Biosintesis Antibiotik

Biosintesis Antibiotik – Antibiotik merupakan senyawa metabolit yang dihasilkan suatu organism tertentu dalam jumlah yang kecil yang bersifat menghambat atau merusak mikroorganisme lain. Artinya, antibiotik merupakan zat kimia yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme yang menghambat mikroorganisme lain. Penemuan antibiotik berawal dari ditemukannya sifat antagonisme diantara mikroorganisme yang tumbuh berdekatan di lingkungan alamiah (Pelczar dan Chan, 2008). Antibiotik pertama yang dihasilkan oleh bakteri berasal dari Bacillus brevis yang diisolasi dari tanah. Rene Dubos pada tahun 1939 menemukan bahwa Bacillus brevis memiliki suatu substansi yang mampu mematikan banyak bakteri gram positif. Ekstrak substansi yang diperoleh dari bakteri tersebut mengandung dua bahan aktif yang sekarang dikenal dengan nama gramisidin dan tirosidin.

Mekanisme kerja dari antibiotik dibagi 4 kelompok menurut Brooks et al. (2005), yaitu:

  1. Penghambatan terhadap sintesis dinding sel (contoh: basitrasin, sefalosporin, sikloserin dan vankomisin)
  2. Penghambatan terhadap fungsi membran sel (contoh: amfoterisin β, kolistin, imidasol, triasol, polien, dan polimiksin)
  3. Penghambatan terhadap sintesis protein (misal: penghambatan translasi dan transkripsi material genetik, contoh: kloramfenikol, eritromisin, linkomisin, tetrasiklin, dan aminoglikosida)
  4. Penghambatan terhadap sintesis asam nukleat (contoh: quinolon, pyrimethamin, rifampin, sulfonamide, trimethoprim dan trimetraxat).

Adapun sifat dari antibiotik yang didasarkan kemampuannya dalam menghambat atau membunuh mikroorganisme lain yaitu:

  • Antibiotik bakterisidal: merupakan antibiotik yang mampu membunuh sel bakteri, contohnya: penicillin, streptomisin, bacitrasin, neomisin, dan polimiksin.
  • Antibiotik bakteriostatik: merupakan sediaan sulfa, tetrasiklin, kloramfenikol, eritromisin, tilosin, dan oleandomisin (Rahayu, 2011).

Berdasarkan atas sifat bakteri yang peka, antibiotik dibedakan dalam 3 kelompok, yaitu (1) antibiotik yang peka terhadap bakteri Gram-positif, misalnya penicillin, basitrasin, novobiosin, sefalosporin, eritromisin, tilosin dan oleandomisin 2) antibiotik yang peka terhadap bakteri Gram-negatif, misalnya streptomisin, dehidrostreptomisin, neomisin, polimiksin, colistin, kanamisin dan gentamisin (3) antibiotik spektrum luas, seperti ampisillin, amoksisillin, tetrasiklin, kloramfenikol, sediaan sulfa, nitrofurans dan sefalosporin.

Suatu zat antibiotik teurapeutik yang ideal, hendaknya memiliki sifat-sifat sebagai berikut:

  1. Mempunyai kemampuan untuk merusak atau menghambat mikroorganisme pathogen spesifik,
  2. Tidak mengakibatkan berkembangnya bentuk-bentuk resisten parasit,
  3. Tidak menimbulkan efek samping yang tidak dikeehendaki pada inang, seperti reaksi alergis, kerusakan pada saraf, iritasi pada ginjal atau saluran gastrointestin,
  4. Tidak melenyapkan flora mikroba normal pada inang, karena gangguan flora normal pada inang dapat mengacaukan keseimbangan alamiah sehingga memungkinkan mikroba yang biasanya nonpatogenik atau bentuk-bentuk pathogen yang semula dikendalikan oleh flora normal dapat menimbulkan infeksi baru,
  5. Diberikan melalui mulut tanpa diinaktifkan oleh asam lambung, atau memalui suntikan tanpa terjadi pengikatan dengan protein darah,
  6. Memiliki taraf kelarutan yang tinggi dalam zat alir tubuh, dan
  7. Konsentrasi antibiotik dalam jaringan atau darah harus dapat mencapai taraf cukup tinggi sehingga mampu menghambat atau mematikan penyebab infeksi.

Proses pertumbuhan mikroorganisme dan tahap-tahapnya meliputi tahap: lag, log, dan fase stationer. Berbagai senyawa metabolit dibentuk pada fase-fase pertumbuhan tersebut. Terdapat dua bentuk dasar senyawa metabolit mikroorganisme, yaitu metabolit primer dan sekunder. Metabolit primer merupakan senyawa yang dibentuk selama fase pertumbuhan primer mikroorganisme, sedangkan metabolit sekunder merupakan senyawa yang dibentuk menjelang akhir fase pertumbuhan primer mikroorganisme, seringkali menjelang atau fase stationer pertumbuhan. Perbandingan antara metabolit primer dengan sekunder dapat dilihat pada Gambar 1.

Biosintesis dan Mekanisme Kerja Antibiotik

Gambar 1 Perbandingan antara metabolit primer dengan sekunder

(Sumber : Brock & Madigan,1991dalam Glazer (2007)).

Metabolisme primer merupakan proses yang produknya dihasilkan selama fase pertumbuhan primer mikroorganisme seperti fermentasi alkohol (etanol). Etanol merupakan suatu produk metabolisme anaerobik dari ragi dan bakteri tertentu, dan dibentuk sebagai bagian dari metabolisme energi. Karena pertumbuhan hanya terjadi jika terjadi produksi energi, pembentukan etanol terjadi secara paralel dengan pertumbuhan. Tipe fermentasi alkohol, memperlihatkan pembentukan sel mikroorganisme, etanol, dan penggunaan gula, diperlihatkan pada Gambar 2a

Biosintesis dan Mekanisme Kerja Antibiotik

Gambar 2a Perbandingan metabolisme primer dengan metabolisme sekunder

(Sumber : Brock & Madigan,1991dalam Glazer (2007)).

a). Metabolisme primer : Pembentukan alkohol oleh sel ragi. (b). Metabolisme sekunder: pembentukan penisilin oleh fungi Penicillium chrysogenum, memperlihatkan pemisahan fase pertumbuhan (trofofase) dan fase produksi (idiofase). Catatan pada (b), sebagian besar produk dihasilkan setelah pertumbuhan memasuki fase stasioner.

Metabolisme sekunder merupakan proses yang kompleks, salah satu produknya yang diharapkan tidak dihasilkan selama fase pertumbuhan primer, tetapi menjelang atau tepat pada fase stasioner Metabolit yang dihasilkan pada fase tersebut sering dinamakan metabolit sekunder, dan merupakan sejumlah metabolit yang penting dan menarik dalam industri. Kinetika tipe proses metabolit sekunder tersebut, pada proses pembentukan penisilin, dapat dilihat pada gambar 2b. Metabolisme primer umumnya sama pada semua sel, sedangkan metabolism sekunder memperlihatkan perbedaan antara satu organisme dengan yang lainnya.

Karakteristik metabolit sekunder yang dikenal, adalah :

a) Setiap metabolit sekunder dihasilkan hanya oleh sebagian kecil organisme/relatif sedikit.

b) Metabolit sekunder kelihatannya tidak penting untuk pertumbuhan dan reproduksi sel.

c) Pembentukan metabolit sekunder sangat ekstrim bergantung pada kondisi pertumbuhan, khususnya komposisi medium. Sering terjadi tekanan pembentukan metabolit sekunder.

d) Metabolit sekunder sering dihasilkan sebagai kelompok struktur yang berhubungan erat. Sebagai contoh, strain tunggal spesies Streptomyces ditemukan dapat menghasilkan 32 antibiotik antrasiklin yang berbeda tetapi berhubungan.

e) Sering terjadi produksi metabolit sekunder secara berlebihan, sedangkan metabolit primer terikat pada metabolisme primernya, biasanya tidak mengalami kelebihan produksi seperti hal tersebut.

Dalam metabolisme sekunder terdapat dua fase yang berbeda, yang disebut trofofase dan idiofase. Trofofase merupakan fase pertumbuhan, sedangkan idiofase merupakan fase pembentukan metabolit. Meskipun merupakan suatu kekeliruan untuk menganggap hal tersebut menjadi dua fase, tapi istilah tersebut merupakan penyederhanaan yang sesuai, karena menolong kita dalam kajian fermentasi industri. Jadi, jika kita berurusan dengan metabolit sekunder, harus menjamin kondisi yang tersedia selama trofofase untuk pertumbuhan yang baik, selanjutnya kita harus yakin bahwa kondisi tersebut pantas untuk diubah pada waktu yang hampir bersamaan supaya menjamin pembentukan produk yang baik.

Antibiotik merupakan senyawa metabolit sekunder dari proses metabolime mikroorganisme. Metabolit sekunder umumnya dihasilkan dari beberapa produk perantara yang berkumpul dalam medium atau dalam sel, selama metabolisme primer. Satu karakteristik metabolit sekunder adalah enzim yang terlibat pada produksi metabolit sekunder diatur secara terpisah dari enzim metabolisme primer. Dalam banyak kasus, sudah diidentifikasi inducer spesifik metabolit sekunder. Sebagai contoh, inducer spesifik untuk produksi streptomisin, yaitu suatu senyawa yang disebut A-factor.

Sebagian besar metabolit sekunder merupakan molekul organik kompleks yang dibutuhkan untuk sintesis sejumlah besar reaksi enzimatik spesifik. Sebagai contoh, saat ini diketahui paling sedikit 72 tahap enzimatik yang dilibatkan dalam sintesis antibiotik tetrasiklin dan lebih dari 25 tahap enzimatik pada sintesis eritromisin, tidak satupun reaksi tersebut terjadi selama metabolisme primer, karena bahan pemula untuk metabolisme datang dari jalur biosintetik utama. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 3.

Biosintesis dan Mekanisme Kerja Antibiotik

Keterangan : * = metabolit primer, # = metabolit sekunder

Gambar 3. Hubungan antara jalur metabolik primer untuk sintesis asam amino aromatik dengan jalur metabolik sekunder untuk berbagai antibiotik (Sumber : Brock & Madigan,1991 dalam Glazer (2007)).

Antibiotik merupakan senyawa obat yang alami maupun sintetik, yang dihasilkan oleh mikroorganisme yang berupa bakteri ataupun jamur yang berkhasiat sebagai obat apabila digunakan dalam dosis tertentu dan berkhasiat mematikan atau menghambat pertumbuhan kuman ataupun mikroorganisme lainnya (yang bersifat parasit), dan toksisitasnya tidak berbahaya bagi manusisa (Pelczar dan Chan, 2005). Awalnya, istilah yang digunakan adalah antibiosis, yang berarti substansi yang dapat menghambat pertumbuhan organisme hidup yang lain, berasal dari mikroorganisme. Namun pada perkembangannya, antibiosis disebut sebagai antibiotik (Pratiwi, 2008).

Obat antibiotik yang digunakan untuk membasmi mikroba penyebab infeksi pada manusia, ditentukan harus memiliki sifat toksisitas selektif setinggi mungkin. Artinya, obat tersebut haruslah bersifat sangat toksik untuk mikroba, tetapi relatif tidak toksik untuk hospes. Antibiotik hanya untuk bakteri dan tidak digunakan untuk virus.Aplikasi antibiotik tidak hanya untuk kemoterapi. Beberapa aplikasi antibiotik lainnya adalah antibiotik antitumor (agen sitostatik), antibiotik untuk patologi tanaman, antibiotik sebagai bahan tambahan makanan, antibiotik dalam bidang peternakan dan kesehatan hewan.

Antibiotik dihasilkan dalam metabolisme sekunder. Meskipun hasilnya relatif rendah tetapi karena aktivitas terapeutiknya tinggi maka menjadi memiliki nilai ekonomis tinggi, oleh karena itu antibiotik dibuat secara komersial melalui fermentasi mikroba. Beberapa antibiotik dapat disintesis secara kimia, tetapi karena kompleksitas bahan kimia antibiotik dan cenderung menjadi mahal, maka tidak memungkinkan sintesis secara kimia dapat bersaing dengan fermentasi mikroorganisme. Penggunaan antibiotik secara komersial, pertama kali dihasilkan oleh fungi berfilamen dan oleh bakteri kelompok actinomycetes. Daftar sebagian besar antibiotik yang dihasilkan melalui fermentasi industri berskala-besar, dapat dilihat pada Tabel 1. Seringkali, sejumlah senyawa kimia berhubungan dengan keberadaan antibiotik, sehingga dikenal famili antibiotik. Antibiotik dapat dikelompokkan berdasarkan struktur kimianya (Tabel 1). Sebagian besar antibiotik digunakan secara medis untuk mengobati penyakit bakteri, meskipun sebagian diketahui efektif menyerang penyakit fungi. Secara ekonomi dihasilkan lebih dari 100.000 ton antibiotik per tahun, dengan nilai penjualan hamper mendekati $ 5 milyar.

Tabel 2 Beberapa antibiotik yang dihasilkan secara komersial

(Sumber:Brock & Madigan,1991dalam Glazer (2007))

Biosintesis dan Mekanisme Kerja Antibiotik

Bahan antibiotik yang sudah diketahui, lebih dari 8.000 , dan beberapa ratus antibiotik ditemukan dalam beberapa tahun. Dan sejumlah peneliti mempercayai bahwa berbagai antibiotik baru dapat ditemukan lagi jika penelitian dilakukan terhadap kelompok mikroorganisme selain Streptomyces, Penicillium, dan Bacillus. Sekali diketahui urutan struktur gen mikroorganisme penghasil-antibiotik, dengan teknik rekayasa genetika memungkinkan pembuatan antibiotik baru. Cara utama dalam menemukan antibiotik baru yaitu melalui ‘screening’. Dengan pendekatan tersebut, sejumlah isolat yang kemungkinan mikroorganisme penghasil-antibiotik yang diperoleh dari alam dalam kultur murni, selanjutnya isolate tersebut diuji untuk produksi antibiotik dengan bahan yang “diffusible”, yang menghambat pertumbuhan bakteri uji.

Bakteri yang digunakan untuk pengujian, dipilih dari berbagai tipe, dan mewakili atau berhubungan dengan bakteri patogen. Prosedur pengujian mikroorganisme untuk produksi antibiotik adalah metode goressilang, pertamakali digunakan oleh Fleming. Dengan program pemisahan arus, ahli mikrobiologi dapat dengan cepat mengidentifikasi, apakah antibiotik yang dihasilkan termasuk baru atau tidak. Sekali ditemukan organisme penghasil antibiotik baru, antibiotik dihasilkan dalam sejumlah besar, dimurnikan, dan diuji toksisitas dan aktivitas terapeutiknya kepada hewan yang terinfeksi. Sebagian besar antibiotik baru gagal menyembuhkan hewan uji, dan sejumlah kecil dapat berhasil dengan baik. Akhirnya, sejumlah antibiotik baru ini sering digunakan dalam pengobatan dan dihasilkan secara komersial.

Tabel 3 Klasifikasi antibiotik sesuai dengan struktur kimianya dan

contoh antibiotik (sumber:Brock & Madigan,1991 dalam Glazer (2007))

Biosintesis dan Mekanisme Kerja Antibiotik

Suatu antibiotik yang dihasilkan secara komersial, pada awalnya harus berhasil diproduksi pada fermentor industri berskala-besar. Salah satu gugus-tugas penting adalah pengembangan efisiensi metode pemurnian. Metode elaborasi (yang terperinci) sangat penting dalam ekstraksi dan pemunian antibiotik, karena jumlah antibiotik yang terdapat dalam cairan fermentasi hanya sedikit.

Biosintesis dan Mekanisme Kerja Antibiotik

 Gambar 4 Seluruh proses ekstraksi dan pemurnian antibiotik

(Sumber:Brock & Madigan,1991 dalam Glazer (2007))

Jika antibiotik larut dalam pelarut organik yang tidak dapat bercampur dengan air, maka pemurniannya relatif lebih mudah, karena memungkinkan untuk mengekstraksi antibiotik ke dalam suatu pelarut bervolume kecil, sehingga lebih mudah mengumpulkan antibiotik tersebut. Jika antibiotik tidak larut dalam pelarut, selanjutnya harus dipindahkan dari cairan fermentasi melalui adsorpsi, pertukaran ion, atau presipitasi secara kimia. Pada semua kasus, tujuannya untuk memperoleh produk kristalin yang sangat murni, meskipun sejumlah antibiotik tidak mudah terkristalisasi dan sulit dimurnikan.

Masalah yang berhubungan adalah, kultur sering menghasilkan produk akhir lain, termasuk antibiotik lain, dalam hal ini penting mengakhiri proses dengan suatu produk yang hanya terdiri dari antibiotik tunggal. Pemurnian secara kimia mungkin dibutuhkan untuk mengembangkan metode dalam rangka menghilangkan produk sampingan yang tidak diharapkan, tetapi dalam beberapa kasus hal tersebut penting untuk ahli mikrobiologi untuk menemukan strain yang tidak menghasilkan senyawa kimia yang tidak diharapkan.

Peranan mikroba sendiri dalam usaha peningkatan hasil metabolit sekunder memegang peranan yang cukup penting. Di mana mikroba yang terlibat dalam peningkatan metabolit sekunder termasuk di antaranya adalah antibiotik, pigmen, toksin, kompetisi ekologi dan simbiosis, feromon, enzim inhibitor, imunomodulating agents, reseptor antagonis dan agonis, petisida, anti tumor agents,dan growth promoters dari tanaman dan hewan. Sehingga mikroba berpengaruh penting dalam kehidupan.

Selain itu juga diketahui bahwa aktifitas metabolit sekunder dari mikroba terbagi menjadi dua yaitu :

Metabolit sekunder dengan aktifitas non-antibiotik yaitu :

a. Antitumor agents

b. Protease/peptides inhibitors

c. Inhibitors of cholesterols biosynthesis

d. Inhibitor Angiotensin-Converting Enzyme (ACE)

e. Inhibitor lain

f. Immunosupresant.

Metabolit sekunder dengan aktifitas antibiotik, yaitu :

a. Antibacterial agents

b. Antifungal agents

Produksi antibiotik sendiri saat ini menggunakan berbagai teknik produksi, teknik umum yang sering digunakan terutama adalah memproduksi antibiotik adalah fermentasi dan modifikasi senyawa kimia dari hasil fermentasi. Antibiotik merupakan molekul kecil yang disintesis oleh enzim. Aktifitas enzim sangat diperlukan dalam setiap jalur kompleks, selain itu juga penting untuk diketahui bahwa ada pengaruh fisiologis untuk mampu meningkatkan produksi fermentatif bagi organisme penghasil antibiotik. Produksi dari metabolit sekunder sendiri dihasilkan setelah fase pertumbuhan terhenti.

Sebagai contoh banyak antibiotik yang dihasilkan oleh organisme spore-forming (Streptomyces yang merupakan prokariot dan filamentous fungi yang merupakan eukariot) dan karena produk antibiotik dan sporulaton baru mulai dihasilkan pada awal fase stasioner, salah satu dugaan, proses ini terjadi dengan menggunakan mekanisme overlapping, yang dimodulasi oleh intercellular signaling molecules. (Glazer, 2007).

Mikroorganisme Penicillium chrysogenum dapat menghasilkan antibiotik Penisilin dengan cara proses fermentasi. Mikroorganisme ini mempunyai spektrum yang sangat luas terhadap bakteri gram positif dan gram negatif serta beberapa jamur dengan daya toksisitas yang rendah. Antibiotik penisilin dikenal sebagai antibiotik β-laktam merupakan inhibitor spesifik terhadap sintesis dinding sel bakteri. Situs aksi antibiotika ini adalah transpeptidase dan D-alanin karboksipeptidase, yang mengkatalis polimerisasi rantai peptidoglikan.

Dari beberapa pengembangan secara empirik dapat dibuat kondisi fermentasi untuk produksi antibiotik. Ternyata banyak proses fermentasi dilakukan dalam dua tahapan, dimulai dari tahapan spora, dengan aerasi yang cukup dan suplai nutrient yang baik maka akan dihasilkan sel dengan kepadatan tinggi. Tahapan ke dua adalah pada saat kultur dalam kondisi stasioner atau berhenti pertumbuhannya dan memulai produksi antibiotik dengan tetap memperhatikan nutrisi yang diberikan, dengan dikontrol secara hati-hati mengunakan continuous-feed processes. (Glazer, 2007).

Yang menyebabkan proses fermentasi untuk produksi penisilin jauh lebih baik dijelaskan dalam literature, daripada antibiotik lainnya. Dari data publikasi menunjukkan bahwa saat ini tersedia dalam strain P. chrysogenum, fraksi besar dari karbon dari glukosa ditambahkan ke dalam jalur penisilin G. Perhatian khusus harus di bayar untuk menyediakan hanya jumlah yang cukup dari prekursor rantai samping phenylacetic asam yang beracun, oleh karena itu harus ditambahkan dengan perlahan menggunakan continuous-feed processes.

Secara umum proses fermentasi menggunakan proses batch fermentation, di mana sejumlah medium dimasukkan ke dalam tank yang steril dan di inokulasi dengan mikroorganisme. Kultur akan siap menuju fase lag dan exponensial dari pertumbuhan dan akhirnya mendekati fase stasioner, di mana di fase ini hampir tidak ada kenaikan kepadatan dari organisme, proses batch fermentation merupakan sistem tetutup, sedangkan sistem terbuka dapat menggunakan continuous fermentation. Medium steril dan segar ditambahkan secara konstan dengan jumlah yang sama dari medium yang mengandung mikroorganisme sehingga mengeluarkan produk secara konstan. Kelebihan dari continuous fermentation sendiri adalah medium akan menghasilkan produk dengan konsentrasi tinggi, sedangkan dalam batch fermentation justru banyak waktu yang akan terbuang untuk menunggu medium mencapai konsentrasi produktif. Walaupun continuous fermentation memiliki beberapa kelebihan, dalam skala industri hanya sedikit produk yang bisa dihasilkan karena continuous fermentation merupakan sistem terbuka, maka sangat sulit untuk menghindarkan dari kontaminan.(Glazer, 2007).

Berkomentarlah dengan bijak,,No Spam !