bakteri dan jamur pendegradasi nikotin dalam - Biotrends

BioTrends Vol.1 No.1 Tahun 2015
BAKTERI DAN JAMUR PENDEGRADASI
NIKOTIN DALAM TEMBAKAU
Winda Tasia
Laboratorium Biokatalis dan Fermentasi
Pusat Penelitian Bioteknologi LIPI
Email: [email protected]
P
erkembangan ilmu
pengetahuan dan kesadaran
hidup alamiah membuat
manusia kembali memegang konsep
kembali ke alam’ dalam
menyelesaikan berbagai masalah
mulai dari lingkungan, pangan, hingga
energi. Salah satu upaya manusia
untuk menata ulang sistem yang
sebelumnya telah seimbang di alam
adalah dengan memanfaatkan
mikroba. Kini, bakteri dan jamur pun
diketahui memiliki potensi dalam
memecahkan masalah kesehatan,
sosial dan budaya, ekonomi, serta
masalah lingkungan yang timbul
akibat salah satu gaya hidup manusia
saat ini, yakni merokok.
hingga kerusakan saraf dan otak bagi
orang yang terpapar senyawa
ini.Kedua, perekonomian keluarga
dengan satu atau lebih anggota
keluarga yang merokok dapat saja
terguncang. Menurut Peta Jalan
(Roadmap) Pengendalian Dampak
Konsumsi Rokok bagi Kesehatan
dalam Peraturan Menteri Kesehatan
Republik Indonesia Nomor 40 Tahun
2013, sebagian besar perokok adalah
keluarga miskin, sehingga akan
mempersulit upaya penanggulangan
kemiskinan. Dampak yang ketiga
adalah kerusakan lingkungan.
Permintaan yang tinggi terhadap
produk yang dibawa masuk bangsa
Eropa ke negara-negara Islam
termasuk Indonesia ini, berbanding
lurus dengan pertumbuhan industri
rokok dunia dan limbah yang
dihasilkan. Raman dan Sakhtivel
Konsumsi Rokok yang Berlebihan
dan Dampaknya
Kebiasaan mengonsumsi tembakau
sebagai rokok atau produk sejenisnya
telah dilakukan suku asli Amerika
sejak sebelum abad ke-15. Hanya
saja, penggunaannya ditujukan untuk
pengobatan ataupun penghormatan
kepada tetua suku dan dalam acaraacara adat khusus saja. Bila
dibandingkan dengan saat ini, tidak
berlebihan jika konsumsi tembakau
sekarang dikatakan kelebihan dosis
dan mengalami pergeseran fungsi.
Konsumsi rokok per kapita per tahun
di Indonesia adalah 1108 batang.
Sebagai pembanding, dilansir dari
Tempo.co (2013), harga sebatang
rokok hampir sama dengan harga
sebutir telur, namun konsumsi telur di
Indonesia hanya 87 butir per kapita
per tahun.
Hal yang dapat dikritisi selanjutnya
adalah dampak dari fenomena
tersebut. Pertama, masalah kesehatan
para perokok aktif maupun pasif yang
terpapar asap rokok. Tar dalam asap
rokok dapat meningkatkan risiko
penyakit kanker paru-paru dan
emfisema pada orang yang terpapar,
karbon monoksida berkaitan dengan
penyakit kardiovaskular, sedangkan
sianida menyebabkan pusing, muntah,
Gambar 1. Jalur metabolisme piridin oleh bakteri Gram positif dalam mendegradasi nikotin.
Sumber: Raman dan Sakhtivel, 2013
1
BioTrends Vol.1 No.1 Tahun 2015
(2013) melaporkan bahwa lebih dari
300.000 ton limbah organik tembakau
dihasilkan dalam setahun di seluruh
dunia. Sejumlah 90-95% dari total
alkaloid tembakau adalah nikotin yang
bersifat larut dalam alkohol, eter, dan
minyak tanah, serta sangat larut
dalam air. Kelarutannya membuat
nikotin berisiko mengalami leaching
(pencucian) selama masa
penyimpanan limbah tembakau yang
menumpuk. Nikotin yang tercuci dari
limbah tembakau dapat mengalir (runoff) ke dalam badan air sehingga
membahayakan makhluk hidup dan
lingkungan (Piotrowska-Cyplik dkk.,
2009).
Merujuk pada risiko-risiko yang
ditimbulkan dari kebiasaan merokok,
tidak sedikit upaya yang dilakukan
untuk menurunkan tingkat
konsumsinya di masyarakat, seperti
dengan proses terapi.Salah satu terapi
untuk menghentikan kebiasaan
merokok adalah dengan menurunkan
kadar nikotin yang dikonsumsi secara
perlahan, baik dengan mengurangi
intensitas merokok maupun dengan
mengonsumsi produk tembakau
rendah nikotin. Dinas Kesehatan Kota
Yogyakarta bekerjasama dengan Quit
Tobacco Indonesia, Fakultas
Kedokteran Universitas Gadjah Mada,
membuka Klinik Berhenti Merokok
(KBM) pada 2009 di seluruh
puskesmas di Kota Yogyakarta.
Menurut bogor.antaranews.com,
seluruh puskesmas di Kota Bogor pun
telah dapat menerima konseling untuk
berhenti merokok, dan pada 2014
KBM telah tersebar di seluruh
Indonesia dengan satu tenaga terapis
di setiap puskesmas. Meski demikian,
pasien yang datang karena kemauan
sendiri masih relatif sedikit. Sebagian
besar pasien KBM merupakan pasien
rujukan dari poli umum dan poli gigi,
maupun pasien yang memiliki
gangguan paru-paru akibat merokok.
Bakteri dan Jamur Menjadi Solusi
Selain pemberian motivasi dan
pengobatan terhadap perokok, banyak
pula penelitian untuk menemukan
metode paling efektif dan ekonomis
guna menurunkan konsentrasi nikotin
pada tembakau. Tembakau tersebut
nantinya akan menjadi bahan baku
pembuatan rokok rendah nikotin yang
dapat digunakan dalam terapi berhenti
merokok. Aplikasi bakteri dan jamur
pada daun tembakau pasca panen
dengan memanfaatkan proses
biodegradasi menjadi metode yang
potensial jika dibandingkan dengan
pemberian perlakuan fisik atau kimia.
Penggunaan bakteri dan jamur dinilai
lebih efektif dan efisien dalam
menurunkan konsentrasi nikotin pada
daun tembakau. Menurut Kurola
(2006), mikroorganisme dapat
mendegradasi senyawa organik
hingga mineralisasi menghasilkan
produk akhir berupa senyawa organik
yang sederhana, seperti H2O, CO2,
CH4, dan NH4+. Di sisi lain,
biodegradasi senyawa organik juga
dapat berlangsung sebagian dengan
mentransformasi struktur utama
senyawa organik tersebut dan
membentuk molekul baru (metabolit),
yang toksisitasnya lebih rendah atau
dapat pula lebih tinggi dibandingkan
senyawa awal.
Arthrobacter nicotinovorans dan
Achromobacter nicotinophagum
diketahui sebagai bakteri Gram positif
yang dalam metabolismenya akan
terlebih dahulu memecah cincin piridin
pada senyawa nikotin. Arthrobacter
sp. dilaporkan Li dkk. (2011) berhasil
menurunkan konsentrasi nikotin
sebesar 28-39%. Bakteri dengan
metabolisme seperti itu menghasilkan
metabolit yang tidak toksik dengan
banyak cabang, yang dapat berakhir
di siklus asam sitrat maupun jalur
Embden-Meyerhof. Brandsch (2006)
mengemukakan bahwa enzim-enzim
dalam jalur piridin dapat diimmobilisasi
untuk teknologi penyaring udara
tercemar asap rokok.
Terdapat pula bakteri Gram negatif
yang menggunakan metabolisme
pirolidin dalam melahap nikotin.
Berkebalikan dengan metabolisme
piridin, bakteri seperti Pseudomonas,
Shigella, Ensifer, Agrobacterium, dan
Acinetobacter akan terlebih dahulu
memotong ikatan cincin pirolidin dari
kerangka nikotin. Bakteri kelompok itu
memiliki efisiensi dan efektivitas
degradasi nikotin yang tinggi, dengan
kisaran 0,5-4 g/l nikotin didegradasi
83-100% selama 3-48 jam. Bakteri
yang menggunakan jalur tersebut
sangat banyak serta memiliki
kemampuan dan kondisi optimal yang
beragam sehingga modifikasi
lingkungan dan biaya yang
dikeluarkan dalam aplikasinya menjadi
minimal.
Selain itu, salah satu metabolit dari
metabolisme nikotin dengan jalur
pirolidin adalah 6-hidroksi-3-suksinoil
piridin yang dapat diproses lebih
lanjut untuk keperluan produksi agen
anti-Parkinson dan sintesis molekul
analgesik. Terdapat pula metabolit
dihidroksipiridin yang dapat digunakan
sebagai bahan baku dalam sintesis
asam 5-aminolevulinik. Hasil sintesis
tersebut merupakan prekursor untuk
porifirin dan juga dapat diaplikasikan
sebagai hormon pertumbuhan
tanaman dan dalam perawatan
penyakit kanker (Wang dkk., 2012; Yu
dkk., 2014). Metabolisme nikotin
melalui jalur pirolidin juga
menghasilkan produk samping berupa
ammonium yang berguna untuk
meningkatkan kandungan nitrogen di
tanah penanaman. Dengan demikian,
limbah daun tembakau pun dapat
dimanfaatkan sebagai kompos dengan
aplikasi bakteri Gram negatif
pendegradasi nikotin.
Tak cukup bakteri, peran jamur juga
terungkap. Aspergillus oryzae 112822
dan Microsporum gypseum mampu
mendegradasi nikotin hingga 2 g/l
dalam 40 jam.
Aplikasi Mikroba Pendegradasi
Nikotin
Beberapa bakteri pendegradasi nikotin
telah diuji aplikasinya untuk
mengurangi konsentrasi nikotin pada
daun tembakau. Sel istirahat (resting
cells) bakteri diaplikasikan dengan
cara disemprotkan pada daun
tembakau saat masa fermentasi daun
(aging) pada suhu 37° C. Hasilnya,
Pseudomonas stutzeri ZCJ mampu
menurunkan konsentrasi nikotin
sebesar 32,24% pada daun tembakau
dalam waktu 7 hari (Zhao dkk., 2012)
dan Acinetobacter sp. ND12 dapat
Gambar 2. Jalur metabolisme pirolidin oleh bakteri Pseudomonas sp. dalam mendegradasi nikotin.
Sumber: Tang dkk., 2013
2
BioTrends Vol.1 No.1 Tahun 2015
mendegradasi 90% nikotin pada daun
tembakau (Li dkk., 2011). Wang dkk.
(2004) pun melaporkan bahwa
Pseudomonas putida S16 dapat
mendegradasi 56 mg nikotin dalam 1
jam dengan 1 gram sel kering. Selain
itu, senyawa 4-hidroksi-1-(3piridinil),1-butanon sebagai produk
samping P. putida S16 juga dapat
dimanfaatkan sebagai biomarker
penyakit kanker paru-paru (Raman
dan Sakthivel, 2013).
Bakteri Gram negatif lainnya adalah
Pseudomonas geniculata N1. Bakteri
tersebut memiliki kemampuan
mendegradasi nikotin yang sangat
tinggi, yaitu 3 g/l dalam 3 jam.
Kemampuan tersebut diduga karena
terdapat banyak gen pengkode
multidrug efflux pump. Multidrug efflux
pump merupakan protein pemindah
(transporter) yang dapat
mengeluarkan senyawa beracun dari
dalam sel bakteri, sehingga
memungkinkan P. geniculata N1
memiliki kapasitas penyerapan nikotin
yang tinggi (Liu dkk., 2013).
Cara lain untuk mengaplikasikan sel
mikroba pendegradasi nikotin telah
diujicobakan oleh Li dkk. (2011)
dengan merendam daun tembakau
dalam kultur sel. Daun tembakau
setelah proses pemanenan atau
sebelum proses pengeringan
direndam dalam kultur Acinetobacter
sp. ND12 selama 11 jam. Metode
tersebut menghasilkan daun
tembakau yang konsentrasi nikotinnya
menurun hingga 90%.Lei dkk. (2009)
menguji sel Ensifer sp. N7 pada daun
tembakau matang yang telah dipanen
dan memperoleh hasil berupa
penurunan konsentrasi nikotin sebesar
16% per daun selama 6 jam
pengaplikasian. Metode fermentasi
fase padat (solid-state fermentation)
juga dapat diaplikasikan pada daun
tembakau yang telah melalui proses
pengeringan (Ma dkk., 2014). Meski
efektif menurunkan konsentrasi nikotin
dan berpotensi dikembangkan dalam
skala yang lebih besar, aplikasi
biodegradasi nikotin untuk kebutuhan
industri rokok dan produk sejenisnya
masih sulit diterapkan terkait perihal
keamanan pangan.
Potensi Aplikasi Masa Depan
Jalan keluar dari perihal keamanan
pangan adalah dengan
mengaplikasikan enzim yang berperan
dalam proses biodegradasi nikotin
dibandingkan dengan
mengaplikasikan sel. Hal tersebut
seperti yang telah dilakukan oleh
Chen dkk. (2008) yang berhasil
menurunkan konsentrasi nikotin pada
daun tembakau tanpa menghilangkan
aromanya. Enzim yang diaplikasikan
adalah enzim kasar (crude enzyme)
dari bakteri pendegradasi nikotin.
Pengaplikasian tersebut telah dapat
menghasilkan rokok dengan rasa dan
aroma yang lebih baik dibandingkan
tanpa perlakuan. Hal itu membuat
penelitian mengenai ekstraksi dan
pemurnian enzim serta aplikasinya
pada daun tembakau perlu dilakukan
lebih lanjut.
Tabel 1. Enzim-enzim yang berperan dalam metabolisme nikotin oleh mikroba beserta potensinya di berbagai
bidang
Enzim
Peran
Potensi
Nikotin dehidrogenase
Menghidroksilasi karbon keenam
cincin piridin nikotin menjadi 6hidroksinikotin (6-HN)
6-hidroksi-L-nikotin oksidase dan 6hidroksi-D-nikotin oksidase (6HDNO)
Mengoksidasi karbon kedua cincin
pirolidin 6-HN menjadi 6-hidroksi-Nmetilmiosmin
Operator site dari 6-HDNO untuk
mengatur ekspresi sel mamalia
terhadap 6-hidroksi-nikotin
3-suksinoil piridin monooksigenase
Menghidroksilasi karbon keenam 3suksinoil piridin membentuk 6hidroksi-3-suksinoil piridin (HSP)
HSP selanjutnya dapat diproses
untuk produksi agen anti-Parkinson
dan sintesis molekul analgesik yang
analog dengan epibatidine
6-hidroksi-3-suksinoil piridin
hidroksilase
Memutuskan karbon ketiga rantai
HSP membentuk suksinat
semialdehid dan dihidroksipiridin
Dihidroksipiridin dapat digunakan
sebagai bahan baku sintesis asam
5-aminolevulinik untuk produksi
prekursor porphyrins dan hormon
pertumbuhan tanaman, serta untuk
perawatan penyakit kanker
Maleamat amidase
Deaminasi asam maleamat menjadi
asam maleat dan ammonium
Ammonium untuk meningkatkan
kandungan nitrogen dalam tanah
Metilen-tetrahidrofolat
dehidrogenase/siklohidrolase (FolD)
dan formiltetrahidrofolat deformilase
Mengoksidasi metilentetrahidrofolat
membentuk formaldehid
Formaldehid selanjutnya dapat
diasimilasi dalam jalur EmbdenMeyerhoff
Suksinat semialdehid dehidrogenase
Mengoksidasi suksinat semialdehid
menjadi asam suksinat
Asam suksinat selanjutnya dapat
masuk dalam siklus asam sitrat
(siklus Krebs)
Sumber: Raman dan Sakthivel, 2013
3
BioTrends Vol.1 No.1 Tahun 2015
Selain bagi industri rokok,
pengetahuan mengenai proses
biodegradasi nikotin juga bermanfaat
dalam upaya pelestarian lingkungan,
misalnya dalam pengolahan limbah
tembakau padat atau cair serta proses
bioremediasi tanah dan air yang
tercemar limbah tembakau. Selain itu,
sel istirahat bakteri atau jamur
pendegradasi nikotin dapat pula
diaplikasikan sebagai agen
pengomposan limbah (Wang dkk.,
2004; Wang dkk., 2013).
Pengaplikasian sel istirahat pada
limbah tembakau padat berhasil
menurunkan konsentrasi nikotin pada
limbah hingga 98% dengan
konsentrasi maksimal 0,65 g
nikotin/jam/g berat kering sel (Wang
dkk., 2009). Metode tersebut termasuk
proses biokonversi karena juga dapat
menghasilkan senyawa yang bernilai
bagi bidang farmasi dan kesehatan.
Referensi
bogor.antaranews.com.
2014.(http://bogor.antaranews.co
m/berita/7242/klinik-konselingberhenti-merokok-hadir-dibogor). Diaksespada 12 Mei
2015.
Brandsch, R. 2006. Microbiology and
chesmistry of nicotine
degradation. Appl. Microbiol.
Biotechnol. 69: 493—498.
Chen, C., X. Li, J. Yang, X. Gong, B.
Li, dan K. Zhang. 2008. Isolation
of nicotine-degrading bacterium
Pseudomonas sp. Nic22, and its
potential application in tobacco
processing.
Kurola, J. 2006. Microbial activities in
boreal soils: biodegradation of
organic contaminants at low
temperature and ammonia
oxidation. Faculty of Biosciences
University of Helsinki, Helsinki.
Lei, L., W. Zhang, H. Wei, Z. Xia, dan
X. Liu. 2009. Characterization of
a novel nicotine-degrading
Ensifersp. strain N7 isolated from
tobacco rhizosphere. Annals of
Microbiology 59(2): 247—252.
Tang, H., L. Wang, W. Wang, H. Yu,
K. Zhang, Y. Yao, dan P. Xu.
2013. Systemic unraveling of the
unsolved pathway of nicotine
degradation in Pseudomonas.
PLOS Genetics 9(10): 1—12.
tempo.co. 2013.
(http://www.tempo.co/read/news/
2013/09/25/092516565/OrangIndonesia-Pilih-MerokokKetimbang-Makan-Ayam).
Diaksespada 13 Mei 2015.
Li, H., Y. Duan, G. Ma, L. Lei, K.
Zhang, dan J. Yang. 2011.
Isolation and characterization of
Acinetobactersp. ND12 capable
of degrading nicotine. African
Journal of Microbiology Research Wang, S., H. Huang, K. Xie, dan P.
5(11): 1335-1341.
Xu. 2012. Identification of
nicotine biotransformatioin
intermediates by Agrobacterium
Liu, Y., L. Wang, K. Huang, W. Wang,
tumefaciensstrain S33 suggests
X. Nie, Y. Jiang, P. Li, S. Liu, P.
Xu, H. Tang. 2013. Physiological
a novel nicotine degradation
and biochemical characterization
pathway. Appl. Microbiol.
of a novel nicotine-degrading
Biotechnol. 95: 1567—1578.
bacterium Pseudomonas
geniculataN1. PLOS One 9(1):
Wang, S. N., P. Xu, H. Z. Tang, J.
1—9.
Meng, X. L. Liu, J. Huang, H.
Chen, Y. Du, dan H. D.
Ma, Y., Y. Wei, J. Qiu, R. Wen, J.
Blankespoor. 2004.
Hong, dan W. Liu. 2014.
Biodegradation and detoxification
Isolation, transposon
of nicotine in tobacco solid waste
by a Pseudomonas sp.
mutagenesis, and
characterization of the novel
Biotechnology Letters 26: 1493—
nicotine-degrading strain
1496.
Shinellasp. HZN7. Appl.
Microbiol. Biotechnol. 98: 2625— Wang, S. N., Z. Liu, H. Z. Tang, J.
2636.
Meng, dan P. Xu. 2009.
Characterization of
Piotrowska-Cyplik, A., A. Olejnik, P.
environmentally friendly nicotine
degradation by Pseudomonas
Cyplik, J. Dach, dan Z.
putidabiotype A strain S16.
Czarnecki. 2009. The kinetics of
nicotine degradation, enzyme
Microbiology 153: 1556—1565.
activities and genotoxic potential
in the characterization of tobacco Wang, X., L. Tang, Y. Yao, H. Wang,
waste composting. Biosource
H. Min, dan Z. Lu. 2013.
Technology 100: 5037—5044.
Bioremediation of the tobacco
waste-contaminated soil by
Pseudomonas sp. HF-1: nicotine
Raman, G. dan N. Sakthivel. 2013.
Current status on biochemistry
degradation and microbial
and molecular biology of
community analysis. Appl.
microbial degradation of nicotine.
Microbiol. Biotechnol. 97: 6077—
The Scientific World Journal
6088.
(2013): 1—15.
4
5