Peranan Mikroorganisme Bidang Kesehatan

Tidak hanya di bidang lingkungan dan pangan, bakteri juga dapat memberikan manfaat dibidang kesehatan. Antibiotik merupakan zat yang dihasilkan oleh mikroorganisme dan mempunyai daya hambat terhadap kegiatan mikroorganisme lain dan senyawa ini banyak digunakan dalam menyembuhkan suatu penyakit. Beberapa bakteri yang menghasilkan antibiotik adalah:

• Streptomyces griseus, menghasilkan antibiotik streptomycin
• Streptomyces aureofaciens, menghasilkan antibiotik tetracycline
• Streptomyces venezuelae, menghasilkan antibiotik chloramphenicol
• Penicillium, menghasilkan antibiotik penisilin
• Bacillus polymyxa, menghasilkan antibiotik polymixin.

Terlepas dari peranannya dalam menghasilkan antibiotik, banyak jenis bakteri yang justru bersifat patogen. Pada manusia, beberapa jenis bakteri yang sering kali menjadi agen penyebab penyakit adalah Salmonella enterica subspesies I serovar Typhi yang menyebabkan penyakit tifus, Mycobacterium tuberculosis yang menyebabkan penyakit TBC, dan Clostridium tetani yang menyebabkan penyakit tetanus. Bakteri patogen juga dapat menyerang hewan ternak, seperti Brucella abortus yang menyebabkan brucellosis pada sapi dan Bacillus anthracis yang menyebabkan antraks. Untuk infeksi pada tanaman yang umum dikenal adalah Xanthomonas oryzae yang menyerang pucuk batang padi dan Erwinia amylovora yang menyebabkan busuk pada buah-buahan.

Umat manusia telah memanfaatkan mikroorganisme sejak lama untuk menghasilkan produk-produk yang bermanfaat. Misalnya, pada sekitar tahun 6000 SM  masyarakat  sumeria dan babilonia telah memanfaatkan yeast untuk membuat bir, sedangkan masyrakat mesir pada tahun 4000 SM telah menggunakan yeast untuk mengasamkan ropti. masyarakatBabilonia juga memilki pengetahuan untuk mengubah etanol dalam bir menjadi asam asetat(cuka).

Produk alami yang disentesis oleh mikroorganisme menjadi sangat pnting. Praduk antikoagulan, antidepresan, vasodilator, her4bisida, insektisida, hormon tanaman, enzim, dan inhibitor enzim telah diisolasi dari mikroorganisme. Mikroorganisme lebih sering digunakan untuk menghasikan enzim seperti enzim amilase yang digunakan untuk membuat bir, roti, dan memperoduksi tekstil, serta enzim protease yang digunakan untuk mengempukkan daging, melunakkan kulit, membuat detergen dan keju.

Industri makanan, minyak, kosmetik, dan farmasi juga menggunakan mikroorganismeuntuk menghasikan polisakarida. Xanthomonas campestris menghasilkan polisakarida yang dikenal sebagai santan untuk menstabilkan bahan makanan, sebagai agen pengikat untuk berbagai produk farmasi, serta untuk pewarnaan tekstil. Leuconostoc mesenteroides, bila ditumbuhkan pada media yang mengandung sukrosa akan memproduksi dekstran, suatu polisakarida yangb dapat digunakan sebagi saringan molekuler untuk memisahkan molekul dalam kromatografi kolom.

Mikrobilogi farmasi modern berkembang setelah perang dunia ke 2 dengan dimulainyaproduk antibiotik. Suplay produk farmasi dunia termasuk antibiotik, steroid, vitamin, vaksin, asam amino, dan hormon manusia diproduksi dalam jumlah beasr oleh mikroorganisme. Streptomyces hydroscopius memilik strain yang berbeda untuk membuata hampir 200 antibiotik yang berbeda. Antibiotik pada dasarnya dibuata dalam skala industri dengan cara menginokulasi spora dari kapang atau streptomycetes dalam suatu media pertumbuhan dan menginkubasinya dengan aerasi yang baik. Setelah mencapai konsentrasi yang cukup, larut diekstraksi, dipresitipasi dan diperlukan dengan prosedur standar industri lainnya.

1. Produk antibiotik

Produksi antibiotik dilakukan dalam skala besar pada tangki fernentasi dengan ukuran besar. Sebagai contoh Penicillium chrysogenum ditumbuhkan dalam 100.000 liter fermentor selama kurang lebih 200 jam. Mula-mula suspensi spora P. chrysogenum ditumbuhkan dalam larutan media bernutrisi. Kultur diinkubasi selama 24 jam pada temperatur 24 °C dan selanjutnya ditransfer ke tangki inokulum. Tangki inokulum digojlok teratur untuk mendapatkan aerasi yang baik selama satu hingga dua hari.

Pada proses produksi penisilin, media bernutrisi yang mengandung gula asam fenilasetat ditambahkan ke secara kontinu. Asam fenilasetat ini digunakan untuk membuat rantai samping benzil pada penisilin G. Penisilin G diekstraksi dari filtrat dan dikristalisasi. Untuk membuat penisilin semisintetik, penisilin G dicampur dengan bakteri yang mensekresi enzim asilase. Enzim ini akan melepas gugus benzil dari penisilin G dan mengubahnya menjadi 6-aminopebicillanic acid (6-APA). Aminopenicilanic acid adalah molekul yang digunakan untuk membuat penisilin jenis lain. Bebagai gugus kimia ditambahkan pada aminopenicillanic

Hal yang serupa juga terjadi pada sefalosporin C yang diperoduksi oleh cephalosporium acremonium. Molekul sepalosporin C dapat ditranspormasi dengan melepas rantai samping α-aminodipic acid dan menambahkan gugus baru yang memiliki kisaran antibakteri yang lebih luas.

Strain streptomyces griseus dan Actinomycetes lainnya menghasilkan streptomisin dan bebagai antibiotik lainnya. Spora S. Griseus diinokulasi kedalam media untuk mendapatkan kultur pertumbuhan dengan biomassa miselia yang tinggi sebelum dimasukkan kedalam tangki inokulum. Media dasar untuk praduksi streptomisin mengandung pati kedelai sebagai sumber nitrogen, glukosa sebagai sumber karbon, dan NaCl. Temperatur optimum untuk proses fermentasi ini berkisar pada 28°C, dengan kecepatan pengadukan dan aerasi yang tinggi diperlukan untuk mendapatkan produksi streptomisin yang maksimal. Proses fermentasi berlangsung sekitar 10 hari dengan jumlah streptomisinyang dipanen berkisar 1g/L.

2. Produksi steroid

Homon steroid sangat penting peranannya dalam dunia kesehatan. Misalnya kortison dan steroid lain yang serupadiketahui dapat digunakan untuk mengobati gejala yang berhubungan dengan alergi dan berbagai respons inflamasi oral dan untuk mengobati ketidak seimbangan homonal.

Sintesis steroid seperti kotison memerlukan lebih dari 35 langkah, sehingga steroid sangat mahal untuk diperoduksi secara kimiawi. Misalnya, kortison dapat disintesis dari asam deoksikolat melalui 37 langkah, yang beberapa diantaranya memerlukan kondisi temperatur dan tekanan yang ektrem, dengan biaya berkisar lebih dari $ 200 pergram. Kesulitan utama pada sintesis kortison adalah introduksi atom oksigen pada cincin steroid nomor 11. Hal ini dapat diatasi dngan pemanfaatan mikroorganisme. Penggunaan mikroorganisme untuk mengganti proses kimiawi ini dikenal dengan istilah biokomversi.

Fungi Rhizopuz arrhizus menghidroksilasi progesteron membentuk steroid koteksolon untuk membentuk hidrokortison dengan mengintroduksi oksigen pada posisi nomor 11.

Bentuk tranformasi lain dari inti steroid dilakukan oleh mikroorganosme melalui proses hidrogenasi, dihidrogenasi, epoksidasi, dan penambahan serta penghilangan rantai samping. Penggunaan mikroorganismepada produksi kortison dapat menurunkan biaya produksi sebanyak 400 kali lipat, sehingga harga kotisondi amerika serikat kurang dari  $50 pergram, dibandingkan harga aslinya yang sebesar $ 200.

3. Produksi vaksin

Penggunaan vaksin sangat penting untuk mencegah berbagai penyakit. Pengembangan dan produksi vaksin merupakan salah satu tugas penting industri farmasi. Produksi vaksin meliputi pengkulturan mikroorganisme yang memiliki properti antigenikyang diperlukan untuk meluncurkan respons imun primer.

Vaksin diproduksi oleh strain mutan patogen virulen tanpa menghilangkan antigen yang diperlukan untuk menimbulkan respons imun. Perkembangan bidang bioteknologi memungkinkan produksi seluruh seluruh vaksin baru. Beberapa vaksin baru ini ditujukan bagi target baru, dan beberapa lagi lebih efektif dan memiliki efek samping lebih sedikit  dibandingkan vaksin tradisional yang ada saat ini.

Untuk menghasilkan vaksin terhadap penyakit yang disebabkan oleh virus, strain virus ditumbuhkan dengan menggunakan telur ayam tertunas. Individu yang memiliki alergi terhadap telur ayam tidak dapat diberi vaksin yang dibuat dengan cara seperti ini. Vaksin virus juga dapat diproduksi melalui kultur jaringan. Misalnya, vaksin rabies tradisional diproduksi pada telur bebek tertunas dan memiliki efek samping yang sangat menyakitkan. Vaksin ini digantikan oleh produksi vaksin melalui kultur jaringan fibroblas manusia yang memiliki efek samping yang lebih sedikit.

Produksi vaksin terhadapyang efektif dalam mencegah infeksioleh bakteri, fungi, dan protozoa melibatkan pertumbuhan strain mikroorganisme pada media artifisial yang meminimalkan gangguan beruparespons alergi.vaksin yng diproduksisecara komersial harus di uji dan distandardisasi terus sebelum digunakan, sehingga terjadi outbreak (wabah) penyakit akibat introduksi vaksin seperti yang pernah terjadi pada tahun 1976 akibat adanya vaksin swine influenza yang inadekuat dapat dihindari.

4. Produksi vitamin dan asam amino

Vitamin merupakan faktor nutrisi esensial bagi manusia. Beberapa vitamin dapat diproduksi melalui fermentasi mikroorganisme, dan digunakan sebagai suplemen makanan. Misalnya vitamin B₁₂ dapat diproduksi sebagai produk samping pada fermentasi antibiotik oleh Streptomyces. Vitamn B₁₂ juga diperoleh dari fermentasi Propionibacteriaum shermanii atau Paracoccus denitrificans.

Riboflavin dapat dihasilkan dari fermentasi berbagai macam mikrooganisme, misalnya bakteri Clostridium dan fungi Eremothecium ashbyi atau Ashbya gossypii.

Masalah utama produksi asam amino komersial melalui fermentasi mikroorganisme adalah adanya mekanisme alam kontrol pengaturan mikroorganisme yang membatasi jumlah asam amino yang dihasilkan dan dilepaskan dari sel. Masalah ini dapat diatasi dengan strain mikroorganisme yang direkayasa secara genetis sehingga tidak memiliki mekanisme kontrol seperti  strain asli (wild type)

Manusia memerlukan berbagai macam asam amino, termasuk lisin. Konsentrasi lisin dalam padi-padian tidak cukup banyak untuk memenuhi kebutuhan nutrisi manusia. Lisin diproduksi melalui fermentasi mikroorganisme, sehingga dapat digunakan sebagai suplemen makanan bagi manusia dan sebagai bahan tamabahan pada sereal. Metionin juga diproduksi melalui sintesis kimia dan digunakan sebagai suplemen makanan.

Produksi lisin dari karbohidrat menggunakan Corynebactrerium glutamicum, suatu auksotrof yang memerlukan homoserin. Cane molasses umumnya digunakan sebagai substrat, dan pH dijaga agar tetap netral dengan menambahakan amonia atau urea. Pada saat gula dimetabolisme, lisin akan tetap terakumulasi pada media dan sintesis homoserin dihambat pada tahap homoserin dihidrogenase.

Asam glutamat (glutamic acid) dimanfaatkan sebagai monosodium glutamat (MSG), bahan penyedap rasa makanan. Asam L-glutamat dan MSG dapat diproduksi melalui fermentasi strain Brevibacterium, Arthobacter dan Corynebacterium. Kultur corynebacterium glutamicum dan Brevibacterium flavum digunakan untuk memproduksi MSG dalam skala besar. Proses fermentasi memerlukan media glukosa-garam mineral dengan menambahkan urea secara periodik sebagai sumber nitrogen  selama proses fermentasi. Nilai pH dijaga berkisar 6-8, dan temeratur 30°C

5. Produksi asam organik

Beberapa asam organik seperti asam asetat, asam glikonat, asam sitrat, asam giberelat, dan asam laktat dhasilkan melalui fermentasi mikroorganisme. Asam organik antara lain digunakan dalam industri makanan, miasalnya sebagai pengawet makanan.

Asam glukonat diperoduksi olehberbagai bakteri termasuk spesies acetobaterdan oleh beberapa fungsi seperti penisilium dan aspergillus. Aspergillus neger mengoksidasi glkosa menjadi asam glukonat dalam reaksi enzimatik tunggal leh enzim glukosa  oksidase. Asam glukonat memiliki berbagai  kegunaan, antara lain:

• Kalsium glukonat digunakan sebagai produ farmasi untuk menyuplai kalsium dalam tubuh.
• Ferrous glukonate digunakan sebagai asupan besi untuk mengobati anemia.
• Asam glukonat pada detergen pencuci piring mencegah noda pada permukaan kaca akibat presipitasi garam kalsium dan magnesium

Asam sitrat diproduksi oleh aspergillusniger dengan molases sebagai substrat fermentasinya. Asam sitrat digunakan sebagai bahan tambahan pada makanan, terutama minuman ringan. Transformasi asam sitrat oleh Aspergillus terreus dapat digunakan untuk memproduksi asam itokonat dalam dua langkah reaksi. Langkah pertama merupakan perubahan asam sitrat menjadi asam cis-akonitat melalui proses hidroksilasi, dan langkah kedua merupakan langkah karboksilasi asam cis-akonitat menjadi asam itakonat. Proses fermentasi ini memerlukan pH berkisar pada 2,2. Pada kisaran pH lebih tinggi, A. terreus akan mendegradasi asam itokonat.

Asam giberelat (gibberellic acid) diproduksi oleh fungi Gibberella fujikuroi. proses fermentasinya memerlukan media glukosa-garam mineral, temperatur inkubasi berkisar pada 25°C dengan pH asam. Asam gibberelat dan homon tanaman giberelin lainnya dimanfaatkan untuk meningkatkan produktifitas pertanian, yaitu sebagai subtansi pendukung pertumbuhan tanaman, perbungaan dan germinasi biji, serta untuk menginduksi pembentukan buah tanpa biji.

Asam laktat diproduksi oleh lactobasillus delbrueckii, spesies lactobasilus lainnya, streptococcus, dan leuconustoc. Asam laktat digunakan untuk mengawetkan makanan pada industri penyamkan kulit dan industri tekstil. Media yang digunakan dalam fermentasi asam laktat ini memerlukan glukosa 10-15%, kalsium karbonat 10% untuk menetralisasi asam laktat yang dihasilkan, amonium fosfat, dan sejumlah kecil sumber netrogen. Gula jagung, pati kentang dan gandum sering digunakan sebagai sumber karbohidrat. Temperatur inkubasi berkisar pada 45-50°C dengan pH berkisar antara 5,5-6,5. Setelah proses fermentasi selama 5-7 hari, kurang lebih 90% gula telah diubah menjadi asam laktat, kalsium karbonat selanjutnya ditambahkan untuk menaikkan pH hingga 10, kemudian media fermentasi dipanaskan dan disaring. Prosedur ini akan membunuh bakteri, mengkoagulasi protein, menghilangkan sisa kalsium karbonat, dan mendokoposisi residu karbohidrat.

6. Produksi Enzim

Enzim yang disolasi dari mikroorganisme dapat diaplikasikan pada berbagai macam industri. Misalnya, enzim proteose yang diisolasi dari bahan pembersih. Protease merusak dan melarutkan protein yang mengotori pakaian. Enzim yang dihasilkan untuk proses-proses industri meliputi protease , amilase, glikosa isomerase, glukosa oksidase, renin, pektinase, dan lipase.empat macam enzim yang secara luas diproduksi oleh mikroganisme adalah protease, glukamilase,α-amilase, dan glukosa isomerase.

Protease adalah enzim yang menyerang ikatan peptida molekul protein dan membentuk fragmen-fragmen kecil peptida. Strain rekombinan Basillus sp. GX6644 mensekresikan alkalin protease yang sangat aktif terhadap protein kasein susu. Dengan aktifitas tertinggi pada pH 11 dan temperatur 40-55°C. Strain rekombinan yang lain yaitu Basillus sp. GX6638 mensekresi beberapa alkalin protease yang aktif pada kisaran pH yang cukup luas (8-12). Fungi yang mempreduksi protease adalah spesies Aspergillus. Protease yang dihasilkan oleh fungi memiliki kisaran pH yang lebih luas dibandingkan protease yang diperoduksioleh bakteri.

Amilase digunakan dalam detergen dan dalam industri pembuatan bir. Ada beberapa tipe amilase, termasuk α-amilase yang digunakan untuk mengubah pati menjadi maltosa dan dekstrin, glukamilase yang mengubah pati menjadi glukosa. Ketiga enzim diatas digunakan untuk memproduksi sirup dan dekstrosa dari pati. Produksi amilase menggunakan fungi Aspergillus sp. Aspergillus oryzae yang digunakan untuk memproduksi amilase dari gandum pada kultur stasioner. Bacillus subtilis dan bacillus diastaticus digunakan untuk memproduksi amilase bakteri.

Glukosa isomerase mengubah glukosa menjadi friktosa yang dua kali lebih manis dibandingkan sukrosa dan 1,5 kali lebih manis  dibandingkan glukosa, sehingga fruktosa merupakan bahan pemanis  yang sangat penting pada industrimakanan dan minuman. Enzim ini diproduksi oleh Bacillus coagulan, streptomyces sp. Dan Nocardia sp.

Renin merupakan enzim penggumpal susu yang mengkatalisis koagulasi susu dalam industri pembuatan keju. Enzim ini diproduksi oleh Mucor pussilus.

Enzim mikroorganisme juga digunakan dalan produksi polimer sintetik. Misalnya, industri plastik saat ini menggunakan metode kimia untuk mereduksi alkene oxidan yang digunakan untuk memproduksi plastik. Produksi alkene oxidan dari mikroorganisme melibatkan aksi tiga enzim yaitu piranose-2-oksidase dari fungi oudmansiella mucida, enzim haloperoksidase dari fungi Caldariomyces sp. Dn enzim epoxidase dari falvobacterium sp.

Pada produksi enzim yang stabil terhadap panas, DNA polimerase sangat penting dalam proses amplifikasi DNA. Reaksi rantai polimerase sangat penting bagi diagnosis kesehatan, forensik, dan penelitian biologi mulekular. Kultur thermus aquacitus, dan mikroorganisme termofilik  yang direkayasa secara genetis mengndung gen untuk  taq DNA polimerase dari thermus aquaticus, digunakan untuk membuat DNA polimerase rekombinan yang stabil terhadap panas, yang disebut amplitaq.

7. Produksi alkaloid ergot

Alkaloid, beberapa diantaranya dapat dimanfaatkan dalam terapi, umumnya diperoleh dari tanaman, namun alkaloid ergot dihasilkan dari fungi. Alkaloid ergot pertama kali diperoleh dari sklerotium Ascomycetes, yaitu Claviceps purpurae. Istilah ergot digunakan untuk menunjukkan bahwa alkaloid jenis ini dihasilkan oleh fungi. Alkaloid ergot dibedakan menjadi 2 kelompok berdasarkan atas kandungan asam lisergat  dan clavin. Alkaloid asam glisergat hanya diproduksi oleh genus Claviceps, sedangkan alkaloid clavin ditemukan pada genus Aspergillus, penicillium, dan Rhizobium. Alkaloid ergot digunakan untuk menstimulasi sistem syaraf simpatik. Beberapa alkaloid lisergat seperti halnya ergotamin dan ergobasin digunakan pada terapi kandungan yaitu untuk mengkontraksi uterus pada saat proses melahirkan untuk mengkontraksi uterus postpatu.

8. Produksi protein manusia

Adanya proses rekayasa genetik dengan pemanfaatan mikroorganisme meningkatan peran industri farmasi dlam memproduksi protein manusia. Melalui tehnik rekombinasi DNA, sekuens DNA manusia yang mengkode berbagai protein dapat digabungkan dengan genum bakteri, dan dengan menumbuhkan bakteri rekonbioanan dalam fermentor, maka protein manusi dapat diproduksi secara komersial.

Insulin mutlak diperlukan oleh manusia.  Insulin merupakan hormon polipeptida yang dihasikan oleh pulau-pulau langerhans dipankreas yang berfungsi mengatur metabolisme karbohidrat.dalam makanan dikomfersi menjadi glukosa monosakarida, karbohidrat pokok dalam darah. Beberapa karbohidrat seperti fruktosa dan selulosa dapat digunakan sebagai energi sel namun tidak dikomfersi menjadi glikosa dan tidak berpatisipai dalam mekanisme pengaturan metabolisme glukosa.

Insulin dilepaskan oleh sel beta ( sel β ) pada pankreas sebagai respon naiknya kadar glukosa darah, pada saat setelah makan. Insulin memungkinkan sel-sel tubuh mengabsorbsi glukosa dari darah untuk digunakan sebagai sumber energi, diubah menjdi molekul lain yang diperlukan, atau untuk disimpan. Insulin juga merupakan sinyal kontrol utama konfersi glukosa menjdi glikogen untuk pennyimpanan internal dihati dan sel otot. Bila jumlah insulin yang tersedia tidak mencukupi, sel tidak merespon adanya insulin (tidak sensitif atau resisten insulin), atau bila insulin itu sendiri tidak produksi oleh sel-sel beta akibat risaknya sel-sel beta pada pankreas, maka glukosa tidak dapat dimanfaatkan oleh sel tubuh atau pun disimpan dalam bentuk cadangan makanan dalam hati maupaun sel otot. Akibat yang terjadi adalah peningkatan kadar glukosa dalam darah, penurunan sintesis protein, dan gangguan proses-proses metabolisme dalam tubuh.

Insulin diperlukan bagi penderita diabetes melitus, suatu penyakit ganguan metabolisme kabohidrat, khususnya penderita diabetes millitus tipe 1 yang memerlukan asupan insulin eksogen. Pada mulannya, sumber insulin untuk penggunaan klinis pada manusi diperoleh dari pankreas sapi, kuda, babi, maupun ikan.insulinyang diperoleh dari sumber-sumber tersebut efektif bagi manusi karena identik dengan insulin manusia. Hanya terdapat perbedaan 3 asam amino antara insulin sapi dengan insulin manusia, dan hanya terdapat perbedaan sebesar 1 asam amino antara insulin babi dengan insulin manusia.

Disebabkan mekanisme reaksi alergi yang timbul akibat mengguanakan insulin dari hewan ( sapi, babi, ikan, maupaun kuda) dalam jangka waktu lama khususnya penderita diabetes mellitus tipe 1, maka insulin dari manusia mulai diproduksi dengan menggunakan tehnik rekayasa genetik.

Prusahaan farmasi Amerika serikat Eli Lilly, memasarkan produk insulin manusia yang pertama, Humulin pada tahun1982. DNA manusia yang mengkode insulin dipotong dan disisipkan kedalam fektor ( contohnya plasmid ) yang selanjutnya ditransformasi kedalam sel Escherichia coli sebagai inang. Sel inang tumbuh dan bereproduksi secara normal, dan karena terdapat DNA manusia yang disisipkan, maka sel inang tersebut otomatis akan menghasilkan insulinmanusia. Proses yang serupa juga dilakukan pada produksi interferon, hormon pertumbuhan manusia ( tumour necrosis factor, TNF) dan interleukin-2 ( IL-2 ).

Hormon petumbuhan TNF digunakan untuk mengobati penyakit dwarfisme (cebol) akibat kekurangan hormon ini. IL-2, TNF dan IFN merupakan komponen penting respon imunitas alami manusia, dan produksinya terbukti berguna untuk mengobati berbagai penyakit. Misalnya IFN penting dalam pertahanan terhadap infeksi virus dan pengobatan akibat infeksi virus. TNF adalah substansi alami yang dihasilkan tubuh dalam jumlah kecil oleh sel darah putih tertentu yang disebut makrofag, berfungsi menbunuh beberapa sel kangker dan mikroorganisme infeksius tanpa mempengaruhi sel-sel nomal. Produk rekombiana lainnya adalah aktifator plasminogen jaringa ( alteplase) yang merupakn protein yang tersusun atas 527 asam amino yang digunakan untuk mengobati penderita serangan jantung.