kimia dan bioteknologi dalam resistensi antibiotik

ISBN:979363167-8
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
1Prodi
Sri Mulyani1,*
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
banyak memberikan resep antibiotik untuk
untuk memblok beberapa proses-proses
Sejak ditemukannya antibiotik dokter
mengobati infeksi penyakit. Antibiotik adalah
senyawa kimia baik yang merupakan pruduk
alami
maupun
yang
disintesis
yang
digunakan untuk menyetop pertumbuhan
bakteri
dan
membunuhnya.
atau
jamur
Antibiotik
atau
untuk
digolongkan
sebagai bakeriostatik bila dapat menyetop
pertumbuhan bakteri dan sebagai
bakteri mati. Antibiotik antibakteri didisain
krusial dalam sel bakteri secara selektif [14]. Namun penggunaan antibiotik bila tidak
dilakukan secara benar dan tepat dapat
menimbulkan resistensi antibiotik.
Resistensi antibiotik saat ini menjadi
masalah kesehatan dunia yang serius baik
di
negara
maju
maupun
negara
ber-
kembang, mengimbangi masalah energi.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
20
ISBN:979363167-8
Bahaya resistensi antibiotika merupakan
salah satu ancaman kesehatan masyarakat.
Saat ini banyak bakteri yang telah
mengalami
resistensi
Penyebaran
bakteri
sehingga
kurang
responsif terhadap pengobatan antibiotika.
masalah
besar,
penyakit
pengobatan
sulit
ini
karena
untuk
menjadi
memunculkan
menyebabkan
diobati,
lebih
biaya
mahal
dan
memungkinkan hadir jenis penyakit infeksi
baru yang lebih sulit diobati. Masalah ini
menjadi masalah kesehatan dunia dan
harus
ditangani
secara
terpadu
dan
mendesak. Berkaitan dengan hal ini WHO
sudah memperingatkan bahwa infeksi
yang umum terjadi bisa tidak memiliki
obat lagi di masa yang akan datang [5].
Berdasarkan
hal
tersebut
WHO
ANTIBIOTIK ANTIBAKTERI
Antibiotik
menjadi
2
antibakteri
yaitu
digolongkan
bakteriostatik
dan
bakterisidal yang pengaruhnya terhadap
kurva pertumbuhan bakteri disajikan dalam
gambar 1. Pembagian bakteriostatik dan
bakterisidal ini tergantung dari konsentrasi
obat,
spesies
bakteri
dan
fase
perkembangannya. Pembagian ini diman-
faatkan untuk pemilihan antibiotika bagi
pasien
tertentu.
status
imunologi
Antibiotika
bakterisid
misalnya diperuntukan bagi pasien dengan
yang
rendah
seperti
penderita HIV-AIDS, pada pasien pembawa
kuman (carrier), dan pada pasien berkondisi
sangat lemah, pasien-pasien end-stage [6].
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.
hal
Di sini
yang
ini akan disajikan beberapa
berkaitan
dengan
antibiotik
antibiotik,
kajian
pustaka
antibakteri, sintesis dinding sel bakteri,
resistensi
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
hasil
penelitian
yang
sudah
Gambar 1: Kurva pertumbuhan bakteri yang
diberi antibiotik bakteriostatik dan
bakterisidal dibandingkan dengan
kontrol. (Sumber: Scholar & Pratt [7]).
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
ISBN:979363167-8
Tabel 1. Contoh klas Antibiotik dan
Klas
Cephalosporin
penggunaannya [4].
Contoh obat
Cefaclor,
cefuroxine
Penicillins
Amoxicillin,
ampicillin
Fluoroquinolon
Ciproflolacin,
ofloxacin
Macrolides
Clarithromycin,
erythromycin
Tetracycline
Minocycline
Aminoglycoside
Gentamicin
Glycopeptide
Vancomycin
Antibiotik
systemik
lainnya
Imipenem,
rifampin
Infeksi
Bronkhitis,
pneumonia,
meningitis
Pneumonia,
septicemia,
bronkhitis
Toxic shock
syndrome,
meningitis
Toxic shock
syndrome,
meningitis
Infeksi saluran
urin, pelvic
inflammatory
disease
Infeksi
intestinal,
septicemia
Infeksi
intestinal
Bronkhitis,
tuberkulosa
Tabel 2. Contoh treatment awal dengan
antibiotic [4].
Infeksi
Patogen
Pneumoni
ae dari
masyarakat
Streptoco
ccus
pneumoni
ae
Pneumoni
ae dari RS
Bakteri
gram
negatif /
Staphyloc
occus
Meningitis
S.
pneumoni
ae /
Neisseria
meningitid
is
Sepsis
syndrome
Infelksi
urinary
tract
Tuberculosis
bacilli
gram - ;
cocci
gram +
(MRSA)
Bakteri
gram –
seperti E.
coli
Mycobact
erium
tuberculos
is.
Alasan pilihan terapi
awal
Pasien RS:
cephalosporin spektrum
luas / generasi ke-4
Pasien ambulan:
macrolide/fluoroquinolone
Untuk P. aeruginosa:
cephalosporin spektrum
luas / generasi ke-4,
imipenem,
aminoglycosida; Untuk
MRSA: vancpmycin
cephalosporin spektrum
luas + vancomycin +
rifampin
Cephalosporin +
aminoglycoside;
vancomycin
Sulfamethoxazole +
trimethoprim;
fluoroquinolones;
fosfomycin
Isoniazid + rifampin +
pyrizinamide +
ethambutol
Contoh antibiotik produk alam dan hasil
sintesis dapat dilihat dalam gambar 2.
Ada
beberapa
penggolongan
antibiotik, diantaranya berdasarkan struktur
dan targetnya. Berdasarkan targetnya anti-
biotik dikelompokkan menjadi 4: yaitu: (1)
menghambat
sintesis
dinding
sel,
(2)
menghambat
sintesis
protein,
dan
(4)
menghambat sintesis DNA dan RNA, (3)
menghambat sintesis asam folat. Contoh
antibiotik yang menghambat sintesis dinding
sel
adalah:
(a)
ß-Lactams
(Penicillins,
Cephalosporins), targetnya: enzim Transpeptidase/Transglycolase
(PBP),
(b)
Vancomycin, targetnya: ujung D-Ala-D-Ala,
dan
(c)
Teicoplanin,
targetnya:
Peptidoglycan dan Lipid II. Contoh antibiotik
yang menghambat sintesis protein, yaitu: (a)
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
kovalen pada sisi NAM (gambar 3).
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
secara
22
ISBN:979363167-8
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 masing-
masing 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).
D-Ala
D-Ala
P e p ti d e S i d e C h ai n
L-Lys
D-Glu
L-Ala
O
HO
O
Ac
NH
O
O
O
NH
CH3
Ac
NH
O
HO
HO
N - A c e tyl gl u c o s a m i n e N - A c etyl m ur a m i c a ci d
D i s a c c h a ri d e U n it
prenylphosphate
yang
berlokasi
pada
membran sitoplasma untuk membentuk lipid
I. NAG dari UDP-NAG kemudian diikatkan
sisi pada NAM dari lipid I dalam ikatan ß1,4-glycosidic linkage untuk membentuk lipid
II, yang masing-masing dikatalis oleh MraY
and MurG [9].
Pada S. aereus, lima residu glycine
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
N A G
N A M
unit dasar peptidoglycan
Gambar 3. Monomer struktur peptidoglycan
dan gambaran unit dasarnya
pada S. aureus [4].
dari lipid II diamidasi pada gugus -carboxyl
membentuk D-glutamin dengan menggunakan
Lglutamin
sebagai
donor
gugus
amino. Amidasi tidak esential untuk transfer
lipid II ke extra sitoplasma, tetapi mungkin
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
23
ISBN:979363167-8
mempengaruhi
urutan reactionnya [11] .
undecaprenyl-phosphate dengan menghi-
D-Ala ditranslokasi menyebrangi mem-brane
terikat pada membran membrane [4]. The
NAG-NAM-L-Ala-D-Gln-L-Lys(5Gly)-D-Alasitoplasma
ke
ekstra
sitoplasma.
Transglycosylase and transpeptidase berlokasi di ekstra sitoplasma. Trans-glycosylase
menggabungkan subunit NAG-NAM mem-
bentuk rantai glycan dengan mengikatkan
C1 sisi NAM pada lipid II ke ujung 4’-OH
dari sisi NAG rantai peptidoglycan nascent
dengan
melepaskan
C55-undecaprenyl-
pyrophosphate. C55-undecaprenylpyrophos-
phate dapat diputar balik pada permukaan
membrane
sitoplasma
sebagai
C55-
drolisisnya dengan pyrophosphatase yang
transpeptidases melakukan peptide crosslinking antara rantai-rantai tersebut agar
kuat membentuk dinding sel. Pada S.
aureus,
peptide
cross-linking
dibentuk
antara gugus amino pada satu ujung rantai
pentaglycine
yang
menyerang
ikatan
peptide antara 2 residu D-alanine pada
posisi 4 and 5 pada unit peptide yang lain.
Selanjutnya residu D-alanine pada posisi 5
dilepaskan [12, 13] (Gambar 4).
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
positif
Lapisan PG dinding sel Bakteri gram(staphylococci,
streptococci,
dan
enterococci) adalah lebih banyak dan lebih
tebal dibandingkan dengan gram negative
(Escherichia
coli,
Salmonella,
Pseudo-
monas, dan Yersinia) (Gambar 5)[4].
gambar
5
tampak
bahwa
vancomycin memiliki struktur yang lebih
besar (Gambar 2) dibandingkan Penicillin,
dan
tidak
membrane
mampu
luar
menembus
bakteri
pori-pori
gram-negatif,
sehingga tidak mampu memblok target
molekul rantai samping peptida dari rantai
PG.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
24
ISBN:979363167-8
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
Sedangkan
efektif
untuk
pada
gram-positif.
penicillin
maupun
chepalosporin (Gambar 6) karena ukurannya lebih kecil mampu mencapai dan
memblok target molekul baik pada grampositif
maupun
gram-negatif.
Penicillin
menginaktifkan PG-cross-linking transpeptidase.
Untuk mengatasi kasus resistensi dan
memperluas spectrum aktivitas antibakteri,
para ahli kimia medisin telah menurunkan
beberapa
varian turunan penicillin
cepalosphorins
melalui
modifikasi
dan
semi-
sintetik pada gugus samping R (Gambar 6).
RASIONAL PENGGUNAAN ANTIBIOTIK
Antibiotik bila digunakan secara benar
mempunyai khasiat yang luar biasa, dan
sebaliknya bila digunakan secara irrasional
bisa menimbulkan kerugian yang fatal bagi
kesehatan
maupun
dari
segi
ekonomi.
Antibiotik yang ada sekarang sudah banyak
sekali
macam
diperlukan
dan
rasional
jenisnya
yang
sehingga
tepat
dalam
pemilihan dan penggunaannya. Beberapa
faktor yang mendasari rasional penggunaan
antibiotic,
daiantarnya
adalah:
(1)
Indikasinya tepat , (2) Penderitanya tepat,
(3) Pemilihan jenis antibiotiknya tepat, (4)
Dosisnya tepat , (5) Efek samping minimal,
an (6) Kombinasi tepat (bila diperlukan)
ekonomis [14].
Sedangkan beberapa hal penting yang perlu
diketahui
dalam
memilih
antibiotic,
diantaranya adalah: (1) Sifat aktifitasnya
apakah
sebagai
bakteriostatik
atau
bakterisidik, (2) Sifat spektrumnya apakah
luas atau sempit, berspektrum luas dapat
menghambat
baik
bakteri
gram-positif
maupun gram-negatif, sedangkan berspektrum sempit hanya dapat menghambat atau
membunuh kelompok bakteri tertentu, 3)
Mekanisme kerjanya apakah meng-hambat
sintesis dinding sel, sintesis protein atau
sintesis DNA/RNA, (4) Pola resistensinya,
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
25
ISBN:979363167-8
apakah di Indonesia masih sensitive, meski
sampingnya
(A) Generasi Penicillin
(B) Generasi cephalosporins
di Negara lain sudah resisten, (5) Efek
apakah memberikan
reaksi
alergi atau reaksi toksik [14].
Gambar 6. Perbedaan generasi penicillin (A) dan cephalosporins (B).(diadaptasi dari Scholar
and Prat [7] cit. [4]).
Bakteri penyebab infeksi secara ideal
dapat diketahui dengan pasti berdasarkan
pemeriksaan mikrobiologis, sehingga terapi
antibiotiknya dapat dipiliih dengan tepat.
guess”
dengan
organ/sistem
yang
mempertimbangkan
terinfeksi maupun
kuman penyebab pada umumnya [14].
Berdasarkan uraian di atas maka
Tetapi dalam kondisi tertentu misalnya
antibiotik harus digunalan secara benar
menunggu hasil pemeriksaan yang relative
menimbulkan efek samping seperti pusing,
fasilitas
lama,
terbatas
antibiotic
dan
yang
tidak
sesuai
mungkin
dapat
ditentukan berdasarkan prinsip “educated
karena
reaksi
salah
alergi,
penggunaan
reaksi
toksik
menyebabkan resistensi antibiotic.
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
bisa
bahkan
26
ISBN:979363167-8
RESISTENSI ANTIBIOTIK
puan
Resistensi antibiotik adalah kemammikroorganisme
untuk
bertahan
terhadap efek antibiotik diantaranya dengan
memperoleh gen resisten melalui mutasi
atau perubahan/pertukaran plasmid (transfer
gen) antar spesies bakteri yang sama [4].
Contohnya
methicillin-resistant
Staphylo-
coccus aureus (MRSA) atau vancomycin-
resistant Staphylococcus aureus (VRSA).
Resistensi
didefinisikan
juga
sebagai
konsentrasi inhibisi mimimum (MIC) dasar
yang dibutuhkan untuk mengatasi infeksi
secara
efektif
[15].
Multiple
drugs
resistance didefinisikan sebagai resistensi
terhadap dua atau lebih obat maupun kla-
strain
vancomycin-resistance
(VRE)
tahun
1989,
dan
enterococci
tahun
90-an
ditemukan stains Vancomycin-resistance S.
aureus (VRSA), Vancomycin-intermediate S.
aureus
(VISA),
dan
Glycopeptides-
intermediate S. aureus (GISA).
yang
S. aureus merupakan gram-positif
banyak
menyebabkan
nokosomal
infeksi, berkoloni di permukaan kulit dan
saluran
pernafasan
atas,
menyebabkan
infeksi serius pada kondisi paska operasi,
racunnya menyebabkan demam, kesakitan
sampai kematian. Sedangkan Enterococci
berkoloni di kulit juga, survive di alam,
toleran terhadap suhu 10 °C – 45 °C, tahan
kondisi asam dan basa.
The National Committe for Clinical
sifikasi obat. Sedangkan cross resistance
Laboratory Standard (NCCLS) memberikan
dengan obat lain yang belum pernah
vancomycin
adalah resistensi suatu obat yang diikuti
dipaparkan [16].
Resistensi muncul diantaranya karena
penggunaan berlebihan dari antibiotic berspektrum luas, atau penggunaan antibiotik
pada tanaman dan hewan dalam jangka
waktu yang lama sehingga berimbas kepada
manusia.
Antibiotik
penicillin
digunakan
untuk
kemudian
ditemukan
digunakan
methicillin
aureus
tahun
mengatasi
1941,
penicillin-resistance.
pertama
namun
strain
Tahun
infeksi
4
S.
1961
kali
S.
tahun
aureus
mulai
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
acuan untuk strain S. aures rentan terhadap
dengan

MIC
4
mg/l,
intermediate antara 8 – 16 mg / l, dan
resisten bila  32 mg/l. Berdasarkan acuan
di UK dikelompokkan resistan bila MIC nya
 8 mg / l, dan di Perancis strain dikelompokkan intermediate bila MIC antara 8 – 16
mg / l, dan resisten bila  16 mg/l [15]
Kerja
dengan
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
ISBN:979363167-8
Interaksi
ikatan
hidrogen
antara
(A)
vancomycin dengan D-Ala-D-Ala dan D-Ala-
D-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
perubahan dalam biosintesis PG belum bias
diterangkan [18].
(Diadopsi dari Lowy [18])
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]
PERAN KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI
D-Ala-D-Ala
(A)
D-Ala-D-Lac
(B)
DALAM ALTERNATIF SOLUSI KASUS
RESISTENSI ANTIBIOTIK
Kasus resistensi memerlukan penangan-
an 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
gene
terlibat
metabolit
cara:
(1)
karakterisasi
bisa
ekspresi
protein
dengan substratnya , dan (2) inaktivasi gen-
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
yang
dalam
biosintesis
28
ISBN:979363167-8
metabolit
dan
metabolit
yang
karakterisasi
disekresikan
metabolit-
ke
dalam
medium. Sebagai contoh adalah kajian
biosintesis balhimycin sebagai salah satu
upaya
untuk
mempelajari
metabolism
vancomycin dan pencarian obat alternative
pengganti vancomycin.
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.
aromatik asam amino 4 dan dehydrovan-
STUDI FUNGSI ENZIM DALAM BIO-
dan vancomycin keduanya aktif terhadap
Kirner et al [24] mengidentifikasi bah-
Balhimycin (Gambar 9) dan vancomycin
merupakan klas antibiotik glikopeptida yang
mempunyai struktur mirip dan berbeda
mempunyai residu glukosa pada pada cincin
cosamin pada asam amino 6. Balhimycin
SINTESIS BALHIMYCIN
strains MRSA, khsususnya terhadap strains
wa non-haem, metalfree “haloperoxidases”/
dibandingkan vancomycin [21] meskipun
halogenasi selama biosintesis halometabolit
Clostridium
Balhimycin
lebih
unggul
ampai saat ini belum dibunakan untuk terapi
infeksi gram-positif.
perhydrolases tidak terlibat dalam tahap
Sedangkan Puk et al [25] menunjukkan
bahwa
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
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).
Sekuens balhimycin biosintesis gen
kluster sudah dideposit di GenBank [22] dan
organisasi
gambar 10.
gen-gennya
disajikan
dalam biosintesis Balhimycin berspesifisitas
tinggi terhadap PCP-bound -OH-Tyr dan
bukan “haloperoxidase”/perhydrolase mau-
pun non-specific esterase. Identifikasi fungsi
protein dalam balhimycin biosynthetic gene
cluster dirangkaikan dalam gambar 12.
dalam
Gambar 11. Reaksi hidrolisis B-hydroxy
tyrosine-SNAC menghasilkan
B-hydroxy
tyrosine [26].
Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V
29
ISBN:979363167-8
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
biosintesis gambar 12 adalah t [23]:
(1) Bhp,
OxyD,
BpsD
terlibat
biosyntesis of ß-hydroxytyrosine
dalam
POLA BIOSINTESIS ANTIBIOTIK
dalam
ada
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
komplit
dan modul terminasi masing-masing adalah
domain thioesterase
A-PCP di-domains, C-A-PCP tri-domains, &
(Te) pada ujung C- modul 7 dalam BpsC.
H
A
1
H
S
PCP
C
A
2
H
S
PCP
C
A
3
PCP
S
TE
peptide
matic untuk menggabungkan satu asam
bahwa DpgA/B/C/D dan Pgat terlibat
dilepaskan oleh
Non-ribosomal
masing-masing terdiri atas aktivitas enzy-
(3) gene cassette dpgABCD menunjukkan
heptapeptida
yaitu:
(PKS). NRPS merupakan set modul yang
terlibat dalam biosyntesis of Hpg
dan
2
synthetase (NRPS) dan Polyketide synthase
(2) Pdh, HmaS, HmO, Pgat diasumsikan
balhimycin
Pola biosintesis antibiotic diantaranya
C-A-PCP-TE tetra-domain (gambar 13).
R1
A
O
NH2
H2 N
S
PCP
C
A
O
R2
H2N
S
PCP
C
A
O
R3
PCP
S
TE
H2O
Tripeptida
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
ISBN:979363167-8
PKS merupakan enzyme kompleks yang
Peran serta ahli kimia dan bioteknologi
acid synthase (FAS). Pengubahan thioester
atan perusahaan farmasi dalam membuat
memproduksi polyketida, mirip dengan fatty
acyl-S-CoA rantai pendek menjadi produk
long-acyl-chain melalui serangkaian siklus
perpanjangan yang menambahkan 2 atau 3
unit atom. Terdapat multiple domain atau
sub
unit-sub
unit
sub
unit
yang
berpartisipasi dalam tahap-tahap khusus
initsiasi, elongasi, dan terminasi.
UPAYA PENEMUAN OBAT BARU
dalam
Upaya untuk menemukan obat baru
resistensi
rangka
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
dalam menemukan obat baru serta penggiantibioti baru sangat diperlukan. Dengan
du-kungan
kebijakan
pemerintah
yang
kondusif diharapkan usaha ini mampu
membantu
mengatasi
resistensi antibiotik.
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
ISBN:979363167-8
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
ISBN:979363167-8
TANYA JAWAB :
Nama Penanya
: Lausiani Dewi
Nama Pemakalah
: Sri Mulyani
Pertanyaan
Assaat
:
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