Teori Fisiologi Mikroba "Microbial Stress Responses" by Bu Reno Fitri M.Si

RESPON MIKROORGANISME TERHADAP TEKANAN LINGKUNGAN

•

•

•

•

•

Mikroorganisme Mikroorganisme yang tumbuh pada lingkungan yang menguntungkan menguntungkan akan tumbuh dengan laju pertumbuhan maksimum. Kondisi lingkungan lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikroorganisme mikroorganisme antara antara lain nutrien, n utrien, suhu, pH, tingkat oksigen dan konsentrasi senyawa terlarut di lingkungan.  Perubahan faktor-faktor lingkungan tersebut dapat menyebabkan perubahan laju pertumbuhan maksimum mikroorganisme. mikroorganisme. Faktor Faktor lingkungan yang menghambat laju pertumbuhan mikroorganisme disebut sebagai tekanan lingkungan (environmental stress). Kemampuan mikroorganisme mikroorganisme untuk merespon dengan benar perubahan lingkungan sangat penting untuk keberlangsungan keberlangsungan hidup mikroorganisme tersebut.

Perubahan Tekanan Osmotik (Osmotic Stress) •

•

•

•

•

 Konsentrasi senyawa terlarut, seperti garam, ion, dan metabolit, memegang peranan penting terhadap pertumbuhan mikroorganisme. mikroorganisme. Membran sel mikroorganisme mikroorganisme dapat dilalui air dengan bebas, sehingga sel harus terus menjaga konsentr konsentrasi asi air di dalam dan di luar sel relatif seimbang.  Kondisi lingkungan hipertonik / hiperosmotik  menyebabkan air mengalir keluar keluar sel sehingga sel menjadi mengerut ( plasmolysis).  Kondisi lingkungan yang hipotonik / hipoosmotik  menyebabkan air masuk ke dalam sel sehingga menyebabkan menyebabkan sel mengalami pembengkakan pembengkakan (plasmoptysis).  Kondisi hipotonik yang berkelanjutan menyebabkan pecahnya membran sel (osmotic lysis; osmolysis) akibat tingginya perbedaan tekanan osmotik osmotik di dalam dan di luar sel.

•

•

•

•

•

•

 Mikroorganisme berusaha menjaga agar konsentrasi senyawa terlarut di dalam sel lebih tinggi dibandingkan di luar sel, sehingga se hingga air cenderung masuk ke dalam sel.  Kecenderungan tersebut menyebabkan volume sel meningkat dan memberikan tekanan kepada kepada dinding sel yang menjaga sel agar tidak pecah.  Tekanan yang diberikan membran sitoplasma terhadap dinding sel disebut tekanan turgor.  Mekanisme osmoregulator mengatur respon mikroorganisme untuk menjaga tekanan turgor tetap dalam batas normal, sehingga aktivitas sel dapat berjalan lancar. Air masuk ke dalam sel melalui difusi dan melalui saluran khusus yang disebut aquaporin. Aquaporin dapat memasukkan memasukkan dan mengeluarkan mengeluarkan air dalam jumlah besar jika terjadi perubahan tekanan osmotik lingkungan secara tiba-tiba.

Tekanan Osmotik Lingkungan Tinggi •

Jika tekanan osmotik osmotik di lingkung l ingkungan an tinggi, maka sel akan mengalami: ‐  Penurunan

tekanan turgor ‐  Pertumbuhan melambat atau terhenti ‐  Biosintesis makromolekul terhambat ‐ Laju respirasi respirasi menurun •

•

•

•

Respon pertama dan paling cepat yang dilakukan sel mikroorganisme mikroorganisme adalah meningkatkan masuknya masuknya ion K+ ke dalam sel.  Trk rk  Mekanisme transport ion K+ pada E . coli  umumnya  umumnya melalui sistem T dan Kdp.  Sistem Kdp merupakan sistem utama pemasukan ion K + pada kondisi tekanan osmotic lingkungan tinggi karena memiliki laju pemasukan ion K+ yang tinggi.  Sistem yang hampir sama dengan Trk dan Kdp juga dimiliki oleh Salmonella enterica dan bakteri lainnya. lainnya.

 Selain memompakan ion ke dalam sel, mikroorganisme juga menghasilkan  compatible solute.

•

 Salah satu compatible solute yang banyak dihasilkan oleh mikroorganisme adalah trehalosa, yang merupakan disakarida dari glukosa.

•

 Trehalosa disintesis dengan bantuan enzim trehalose-6-P synthase dan trehalose-6-P phosphatase.

•

 Beberapa senyawa di luar sel dapat menstimulasi laju pertumbuhan mikroorganisme pada kondisi hipertonik.

•

 Senyawa-senyawa  Senyawa-senyawa tersebut dinamakan sebagai osmoprotectant.

•

•

•

•

 Tumbuhan dan hewan memiliki banyak senyawa yang berpotensi sebagai osmoprotectant bagi mikroorganisme.  Senyawa-senyawa osmoprotectant tersebut oleh sel dibawa masuk ke dalam sel pada kondisi kondisi hipertonik. Mekanisme respon terhadap tekanan osmotic merupakan reaksi bertingkat. ‐

•

Pada saat tekanan tekanan osmotik lingkungan meningkat, sel memompa ion K+ ke dalam sel  terjadi akumulasi ion K+ di dalam sel  sel menghasilkan trehalosa  tekanan turgor kembali normal  konsentrasi trehalosa terus meningkat  konsentrasi ion K + di dalam sel mulai menurun  biosintesis biosintesis makromolekul makromolekul dimulai kembali.

 Bila terdapat osmoprotectant di lingkungan, konsentrasi ion K+ dan trehalosa di dalam sel dapat dikurangi  menghemat energi.

Tekanan Osmotik Lingkungan Rendah •

Penurunan tekanan osmotik lingkungan menyebabkan: menyebabkan: Air masuk ke dalam sel dalam jumlah besar. Tekanan turgor meningkat . mengaktivasi saluran-saluran saluran-saluran pada Sel mengalami pembengkakan  mengaktivasi membrane sel  Permeabilitas membran menjadi meningkat. Sitoplasma dapat kehilangan senyawa-senyawa terlarutnya seperti ion,

•

•

•

asam-asam amino, nukleotida. Bakteri Gram negatif negatif yang tumbuh di lingkungan dengan tekanan tekanan osmotik rendah mensintesis gula kompleks kompleks yang disebut membrane-derived membrane-derived oligosaccharide (MDO). Senyawa Senyawa MDO membentuk struktur bercabang pada daerah periplasma sel. Struktur tersebut menurunkan dan menghambat masuknya air ke dalam sel pada kondisi hipotonik.

Transisi Kondisi Aerob Dan Anaerob •

•

•

•

 Mikroorganisme fakultatif seperi  E . coli  dan  dan Salmonella enteritica dapat memodifikasi metabolismenya berdasarkan ketersediaan O 2 di lingkungan.  Transisis antara metabolisme aerob dan anaerob menyebabkan perubahan laju, tahapan, dan efisiensi jalur transport elektron. elektron.  Pada kondisi anaerob dan tanpa alternatif penerima elektron terakhir, bakteri E . coli  akan  akan mengubah piruvat menjadi produk fermentasi fermentasi (mixed acid fermentation). Bila ada alternatif penerima elektron terakhir terakhir selain O 2, maka bakteri akan tetap melakukan respirasi anaerob karena lebih banyak menghasilkan energi dibandingkan fermentasi. fermentasi.

•

•

•

 Bakteri E . coli  dapat  dapat menghasilkan dan mengatur produksi enzim-enzim yang berperan dalam beberapa jalur respirasi.  Bakteri tersebut memiliki kecenderungan untuk memanfatkan penerima elektron terakhir bila tersedia beberapa pilihan di lingkungan: oksigen  nitrat  DMSO  TMAO  fumarat.

 Mekanisme yang mengatur respon bakteri  E . coli  terhadap  terhadap ketersediaan oksigen, antara lain: 1. Format Formate e Nitrate Nitrate Regulatio Regulation n 2. Ar ArcAB cAB syst system em

Formate Nitrate Regulation •

•

•

•

•

 Mekanisme formate nitrate regulation melibatkan kerja protein Fnr (formate nitrate regulation).  Protein Fnr mengatur ekspresi gen-gen yang berperan dalam merespon ketersediaan O 2 di lingkungan.  Protein Fnr merupakan DNA-binding proteinyang memiliki pusat 4Fe  – 4S yang sensitif dengan O2.

  Pusat 4Fe – 4S protein Fnr yang terpapar O 2 akan berubah menjadi 2Fe  – 2S yang membuat protein tersebut berubah bentuk dan terlepas dari DNA, dan gen-gen yang berperan dalam respirasi aerob mulai bekerja menghasilkan protein-protein yang dibutuhkan. Pada kondisi kondisi anaerob, pusat 2Fe – 2S berubah kembali menjadi pusat 4Fe  – 4S, dan menghambat sintesis protein untuk respirasi aerob.

Sistem ArcAB •

•

•

•

•

• •

•

Arc singkatan dari anoxic redox control. control. Protein yang berperan dalam mekanisme ArcAB adalah protein ArcA dan ArcB. Protein ArcB terintegrasi terintegrasi pada membran sitoplasma dan berfungsi sebagai sensor se nsor.. Protein ArcA merupakan regulator regulator yang berfungsi mengatur ekspresi gen-gen yang terkait.

ArcB merupakan histidine histidine kinase yang memiliki 3 domain penyampai penyampai sinyal phosphotransferase, phosphotransferase, yang terdiri dari 2 histidine dan 1 aspartate. aspa rtate. Pada kondisi kondisi anaerob, domain histidine pertama memfosforilasi memfosforilasi dirinya sendiri. Gugus fosfat kemudian kemudian ditransfer secara secara bertahap kepada domain aspartate aspartate  domain histidine kedua  ArcA. Sistem Arc menekan gen-gen gen-gen yang dibutuhkan pada kondisi aerob dan mengaktivasi mengaktivasi gen-gen yang dibutuhkan dalam kondisi anaerob, terutama gen-gen yang berperan dalam sintesis awa antara pada jalur metabolisme.

Tekanan Oksidatif  •

•

•

Proses pembentukan pembentukan energi melalui transpor elektron menghasilkan senyawa oksigen yang toksik terhadap komponen DNA, protein, lipid dari sel. Oksigen toksik tersebut tersebut dapat terbentuk melalui reaksi enzimatik atau reaksi kimia spontan  Beberapa senyawa oksigen toksik yang terbentuk akibat aktivitas sel antara lain:  O 2¯ • (anion superoxide)  H 2O2 (hidrogen peroksida)  OH • (radikal hiroksil) ONOO¯ (anion peroxynitrite) •

•

•

•

•

•

•

•

•

Mikroorganisme Mikroorganisme aerob melindungi diri dari toksisitas superoxide dan hidrogen peroksida dengan menghasilkan enzim superoxide dismutase (SOD)  dan katalase. O2¯ • + O2¯ • + 2H+  O2 + H2O2 (SOD) 2H2O2  2H2O + O2 (katalase) Enzim SOD dan katalase tidak dimiliki oleh mikrooranisme anaerob anaerob karena hasil akhir dari reaksi kedua enzim tersebut adalah oksigen. Mikroorganisme Mikroorganisme anerob menghasilkan enzim NADH oxidase yang dapat langsung mengubah O2 menjadi H2O. NADH + H+ + ½ O2  NAD+ + H2O. Mekanisme lain yang dimiliki mikroorganisme mikroorganisme anaerob dalam mengatasi tekanan oksidatif adalah sistem superoxide reductase yang dapat mengubah superoxide menjadi hydrogen peroksida tanpa melalui pembentukan O2. O2¯ • + e- + 2H+  H2O2 Sistem superoxide superoxide reductase berhubungan langsung dengan kerja kerja enzim NADH peroxidase yang dapat mengubah hidrogen peroksida menjadi air. NADH + H+ + H2O2  NAD+ + 2H2O

Perubahan pH Lingkungan •

•

•

•

•

•

•

•

Mikroorganisme dapat tumbuh tumbuh dalam rentang pH yang yang luas.  Beberapa mikroorganisme asidofil mikroorganisme asidofil dapat  dapat tumbuh pada pH 1, sedangkan beberapa mikroorganisme alkalofil mikroorganisme alkalofil dapat  dapat tumbuh pada pH 11.  Sebagian besar mikroorganisme merupakan neutrofil merupakan neutrofil yang  yang tumbuh pada rentang pH 5 – 9. Neutrofil dapat menjadi toleran pada lingkungan lingkungan ekstrim jika perubahan pH lingkungan terjadi secara bertahap, sehingga memilik waktu untuk beradaptasi. Salah satu cara mikroorganisme mikroorganisme beradaptasi pada pH rendah adalah dengan menghasilkan enzim yang dapat mengubah senyawa-seny se nyawa-senyawa awa asam menjadi netral atau senyawa netral menjadi alkali.   Bakteri Sal  Bakteri Sal . enteritica dan  memiliki gen-gen khusus yang akan terinduksi enteritica dan E   E . coli  memiliki aktivitasnya aktivitasnya jika terpapar pada pH rendah nonlethal (pH 5 – 6). Produk yang dihasilkan oleh gen-gen tersebut akan melindungi bakteri bakteri jika terpapar pH yang lebih rendah yang berpotensi menyebabkan kematian, yaitu pH 2 – 4. Perubahan aktivitas gen gen dan fisiologi sel yang terjadi karena karena penurunan pH disebut sebagai acid tolerance response (ATR) .

•

•

•

•

•

 Sistem ATR yang sepenuhnya terinduksi akan menghasilkan  acid shock protein.  Beberapa Gram positif, seperti  Enterococcus faecalis, memutar balik mekanisme kerja ATPase: ATPase: ATP dihidrolisis menjadi ADP  Ion H+ dipompa dari dalam ke luar sel  mengurangi konsentrasi ion H+ di dalam sel.  Bakteri E . coli  dan  dan Shigella memiliki enzim glutamate decarboxylase yang dapat mengatasi kondisi kondisi asam pada lambung.  Kedua bakteri tersebut juga memiliki protein transport (transporter) yang bersifat bersifat antiporter yang dapat memompa glutamate dari lingkungan masuk ke ke dalam sel dan memompa ɣ-amino butyric acid (GABA) ke lingkungan. Dekarboksilasi Dekarboksilasi glutamate  GABA membutuhkan H+ sehingga dapat mengurangi konsentrasi ion H+ di dalam sel.

Respon Mikroorganisme terhadap Kenaikan Suhu •

•

•

•

•

 Mikroorganisme mesofil (20  – 40 °C) akan menghasilkan Heat Shock Protein (HSP) bila terjadi kenaikan kenaikan suhu hingga hing ga 42 °C. HSP yang dihasilkan terutama adalah protein yang berperan berperan dalam mempertahankan mempertahankan struktur 3 dimensi protein.  Salah satu protein regulator yang mengatur respon  E . coli  terhadap  terhadap peningkatan peningkatan suhu adalah sigma H ( σH atau σ32) yang dikode oleh gen rpoH.  Produksi σH diatur oleh σ70, yang merupakan housekeeping sigma factor (faktor yang yang menjaga agar gen-gen penting di dalam sel selalu bekerja).  Peningkatan aktivitas Gen pengkode σ70 (gen rpoD) juga juga diinduksi diinduksi oleh oleh peningkatan σ32 di dalam sel.

•

•

•

•

•

•

Pada suhu 30 °C, °C, σH akan berinteraksi dengan protein chaperon, seperti DnaK, DnaJ, GrpE. Protein chaperon adalah protein yang berperan dalam pembentukan struktur 3 dimensi protein.  Ikatan antara σH dengan protein chaperon tersebut akan menghambat σH untuk berikatan dengan RNA polymerase, sehingga RNA polymerase tidak dapat berikatan dengan promoter dari gen-gen pengkode HSP. d an RNA polymerase σH yang tidak berikatan dengan protein chaperon dan dan akan didegradasi. Peningkatan Peningkatan suhu meningkatkan meningkatkan efisiensi pengikatan mRNA dari gen rpoH pada ribosom, sehingga meningkatkan produksi σH.  Peningkatan suhu juga menyebabkan banyak protein yang terdegradasi sehingga membutuhkan protein chaperon untuk memperbaiki strukturnya.

•

•

•

 Chaperon yang tadinya berikatan dengan σH terlepas, sehingga semakin banyak σH dapat berikatan dengan RNA polymerase yang berperan dalam produksi HSP.  Peningkatan suhu akan: Meningkatkan efisiensi mRNA yang dihasilkan oleh gen rpoH untuk ‐ Meningkatkan berikatan berikatan dengan ribosom sehingga semakin banyak banyak σH yang dihasilkan. ‐  Melepaskan protein chaperon yang berikatan dengan σH sehingga σH dapat berikatan dengan RNA polymerase gen-gen pengkode HSP. ‐  Menstabilkan struktur σH sehingga tidak mudah didegradasi oleh enzim protease. Respon mikroorganisme mikroorganisme terhadap panas juga dapat ditimbulkan karena radiasi UV, penurunan pH, keberadaan etanol H 2O2 di lingkungan.