorbsi masuk ke dalam sel.
Fungsi fisiologi mikrobia mencakup pemahaman tentang kondisi fisiologi dan
kebutuhan nutrisional untuk pertumbuhan. Kebutuhan nutrisional bagi mikrobia
bervariasi dan spesifik tergantung pada kemampuan metabolik. Apabila sel mikrobia
tidak mampu mensintesis substansi essensial, maka sel tersebut harus mampu
mendapatkannya dari medium pertumbuhan. Kebutuhan nutrisional dapat dipelajari
dengan cara menumbuhkan mikrobia di laboratorium pada media kultur. Medium kultur
pada dasarnya harus mengandung senyawa yang mudah digunakan oleh mikrobia dan
terdiri dan unsur-unsur yang diperlukan unluk sintesis penyusun substansi sel (Tabel
3.1).. Komposisi medium minimal mendekati komposisi kimia sel mikrobia (Tabel 3,2).
Tabel 3.1. Fungsi berbagai substansi yang diperlukan
Makro elemen
Uns
ur
C
N
Fungsi
Makro elemen
(bahan anorganik)
Ion Fungsi
Bahan organik
substansi
Fungsi
komponen utama
sitoplasma
K+
• Menjaga
keseimbangan
osmotik
• Sebagai Kofaktor
Heme atau
tetrapirol
Komponen
sitokrom
• Komponen
asam amino di
dalam protein
sel;
• Komponen
cincin purin &
pirmidin asam
amino
• Komponen
subtansi
peptidoglikan
dan khitin
• Komponen
substansi lipida
kompleks
• Sebagai nitrat,
penerima
elektron
Na
• Diperlukan
menggunakan
senyawa organik
(sitrat)
• Obligat diperlukan
sbg aktivator ensim
• Untuk transpor pada
mikrobia halofilik
Vitamin K
Peinbawa
(carrier)
Elektron
Methiortin
Coensim M
Agensia donor
metil
Pernbawa
elektron bagi
metatiogen
Purin
&Pirimidin
Komponen
asam nukleat
+
Tabel 3.1. Fungsi berbagai substansi yang diperlukan untuk pertumbuhan mikrobia
(lanjutan)
Makro elemen
Uns
ur
O
P
S
Fungsi
Makro elemen
(bahan anorganik)
Ion
Fungsi
FE2+
• Substansi
organik utk
komponen
protoplasma
• Gas oksigen
• Aseptor
elektron pada
transpor e
aerobik
NH4
• Dalam bentuk
PO4 sebagai
komponen
asam nukleat,
asam teiokat
dan teikuronat,
membran fosfolipida
• Dalam bentuk
pirofosfat
• Senyawa
anorganik
MG2+
penyimpan
tenaga
• Komponen
asam amino
• Asam lipoat
• Sumber tenaga
untuk kemotrof
• Sumber
pereduksi untuk
fototrof
• Sebagai sulfat,
penerima
elektron
• Komponen
sitokrom
• Komponen ensim
• Sumber tenaga
untuk ferrobacillus
• Dioksidasi ke Fe3+
Bahan organik
substansi
Fungsi
Asam
amino
Komponen
protein
• Reaksi
transfer
karboksil
• Fiksasi CO2
Biotin
• Sebagai sumber N
• Sebagai sumber
tenaga untuk
nitrosomonas dll
Asam
nikotinat
• Aktifator ensim,
reaksi kinase
• Komponen klorofil
Riboflavin
Co2+
• Komponen vit B12
• Komponen
koensim
Tiamin
Asam folat
Ca2+
• Aktifator
ensimospora
Piridoksin
• Dekarboksila
si
• Transfer C-1
• Donor metil
Pengatur
kembali
NO2
• Sumber tenaga
untuk nitrobacter
Asam
pantotenat
Transminasi
dan deaminasi
NO3
Aseppor transpor
elektron
Cobalamin
• Pembawa
elektron
NAD,NADP
• Dehidrogena
si
• Koensim A
• Aktifasi
• Metabolisme
tenaga &
asam lemak
Air merupakan penyusun terbesar dan sel dan essensial untuk proses kehidupan.
Mineral digunakan dalam aktivitas sel, yaitu dalam reaksi enzim atau proses transport.
Tidak semua mikrobia dapat menggunakan mineral, tergantung sifat fisiologinya.
Tabel 3.2. Komposisi kimia sel bakteri (Madigan dkk., 2001)
No
1
2
3
4
Molekul
Air
Makromolekul
- Protein
- Polisakarida
- Lipida
- DNA
- RNA
Monomer
- Asam amino
- Gula
- nukleotida
Ion organik
Jumlah total
Berat basah (%)
70
26
15
3
2
1
5
Berat kering sel (%)
96
60
5
9
3
19
1
100
1
100
Nutrisi sebagai indikasi fisiologi yg komplek
Pada umumnya nutrien yang dibutuhkan oleh mikrobia dapat merefleksikan kapasitas
fisiologi. Semakin hanyak ragam hahan yang diperlukan untuk pertumbuhan mikrobia
semakin ekstensif kompleksitas fisioioginya.
Contoh:
Lactobcillus memeriukan sejumlah asam amino terutama Vitamin B dan nutrien lain
untuk pertumbuhhannya.
Sianobakieri hanya memerlukan cahaya matahari, CO2 dan N2. Berdasarkan
Berdasarkan kebutuhan nutrisional tersebut menunjukkan bahwa sel mikrobia
berfungsi sebagai mesin fisiologi yang spesifik untuk mengolah substansi atau
mensintesis semua yang diperlukan untuk pertumbuhan. Perbedaan fisiologi di antara
mikrobia dapat ditunjukkan pula dengan adanya perbedaan spektra nutrien yang
diperlukan untuk tumbuh. Dengan melalui studi tentang penggunaan nutrien, akan
meningkatkan pemahaman bagaimana mikrobia menjalankan tugas hidupnya dan
peranya pada perubahan lingkungan..
Bakteri Sebagai Model Nutrisi
Berdasarkan
kebutuhan
nutrisional,
bakteri
digunakan
sebagai
model
untuk
mengetahui sifat dan fungsi nutrien yang dibutuhkan oleh semua sel dengan alasan
bahwa bakteri:
1. Merupakan mikrobia yang paling tinggi keragamannya.
2. Memiliki spektra tipe nutrisi yang tinggi.
Contoh : keanekaragaman bakteri yang mampu menggunakan berbagai sumber
karbon nitrogen di alam menunjukkan keanekaragaman kapasitas metabolik yang
besar
3. Mampu melakukan proses metabolik yang unik untuk kehidupan selular dengan
mengetahui sifat dan fungsi nutrien yang terdapat pada sistem mikrobia, maka
dapat untuk memahami sifat dan fungsi pada semua sel jasad hidup.
Penggolongan mikrobia berdasarkan kebutuhan nutrisi
Berdasarkan kebutuhan nutrisional, rnikrohia dapat dikelompokkan menjadi
beberapa kategori yang sesuai dengan sumber C yang diperlukan dan mekanisme
perombakan karbohidrat (Tabel 3.3).
Tabel 3.3. Pengelompokan mikrobia berdasarkan sumber C dan sumber tenaga
Sumber karbon
Senyawa kimia :
1. Senyawa
anorganik (CO2)
2. Senyawa
organik
Sumber elektron
Tipe mikrobia
Tipe kombinasi
Ototrof
Senyawa anorg
Senyawa organik
Senyawa anorganik
Sumber tenaga
Sumber elektron
1. Senyawa kimia :
a. anorganik
(CO2)
Senyawa anorganik
b. Organik
2. Cahaya matahari
3. Cahaya matahari Senyawa organik
Senyawa anorganik
:
Heterotrof
:
Tipe mikrobia
Kemotrof
a. Kemolitotrof
b. Kemoorganotrof
fototrof
Litrotrof
organotrof
Tipe kombinasi
Kemoorganotrof
(heterotrof)
Fotoorganotrof
fotolitotrof
Meskipun mikrobia telah dikiasifikasikan berdasarkan nutrien yang diperlukan untuk
pertumbuhan, kebutuhan
nutrien tersebut mempunyai fungsi tertentu.
Untuk
memahami hal tersebut maka perlu dipelajari:
1. Beberapa banyak nutrien diperlukan mikrobia untuk tumbuh
2. Spesifikasi nutrien yang diperlukan
3. Bentuk nutrien yang diperlukan.
Kuantitas nutrien yang diperlukan mikrobia merupakan indikasi fungsi umum.
Jumlah Kebutuhan nutrisional yang cukup tinggi merefleksikan bahwa nutrien
digunakan untuk mensintesis makromolekul dan struktur sel.
Jumlah kebutuhan nutrisional yang rendah menunjukkan bahwa nutrien tersebut
dipakai untuk mensitesis kofaktor atau koensim.
Meskipun demikian kuantitas nutrien yang diperlukan mikrobia bukan merupakan
petunjuk pentingnya nutrien terhadap mikrobia tersebut. Oleh karena itu beberapa hal
sangat penting untuk diketahui:
Bagaimana mekanisme pengangkutan nutrien dari luar masuk ke dalam sel.
Perbedaan bentuk nutrien di dalam sel dengan bentuk nutrien di lingkungan,
yang dapat rnenunjukkan apakah terjadi modifikasi selama pengangkutan.
Lokasi intraselular dan nutrien; hal ini penting untuk mengetahui fungsi nutrien,
dan hubungan antara pengambilan dan penggunaan nutrien. ketiga aspek
tersebut dapat menjelaskan implikasikan kebutuhan nutrien.
Bagaimana mekanisme pengambilan dan masuknya substrat kedalani sel
Untuk mendapatkan substansi makanan dari Iingkungan dan melepaskan hasil
buangannya, maka membran sitoplasma mikrobia harus bersifat permeabel yang
memungkinkan substansi tersebut dapat masuk atau ke dalam Sel. Sebagian besar
senyawa esensial (vitamin B12, oligosakarida dan besi) biasanya dalam bentuk molekul
yang jauh Iebih besar dan pada sel mikrobia, sehingga tidak mungkin dapat melewati
membran sitoplasma. Demikian pula isi sel mikrobia jauh lebih pekat (1000 kali iebih
tinggi dan pada yang ada di sekelillngnya, sehingga tidak mungkin dapat keluar
dengan bebas.
Contoh:
-
Molekul maltosa dapat melewati membran sitoplasma luar dengan bantuan protein
spesifik, maltoporin,
• molekul 02, C02, NH4 dan H20 masuk ke membran luar dan dalam Sitoplasma
dengan cara difusi.
OIeh karena itu membran sitoplasma harus mampu mengatur secara selektif gerakan
substansi dan luar dan dalam sel, atau semipermeabel. Mikrobia rnempunyai berbagai
mekanisme untuk menggerakkan molekul masuk melewati membran sitoplasma.
Mekanisme transport molekul pada prinsipnya dibedakan atas karakteristik berikut ini :
Apakah molekul dapat langsung masuk melalui lapisan lipida atau lewat protein
khusus pada membran
Apakah molekul diubah terlebih
te
dahulu
ahulu agar dapat masuk melewati membran
Apakah proses
s memerlukan tenaga selular
Apakah larutan lebih pekat dari pada gradien
Berdasarkan karakteristik tersebut, maka mekanisme
meka
transport nutrien kedalam sel
meliputi empat tipe yaitu
1. Transport yang
ang dipermudah (difusi yang dipermudah)
dipe
2. Transport kemiosmotik
3. Transport aktif (Binding transport)
4. Translokasi gugus (Transport senyawa konsentrasi tinggi PTS)
Proses transport pasif (Diffusi)
Mekanisme transport yang tidak memerlukan
memerlukan tenaga selular. Mekanisme transport
tersebut meliputi (Gambar 3.1)::
Difusi pasif
Osmosis
Diffusi terfasilitasi
Mekanisme transport tersebut, substrat dapat masuk kedalam sel tidak memerlukan
tenaga
naga karena tetapi dengan bantuan ensim
en
permease dan adanya
anya perbeda
perbedaan
konsentrasi.
Contoh:
• gliserol dapat diangkut langsung kedalam sel bakteri melalui diffusi.
• glucose ditransfer masuk ke dalam sd Zymomonas mobilEs dan Sreptococous bovis
melalui mekanisme transport pasif.
Gambar 3.1. Mekanisme transport pasif
Transport kemiosmotik
Mekanisme transport kemiosmotik adalah mekanisme transport molekul melalui
membran berdasarkan arah pengangkutan dengan melibatkan protein. Protein yang
memfasilitasi proses bervariasi dari sistem ke sistem. Berdasarkan direksi atau arah
pengangkutan nutrien, sistem transport kemiosmotik meliputi :
uniport: transport yang diperantarai protein ke satu arah.
Misalnya gliserol diangkut kedalam sel secara uniport.
simport; transport yang diperantarai oleh protein yang sama untuk dua molekui
berbeda ke arah yang sama.
Antiport: transport yang diperantarai oleh protein yang sama, berlangsung secara
simultan mengangkut satu molekul ke arah dalam, sedangkan molekul yang lain
dibawa ke luar.
Misalnya ion Ma+ & H+ ditransfer ke dalam sel Escherichia coli, menjadikan kondisi
asam untuk bagian dalam sel yang netral dan pada Iingkungan basa.
Transport Aktif
transport aktif nutrien:
merupakan mekanisme yang paling banyak terjadi pada mikrobia.
melibatkan permease dan memerlukan tenaga.
Merupakan sistem pengangkutan ini erat hubungannya dengan transport
elektron.
Gerakan substrat masuk kedalam membran sitoplasma dikemudikan oleh ATP atau
gradien ion.
Contoh: - Escherichia coli mempunyai sistem transport untuk laktosa dan
-
galaktosidase masuk ke dalam sel dan menggunakan tenaga dan gradien
elektrokimia hasil perbedaan konsentrasi ion melalui membran. Gradien
elektrokimia ini berperan untuk mengubah bentuk pembawa sehingga substrat
tersebut dapat masuk membran.
- Mikrobia eukariotik, transport aktif dikemudikan oleh tenaga hasil hidrolisis
ATP atau gradien ion.
Pada umumnya transport elektron menghasilkan tenaga untuk transport aktif beberapa
bakteri anaerobik melepaskan tenaga transport tanpa adanya transport elektron.
Misalnya: Bakteri fermentatif pada keadaan anaerobik mendapatkan tenaga untuk
transport nutrien baik dan hasil hidrolisis ATP, maupun dan transport hasil
fermentasi secara simport dari proton ke luar sel.
Contoh transport aktif yang lain: penyerapan asam amino laktosa, phosphat dan sulfat
yang terjadi pada sel Escherichia coli,.
Perhandingan antara transport aktif dengan mekanisme diffusi terfasilitasi:
1. Persamaannya: diperantarai oleh protein
2. Perbedaannya:
transport aktif: - memungkinkan terjadi akumulasi versus konsentrasi gradien.
- Obligat memerlukan tenaga selular
Diffusi terfasilitasi: - tidak terjadi akumulasi gradien
- tidak memerlukan tenaga selular
Sistem translokasi gugus (Sistem Fosfotransferase = PTS)
Pada proses transport yang disebut translokasi gugus terjadi di dalam sistem
Fosfoenol piruvat: fosfotransferase (PEP-PTS). Sistem PEP-PTS mentransport
substrat yang mengalami perubahan kimia selama melewati membran sitoplasma
dengan penambahan gugus fosfat. Proses tersebut khusus terjadi pada sel bakteri.
Contoh: - Bakteri gram negatif dan gram positif mengambil karbohidrat dan lingkungan
melalui mekanisme PEP-PTS.
- Pada Escherichia coli, transport gugus melalui sistem PTS adalah fosforilasi
glukosa.
Pada PEP-PTS Escherichia coli, glukosa difosforilasi selama perjalanan melewati
membran sitoplasma. Ketika senyawa tersebut dibawa PEP-PTS masuk ke dalam sel,
tetap nampak seperti glukosa di luar sel, tetapi sebetulnya menjadi glukosa-6-fosfat.
Contoh translokasi Phosplioenol piruvat (PEP) oleh E coli melalui sistem PTS yang
dipindahkan melalui protein enzim III dan enzim II lalu senyawa gula masuk ke sel
Gambar 3.2. Translokasi gugus
Implikasi Fisiologi Pertumbuhan Dan Kematian Mikrobia
Pertumbuhan mikrobia merupakan:
Suatu ekspresi fisiologi yang sangat penting untuk hidup bagi mikrobia.
Kemampuan berkermbangbiak sebagai kriteria utama untuk menentukan apakah
mikroibia itu hidup atau mati.
Refleksi kinerja struktur yang terkoordinasi
Fenomena dinamika populasi yang dapat memberikan pengaruh negatif terhadap
jasad hidup lain, maka perlu dipelajari agar dapat dikendalikan pertumbuhannya.
Dengan mempelajari proses pertumbuhan mikrobia dapat dimengerti tentang faktor
kritikal yang terlibat di dalam pertumbuhan dan metabolisme sel, serta respons sel
terhadap perubahan lingkungan.
Sifat pertumbuhan mikrobia
Pertumbuhan mikrobia mengimplikasikan :
Peningkatan volume protoplasma
Pembentukan struktur baru dan
Pembentukan sel baru atau perbanyakan mikrobia yang dipengaruhi oleh faktor
Iingkungan.
Bagaimana mikrobia memberi tanggapan terhadap lingkungan yang tidak sesuai?
Apabila Iingkungan mendukung semua komponen meningkat secara proposional,
maka pertumbuhannya adalah seimbang.
Apabila lingkungan tidak mendukung pertumbuhan, sehingga tidak terjadi
peningkatan komponen sel yang tidak proporsional dan komponen sel baru
meningkat secara tidak konstan, maka pertumbuhan tersebut tidak seimbang.
Aktivitas sintesis mikrobia menunjukkan suatu bentuk pertumbuhan, maka ada
pandangan yang perlu diperhatikan:
1. Seberapa besar pertumbuhan dapat terjadi
2. Seberapa cepat pertumbuhan berlangsung
Hasil pertumbuhan yang diperoleh dapat diukur dan kecepatan pertumbuhan dapat
diukur dan ditingkatkan.
Kedua parameter tersebut sangat penting untuk menentukan faktor kritikal yang
mempengaruhi proses pertumbuhan. Pertumbuhan mikrobia dapat digunakan untuk:
1. Memproduksi dan mengawetkan makanan.
2. Sintesis antibiotik, etanol, vitamin, asarn amono dan enzim.
3. Mengolah Iimbah dan detoksiflkasi.
4. Bagaimana cara reproduksi mikrobia sangat menarik dan perlu diketahui.
Fisiologi pertumbuhan ini penting untuk dpelajari karena merupakan dasar tidak hanya
mempelajari pertumbuhan sel di tingkat mikrobia tetapi juga untuk memahami faktor
umum yang mempengaruhi pengendalian pertumbuhan berbagai tipe sel hidup
Apakah pertumbuhan itu ?
Pertumbuhan mikrobia meliputi
1. Pertumbuhan secara individu merupakan pertambahan komponen sel, ukuran sel,
setelah ukuran sel maksimal baru memperbanyak diri melalui pembelahan sel.
Pembelahan atau divisi sel merupakan syarat utama pada pertumbuhan mikrobia.
2. Pertumbuhan populasi yaitu pertambahan jumlah sel dan peningkatan aktivitas
poputasi mikrobia.
Pertumbuhan sel Individu Mikrobia
Pertumbuhan sel melibatkan pembelahan yang tidak lepas dan siklus hidup sel.
Mengapa sel mikrobia membelah?
Pembelahan sel adalah faktor kritikal untuk memahami sel hidup, maka perlu diketahui:
1. Hubungan antara ukuran sel dan pembelahan sel; semakin kecil ukuran sel semakin
tinggi rasio permukaan dengan volume sel. Semakin kecil sel semakin tinggi
aktivitas metabolik semakin cepat dan hasil akhir metabolisine mudah diambil.
2. Sifat karakteristik komponen sel yang dapat bereplikasi; berkaitan dengan kontrol
genetik.
3. cara dan karakter replikasi komponen sel, dihubungkan dengan proses Selular
4. Kebutuhan minimal suatu komponen untuk fungsi selular.
Siklus sel Mikrobia
Siklus sel adalah proses dalam sel yang sangat esensial untuk pertumbuhan
dan pembelahan sel. Di dalarn proses tersehut in ncakup peningkatan ukuran,
komponen dan pembelahan untuk membentuk sel anakan. Proses pertumbuhan
mencakup tiga fase yaitu:
1. Fase C (replikasi kromosom): fase dimana kromosom baru disintesis
2. Fase G (gap, variabel): fase dimana segregasi kromosorn terjadi Segregasi
kromosom menyebabkan DNA menempel pada sisi membran sitoplasma yang
berdekatan
3. Fase D (divisi atau pembelahan): Pembentukan septa diantara dua sel baru dan sel
membelah menjadi dua sel
Beberapa bakteri, algae dan protozoa mengalami pembelahan biner membentuk sel
anakan yang identik, namun demikian beberapa sel mikrobia membelah secara
asimetri, sehingga sel anakannya tidak identik.
Contoh :
• Pembelahan sel Caulobacter diawali dengan membentuk sel bertangkai dan sel
bergerak aktif.
• Pada pembelahan sel diatomae menghasilkan sel anakan lebih kecil hasil
meiosis dan auksospora hasil perkecambahan yang bentuknya lebih besar.
• Beberapa kharnir membentuk tunas, kecuali Schizosaccharoinyces mengalami
pembelahan.
• Beberapa
bakteri
filamentous
(aktinomisetes)
berkembang
biak
dengan
membentuk rantai konidiospora yang terjadi di ujung filamen.
Siklus Sel Bakteri
Bakteri pada umumnya berkembangbiak melalui pembelahan biner, artinya sel
induk membelah menjadi dua sel anakan yang identik. Masing-masing sel anakan
tersebut membelah dan menghasilkan dua sel anakan lagi, dan seterusnya. Proses
tersebut diatas disebut siklus sel.
Siklus sel diawali dengan peningkatan sel yang kemudian mulai terjadi replikasi
DNA yang akan diwariskan kepada dua sel turunannya (Gambar 3.3).
Gambar 3.3. Diagram pembelahan biner pada bakteri
Pembentukan dinding dan membran sel baru:
• terpusat di bagian ekuatorial sel pada sekitar mesosom yang menjadi tempat
perlekatan DNA pada membran sel.
• sintesis senyawa penyusun dinding sel baru yang dapat dilihat jelas teknik
pengecatan immunofluorescens. Preparasinya menggunakan antibodi dinding
sel, untuk membedakan sintesis dan sel lama dan baru.
Contoh pembentukan dinding sel dan membran baru dapat diamati dengan mikroskop
elektron pada Streptococcus faecalis.
Kinetika Pertumbuhan Bakteri
Kinetika pertumbuhan sel menggambarkan populasi mikrobia dan suatu bahan,
mendapatkan gambaran populasi mikrobia perlu dilakukan penentuan jumlah mikrobia,
baik secara langsung dengan mikroskopi atau secara tidak langsung berdasarkan
aktivitas metabolik. Secara mikroskopi nampak bahwa sel individu mikrobia bertambah
secara linier dengan waktu.
Ketika satu sel bakteri diinokulasikan kedalam medium pertumbuhan, sel akan:
mengakumulasi nutrien
mensintesis konstituen sel baru dan tumbuh
mereplikasi bahan genetik
mensintesis dinding sel baru dan membelah.
Seperti pada gambar 3.2., satu sel membelah menjadi dua sel dan masing-masing sel
membelah
lagi
yang
akhirnya menjadi
empat
disebut
seagai pertumbuhan
eksponensial. Waktu yang diperlukan sel untuk membelah atau populasi menjadi
berganda disebut waktu generasi (g) atau waktu berganda (td). Kecepatan suatu
bakteri tumbuh disebut kecepatan pertumbuhan spesifik (µ).
Waktu generasi ini bervariasi tergantung kondisi Iingkungan; temperatur dan
lainnya. Bakteri pada umumnya mempunyai waktu generasi sekitar 1 - 3 jam, dan
beberapa bakteri memerlukan waktu lebih dan 24 jam per generasi.
atau 2n
Kalau jumlah awal 1 sel :
Jumlah awal sel x 2n = jumlah sel
Jumlah akhir sel (Xt) adalah:
Untuk mengkalkulasi jumlah generasi (n), maka jumlah sel harus dikonversikan ke
logaritmik (log 10 atau Log2 = 0,301)
Log jumlah set akhir (Xt)- Log jumlah set akhir (X0)
Jumlah generasi (n) =
0,301
Waktu generasi (n) dapat dikalkulasi :
60 menit x jam
Jumlah generasi (n)
_ 0.301
Kecepatan Pertumbuhan dapat diukur dengan persamaan berikut ini:
Kecepatan pertumbuhan spesifik
(µ) = 0.69/td
Contoh : - Kecepatan tumbuh spesifik E. coli bila ditumbuhkan pada medium kaya dan
cukup aerasi pada temperatur 37 °C mampu membelah tiap 20 menit, sedangkan
waktu yang diperlukan untuk mensintesis turunan kromosom sekitar 40 menit. Siklus
terpendek untuk E. Coli seharusnya sekitar 60 menit. Dengan demikian DNA baru basil
replikasi DNA harus diinisiasi setiap 20 menit, meskipun sikius sel belum sempurna.
* Mycobacterium tuberculosis mempunyai waktu generasi maksimum 18 jam.
Kurva pertumbuhan bakteri
Teknik yang paling baik untuk mendapatkan kultur mikrobia dengan biomasa
hasil metaboliknya yang tinggi adalah dengan menumbuhkan mikrobia dalam medium
cair. Teknik tersebut dikenal dengan Kultur sekali unduh (Batch culture).
Pertumubuhan bakteri di dalam medium cair menunjukkan pola pertumbuhan yang
spesifik disebut kurva pertumbuhan bakteri. Selama pertumbuhan terjadi empat fase
pertumbuhan :
1. Fase lag : fase setelah inokulasi dimana sel bakteri beradaptasi pada medium. Pada
fase ini sel tidak dorman tetapi populasi bakteri mulai aktif mensintesis
DNA dan ensim.
2. Fase eksponensial (log): fase dimana bakteri tumbuh konstan dan menunjukkan
garis linear apabila diplot antara logo jumlah sel versus waktu. reproduksi
selular paling aktif dan waktu generasi mencapai konstan. pada fase log
sel paling aktif melakukan metabolisme dan menghasilkan produk paling
efisien. Akan tetapi, mikrobia sangat sensitif terhadap perubahan
lingkungan (Radiasi dan antibiotika)
3. stasioner: fase dimana nutrien mulai habis dan metabolit toksik terakumulasi di
dalam medium sehingga terjadi penghambatan jumlah sel.
4. Fase kematian: fase dimana jumlah sel menurun karena sel mengalami lisis.
Gambar 3.4. Kurva pertumbuhan bakteri dengan empat fase pertumbuhan yang tipikal
Kematian Mikrobia
Kematian mikrobia dapat diukur dengan mententukan proporsi sel total dengan
sel yang masih hidup pada satuan waktu tertentu. Pada kondisi tertentu kematian sel
adalah logaritmik. Pada fase ini populasi berhenti menjadi fraksi yang sangat kecil atau
mati sama sekali. Karena ada perubahan kondisi lingkungan, kematian logaritmik
terhenti dan kultur menjadi steril atau hanya beberapa sel yang dapat bertahan hidup.
Kematian mikrobia dapat disebahkan oleh pengaruh agensia pengendali fisik,
kimia dan biologi. Mekanisme kematian akibat berbagai agensia, meliputi:
Kehilangan permeabilitas membran sitoplasma karena kerusakan pada lapisan
lipida atau protein membran, sehingga sel menjadi bocor.
Merusak protein dan asam nukleat,
• khususnya ensim yang bentuknya dijaga dengan adanya ikatan kimia. Beberapa
ikatan tersebut adalah H yang mudah rusak karena panas atau senyawa kimia
tertentu, menyebabkan denaturasi protein.
• Asam nukleat (DNA, RNA) pembawa informasi genetik dapat rusak oleb panas,
radiasi atau senyawa kimia, sehingga menyebabkan kematian; atau sel tidak
dapat bereplikasi, atau tidak mampu mensintesis ensim.
Beberapa jenis mikrobia mampu beradaptasi terhadap faktor lingkungan yang ekstrim
dan bahkan menyebabkan resisten. Mikrobia yang berspora lebih tahan terhadap
faktor fisik dan kimia yang ekstrirn dibandingkan sel vegetatif. Sifat resisten mi
disebabkan beberapa faktor antara lain, spora istirahat kurang bersifat permeabel
terhadap pelarut, enzim selama sporulasi lebih tahan terhadap panas, stabilitas
struktur karena mengandung kalsium dipikolinat pada spora konsentrasi tinggi.
Susunan DNA berbeda dibanding sel vegetatif, DNA lebih efisien mensintesis enzim
sesudah spora berkecambah.
Kultur kontinyu
Mengapa pertumbuhan eksponensial berhenti, belum diketahui dengan pasti.
untuk mempertahankan pertumbuhan bakteri selalu dalam fase eksponensial,
pertumbuhan mikrobia dapat dilakukan dengan alat yang disebut kemostat. Dengan
menumbuhkan bakteri di dalam kemostat atau sistem kultur berkesinambungan
kontinyu) dimana media baru selalu ditambahkan secara konstan ke dalam kemostat,
ada tiga hal dicapai:
1. Populasi mikrobia konstan sepanjang waktu inkubasi,
2. Lingkungan terjaga konstan,
3. Kecepatan tumbuh dan konstan dan terkendali.
Untuk mikrobia yang tumbuh lambat: kecepatan pengambilan medium dan
mikrobia harus proporsional rendah, sehingga kultur tidak akan terbawa (washed
out)
Untuk populasi mikrobia yang rendah tetapi tumbuh cepat. kecepatan
pengenceran harus cepat :
• Kecpatan pertumbuhan dibatasi oleh konsentrasi nutrien yang sangat rendah
• pertumbuhan yang lebih cepat dan banyak, kecepatan pengenceran harus
ditingkatkan secara proporsional
• Hubungan antara populasi sel yang ada, kecepatan pengenceran, kecepatan
pertumbuhan dan perubahan populasi dinyatakan dalam persamaan berikut
ini:
dX/dt=µX-DX ……………………………(1)
dX/dt=X(µ-D) …………………………….(2)
Keterangan dX: - perubahan populasi sel atau biomasa, sebagai fungsi perubahan
dalam waktu tertentu (aft)
- sama dengan perbedaan antara produk kecepatan turnbuh (µ) dan
populasi (X)
- produk kecepatan pengenceran populasi yang ada (DX)
Persamaan menyatakan suatu konsep bahwa pengenceran dan pertumbuhan
tergantung populasi atau biomasa yang tumbuh (Gambar 3.5).
Gambar 3.5. Pengaruh kecepatan pengenceran terhadap konsentrasi biomasa dan
nutrien dalam sistem kultur berkesinambungan kemostatik
ke
Morfogenesis dan Diferensiasi pada mikrobia
Morfogenesis
adalah
perkembangan
bentuk,
yang
merupakan
merupakan
proses
pembentuk struktur tertentu di dalam sel. Suatu contoh, pembentukan flagella adalah
proses morfogenetik.
Diferensiasi adalah proses dimana sel berubah bentuk dan atau fungsi. Proses
ini melibatkan serangkaian perubahan morfogenetik.
Contoh proses diferensisasi :
• Proses pembelahan sel (gambar 3.3)
• Pembentukan tangkai pada bakteri bertangkai (prosthecate
(prosthecate bacteria), coulobacter
proses differensiasi ini melibatkan pembelahan asimetris untuk membentuk tangkai.
(gambar 3.6)
Karakteristik sistem differensiasi
Differensiasi melibatkan serangkaian reaksi biokimia dan tahapan morfologi,
perubahana morfologi mikrobia mudah diamati dengan mikroskop elektron. Di dalam
sistem perkembangan mikrobia, tidak nampak jelas adanya perubahan informasi
genetik total,
tal, karena hasil akhir perkembangan (spora) kadang-kadang
kadang kadang kembali seperti
sel awal (vegetatif), tetapi tetap ada kontrol ekspresi informasi.
Perakitan : selama morfogenesis dan perkembangan selular, struktur baru terbentuk
pada bentuk yang lama. Oleh karena
karena itu perlu perakitan molekul sub unit menjadi
bentuk yang tepat.
Interaksi antar sel : beberapa sistem diferensiasi mikrobia hanya terjadi perubahan
di dalam sel itu sendiri (pembentukan endospora, gambar 2.15; sporulasi pada
khamir, perkecambahan spora). Kadang-kadang terjadi pula komunikasi internal.
Contoh : pembentukan zigospora pada Mucor sp. Hifa aerial yang mempunyai tipe
mating berbeda tumbuh tumbuh bersinggungan dan
saling berfusi membentuk
zigospora (gambar 3.7.).
Morfogenesis erat kaitannya dengan proses biokimia, sitologi dan proses genetik.
Gambar 3.7. Sikius bidup Mucor sp
Endosporarulasi bakteri sebagai model diferensiasi.
Salah satu contoh proses diferensiasi pada mikrobia adalah endosporasi
bakteri (gambar 2.15) dengan alasan:
1. Waktu yang digunakan hanya 7-10 jam sehingga setiap proses dapat diamati
2. Setiap tahapan berbeda
3. Dapat diamati melalui analisis biokimia dan sitologi serta sifat genetik
Aspek fisiologi dan genetika sporulasi
Sifat morfologi dan biokimia bakteri mengalami perubahan selama sporulasi
dikendalikan oleh 100 gen lebih. Gen yang berperan dalam sporulasi terletak disekitar
kromosom dan diantara dengan banyak gen yang belum diketahui peranannya dalam
sporulasi.
Sporulasi Bacillus substillis dikendalikan oleh beberapa gen.
Proses perkecambahan spora di alam tidak dapat diketahui dengan pasti. Di
laboratorium sporulasi dapat di aktivasi dengan pemanasan pada temperatur 6065°C selama 10 menit atau lebih. Selain itu aktivasi yang efektif untuk pembentukan
endospora adalah dengan perlakuan pH rendah, suhu rendah dan agensia kimia.
Persentase perkecambahan spora akan meningkat dengan perlakuan aktivasi.
Agensia aktivasi akan meningkatkan permeabilitas spora terhadap germinan.
Perkecambahan spora bakteri untuk rnenanggapi kondisi Iingkungan dan
agensia kimia menyebabkan perubahan struktur dari fisiologi spora secara cepat.
Hal ini disebabkan Kehilangan resistensi terhadap panas, fluktuasi ion, dan
pembebasan Ca2+ dan asam dipikolinat serta hidrolisa korteks peptidoglikan,
rehidrasi protoplas dan penurunan aktivitas metabolisme. Selama tahapan
perkecambahan dalam 6-8 menit warna sinar dan terang mejadi fase gelap.
Senyawa pemacu perkecambahan meliputi:
1. I-alanin dan yang analog a’anin
2. I-alanin + inosin atau ribonucleotide
3. Gula + ion senyawa anorganik senyawa anorganik saja.
4. Asparagin, glukose, fruktosa dan KCI (AGFK)
Ringkasan
Pada dasarnya differensiasi untuk mikrobia dan jasad tingkat tinggi hampir sama,
proses
diferensiasi
bervariasi
tergantung
jenis
rnikrobia
dan
Iingkungannya,
menunjukkan keanekaragarnan ekspresi dan kontrol genetik. Beberapa contoh
morfogenesis dan differensiasi pada mikrobia adalah pembentukan spora, figella,
siklus hidup bakteri bertangkai, induksi ensim dan sistem transport, modifikasi fungsi
fosfotransferase dan fenornena pertumbuhan diauksi.
Latihan Pertanyaan
1. Apa yang dimaksud dengan nutrisi? Sebutkan kelompok mikrobia berdasarkan
kebutuhan nutrisi?
2. Mengapa pertumbuhan bakteri, reproduksi dan siklus hidupnya adalah sinonim?
3. Bahas dengan singkat kurva pertumbuhan mikrobia dan apa yang terjadi pada
masing-masing fase pertumbuhan!
4. Jelaskan dari sudut molekular bagaimana sel hakteri mampu bertahan hidup pada
lingkungan ekstrim!
5. Bagaimana mikrobia mengalami kematian dan kapan mulai terjadi.
6. Apa yang dimaksud dengan morfogenesis dan differensiasi pada mikrobia. Berikan
contohnya.
7. Sebutkan proses biologi molekular yang terjadi selama mikrobia tumbuh termasuk
monogenesis dan differensiasi!