Genetika Mikroba

Genetika Mikroba

A.    Unsur-unsur Genetis Pada Mikroba

Material genetik bakteri terdiri atas kromosom dan plasmid. Keduanya terdiri atas DNA. Dua fungsi utama materi genetik adalah replikasi dan ekspresi. Material genetik harus bereplikasi secara akurat sehingga dihasilkan 2 replikan (anakan) yang identik dengan induknya. Materi genetik juga terekspresi dalam bentuk karakter terobservasi atau fenotip.

1.    Kromosom

Kromosom bakteri mempunyai beratnya 2-3% dari berat kering satu sel, pada sel haploid (prokariot) bersifat kromosom tunggal dan tidak berpasangan. Berbentuk sirkuler, panjangnya ± 1mm, beratnya 2-3% dari berat kering satu sel, disusun sekitar 4 juta kpb DNA, makromolekul yang sangat banyak ini dikemas agar tidak berubah dalam bentuk superkoil (± 70-130 superkoil domain) (Syahrurachman, 1994). Kebanyakan gen prokariota terdapat pada kromosom, yang terletak dalam suatu bagian pusat sitoplasma, yang dinamakan daerah nuklear atau nukleoid untukn membedakannya dari membran-pengikat nukleus pada sel eukariotik. Jumlah nukleoid dalam sel bakteri dapat lebih dari satu, tergantung kecepatan pertumbuhan dan ukuran sel. Nukleoid berisi gen yang penting untuk pertumbuhan bakteri.

2.    Plasmid

Plasmid adalah material genetik ektrakromosomal. Ukuran plasmid lebih kecil daripada kromosom. Plasmid biasanya mengkode polipeptida yang tidak penting bagi pertumbuhan secara langsung. Plasmid berbentuk sirkuler, tetapi terdapat plasmid berbentuk linier seperti terlihat pada Borrelia dan Streptomyces. Plasmid dibedakan menjadi 2, yaitu plasmid konjugatif dan non-konjugatif. Plasmid konjugatif adalah plasmid yang mampu didonorkan ke resepien, sedangkan plasmid non-konjugatif tidak dapat didonorkan. Plasmid non-konjugatif biasanya berukuran kurang dari 7,5 kbp dan biasanya berjumlah banyak (10-20 perkromosom). Plasmid didistribusikan secara acak ke sel anakan.

Meskipun plasmid tidak berperan langsung dalam pertumbuhan, tetapi plasmid memiliki fungsi penting secara medis. Fungsi penting plasmid secara medis, yaitu kemampuan plasmid mengkode polipeptida resistensi antibiotik, toksin, struktur permukaan sel untuk perlekatan dan kolonisasi. Plasmid yang berperan dalam resistensi antibiotika disebur plasmid R atau faktor R. 

Struktur DNA Dan RNA

DNA (Asam Deoksiribonukleat)

DNA/ Kromosom bakteri lebih banyak diteliti dari pada kromosom organisme lain. DNA bakteri mampu mengkode 1000-3000 polipeptida yang berbeda-beda. DNA bakteri merupakan molekul berantai ganda yang sirkuler. Struktur Dna bakteri tidak merupakan bentuk sederhana tetapi merupakan belitan yang tidak teratur dalam sitoplasma. James Watson dan Francis Crick (1953) telah menemukan struktur DNA yang berupa dua untai pita DNA terpilin. Penemuan ini merupakan titik awal revolusi biologi karena merupakan penemuan struktur DNA ini sangat penting untuk mempelajari dan memahami bagaimana informasi genetik dapat dipindahkan dari satu generasi ke generasi berikutnya serta bagaimana DNA dapat mengendalikan replikasinya.

Replikasi informasi herediter di dalam sel melibatkan sintesis molekul DNA baru yang mempunyai urutan nukleotida sama seperti genom sel inangnya. Molekul DNA adalah makromolekul yang mempunyai informasi herediter suatu sel. DNA ini tersusun oleh sub unit-sub unit yang disebut dengan nukleotida atau deoksiribonukleotida. Urutan nukleotida menentukan kespesifikan suatu informasi herediter dan berisi mekanisme untuk mengendalikan eksperi genetik.

Masing-masing deoksiribonukleotida terdiri dari basa nitrogen (asam nukleat), gula deoksiribosa, dan gugus fosfat. Basa asam nukleat terdiri dari basa purin terdiri : Adenin (A) dan guanin (G) yang mempunyai dua cincin. Dan pirimidin terdiri atas : timin (T) dan sitosin (C) yang hanya mempunyai satu cincin. Purin dan pirimidin merupakan molekul heterosiklis karena mengandung dua macam atom C dan N. Basa asam nukleat menempel pada deoksiribosa membentuk deoksiribonukleosida. Deoksiribonukleosida ini bergabung dengna gugus fosfat pada atom C5 membentuk subunit deoksiribonukleotida DNA.

RNA (Asam Ribonukleat)

Asam nukleat lainnya yang dijumpai secara alamiah ialah asam ribonukleat (RNA). Bedanya dari DNA ialah :

1. Biasanya berutasan tunggal
2. Komponen gula pada nukloetida yang membentuk RNA adalah ribosa, dan bukan deoksiribose. Ribose adalah sama dengan deoksiribose kecuali adanya gugusan hidroksil pada atom karbon nomor 2
3. Basa bernitrogen pirimidin yang dijumpai pada  nukleotida yang membentuk RNA ialah urasil bukan timin.

Replikasi DNA

Replikasi DNA berarti penggandaan. Ada 3 model replikasi DNA yaitu :

1. Model konservatif.

Model ini menyatakan bahwa 2 rantai DNA bereplikasi tanpa memisahkan rantai-rantainya.

2. Model semi konservatif.

Model ini menyatakan bahwa 2 rantai DNA berpisah kemudian bereplikasi.

3. Model dispersi.

Model ini menyatakan bahwa DNA terpecah menjadi potongan-potongan yang kemudian bereplikasi.

Meselson dan Stahl membuktikan bahwa DNA bereplikasi sesuai model semi-konservatif.Replikasi model semi konservatif dimulai pada suatu situs tertentu yang sudah pasti pada kromosom bakteri yang disebut titik pangkal kedua utas DNA memisah pada situs ini membentuk struktur berbentuk Y. Titik persimpangannya disebut titik tumbuh.Replikasi bergerak berurutan dari titik tumbuh, baik pada satu arah atau dua arah.Titik asal dan titik tumbuh terikat pada membran sel dan situlah kedua utusan tersebut diduplikasikan.Masing-masing utasan mempunyai urutan basa yang komplementer terhadap urutan basa pada utasan-utasan DNA yang mula-mula.

Enzim DNA polymerase nemanbahkan nukleotida pada ujung hidroksil-3' utasan atau utasan–utasan DNA yang sedang berreplikasi, jadi mensintenis utasan-utasan DNA dengan arah 5' ke 3'.Sejauh ini belum ditemukan polymerase yang mereplikasi dengan arah 3' ke 5'.Sintesis DNA bersifat sinambung.Selain mekanisme replikasi DNA yang baru saja diuraikan, inisiasi (pengawwalan) replikasi DNA membutuhkan suatu pancing atau pemula yaitu sepotong pendek RNA yang disentesis oleh RNA polymerase dan komplementer terhadap DNA.Dengan adanya pemula ini, DNA polymerase dapat mulai mensisntesis duoksiribonukleotida.Sekali pancingan mengena, DNA polymerase lalu mencerna RNA tersebut dapat menggantikannya dengan DNA. Berpartisipasinya RNA sebagai pancing tampaknya ekstensif karena setiap fragmen okazaki juga mengandung sebagian RNA sebagai pancing.

Bila titik-titik tumbuh telah bergerak di seluruh panjang molekul DNA, maka terbentuk dua molekul DNA yang lengkap.Setiap molekul berutasan ganda mengandung salah satu dari utasan asli atau satu utasan baru.

B.     Mutasi Dan Rekombinasi Genetis

Unsur atau ciri baru yang dapat diwariskan dapat muncul karena dua mekanisme. Pertama yang disebut mutasi, yang kedua disebut rekombinasi. Mutasi adalah perubahan fisik gen, yang mengubah efek gen. Jika suatu gen G menimbulkan produksi kimia tertentu, ia dapat bermutasi menjadi gen G₁baru yang dihasilkan oleh kimia yang berbeda. Mutasi diwarisi oleh keturunan individu  di mana mutasi pertama kali muncul. Oleh karena itu mutasi dapat menjadi asal mula perubahan evolusioner. Gen bermutasi secara spontan, tetapi dengan taraf rendah ; taraf khs mutasi adalah kira-kira sekali per sejuta generasi.Taraf ini bisa dipercepat melalui perlakuan dan proses tertentu seperti penggunaan zat kimia (misalnya: gas mustard), sinar-X, dan detonasi bom nuklir.

                                    Rekombinasi menghasilkan cakrawala baru dengan merekombinasi berbagai gen Mendelia yang sudah ada sebelumnya.Percobaan Mendel yang dibahas hanya berkenaan dengan ssatu unsur atau ciri tertentu.Tetapi ukuran bukan satu-satunya unsur kacang polong.Ada ratusan unsur lain-warna, resistensi terhadap suhu dingin, bentuk daun.Unsur-unsur lain juga dikontrol oleh gen mendelian.Apabila keseluruhan perangkat gen diteruskan ke generasiselanjutnya, gen tertentu mungkin diwariskan secra independen, atau mungkin diwariskan sebagai satuan. Gen diwariskan bersama sebagai satu satuan jika gen-gen tersebut terikat(linked genes).

                        Apakah gen tertentu diwariskan secar independen atau tidak, tergantung pada keadaan apakah gen ini berada pada kromosom yang sama. Kromosom adalah struktur molekul yang membawa gen: manakala kromosom diteruskan dari induk ke dalam gametnya, informasi hereditas dibawa bersamanya. Suatu individu mengandung lebih dari satu kromosom, walaupun jumlah yang pasti berbeda diantara spesies; manusia misalnya memiliki 46 kromosom; kacang memiliki 14. Jika gen yang mengontrol dua ciri yang berlainan ( misal ukuran dan warna) berada dalam kromosom yang berbeda, mereka kan diwariskan secara bebas. Tetapi jika dua ciri berada dalam kromosom yang sama mereka cenderung diwariskan secara satuan.

                        Rekombinasi menghasilkan jenis organisme baru dengan merombak perangkat terikat dari gen. Melalui mekanisme yang disebut persilangan crossing- over), yang dapat disaksikan pada mikroskop, gen-gen direkombinasi antara pasangan-pasangan dalam kromosom. Mekanisme ini dapat menghasilkan kombinasi baru gen. Gen-gen ini tidak bisa diwariskan untuk waktu lama karena rekombinasi lebih jauh. Selanjutnya dapat merusak rekombinasi lama, tetapi ia tetap dapat menghasilkan jenis-jenis organisme baru. Rekombinasi barangkali secra khusus penting pada keadaan evolusioner tertentu. Jika dua mutasi terjadi pada dua gen yang berlainan pada satu kromosom, kira-kira pada saat yang sama, keduanya pada mulanya barangkali terbawa pada individu yang berbeda. Tanpa rekomindasi, keddua mutasi mungkin tak pernah berdampingan dalam kromosom fisik yang sama: salah satu dari padanya muncul untuk kedua kalinya, dalam progeni muatan yang lain.Bagaimanapun rekomendasi dengan cepat dapat menggabungkan keduanya bersama-sama.Jika kedua muatsi menimbulkan akibat superior bilamana digabung bersama ketimbang jika dipisahkan, akibat rekomendasi ini dapat mempercepat taraf mutasi.

Mutasi dan rekomendasi tidak secara konsisten menghasilkan perubahan pada arah tertentu.Mutasi yang mempengaruhi ukuran dapat menimbulkan organisme yang lebih tinggi, dan bisa juga menghasilkan yang lebih pendek.Berbagai teori evolusi ‘variasi terarah’ diajukan, tetapi kita harus menuyingkirkannya.Tidak ada bukti variasi terarah pada mutasi, pada rekombinasi, atau pada proses pewarisan mendelia.Apapun kekuatan internal teori-teori ini, ddalam kenyataan teori-teori itu salah.Pewarisan ciri yang diperoleh, atau teori perubahan herediter terarah (atau mutasi terarah) tidak berlaku dalam menjelaskan mekanisme evolusi.

Fakta-fakta pewarisan, dari mutasi, rekombinasi, dan hereditas mendel, hanya menyokong evolusi terarah acak (random direction).Karena ada arah dalam evolusi, kita membutuhkan mekanisme lain dalam menjelaskannya.

                        Evolusi tidak lepas dari teori mutasi makro, artinya suatu mutasi yang sangat besar, suatu mutasi yang menghasilkan seluruh organ baru, seperti hati atau jantung, dalam satu kejadian mutasi. Menurut teori Darwin, mutasi makro tidak penting dalam evolusi. Alasannya ialah bahwa semua perubahan yang benar dan yang diperlukan untuk membuat oragn kompleks seperti hati tidak mungkin muncul seluruhnya secara spontan pada saat yang sama.Perubahan mutasi muncul karena perubahan yang kebetulan pada bagian-bagian yang suddah ada sebelumnya ; oleh karena itu semua perubahan yang dibutuhkan untuk menciptakan organ hati harus muncul secara kebetulan, adalah karena perubahan disebarkan dalam waktu yang lama. Kemudian setip perubahan, katakanlah perubahan itu kecil, akan mempunyai kesempatan cukup untuk muncul secara kebetulan.Bahwa suatu pigmen peka cahaya dapat timbul dalam suatu sel karena kebetulan bukanlah perihal mustahil.Bahwasanya seluruh mata timbul sekaligus seperti itu adalah mustahil.Itulah sebabnya Darwinisme menyinhkirkan mutasi makro.Adaptasi kompleks harus berevolusi karena seleksi alam dari sejumlah besar mutasi kecil yang terjadi dalam waktu lama.

C.    Transformasi, Transduksi dan Konjugasi

1.      Transformasi

Transformasi ialah proses pemindahan DNA bebas sel yang mengandung sejumlah terbatas informasi DNA, dari satu sel ke sel yang lain. DNA tersebut diperoleh dari sel donor melalui lisis sel alamiah atau dengan cara ekstraksi kimiawi. Begitu DNA begitu diambil oleh sel resipien, maka terjadi rekombinasi. Bakteri yang telah mewarisi penanda dari sel donor tersebut telah tertransformasi. Jadi bakteri-bakteri tertentu jika ditumbuhkan dengan diberi sel-sel mati, filtrate biakan atau ekstrak sel sesuatu galur yang berkerabat dekat, maka akan memperoleh dan lalu memindahkan ciri-ciri galur yang sekerabat tersebut. “Penyebab transformasi” ini dikenal sebagai DNA oleh Avery, Macleod, dan McCarty dalam tahun 1944. Mereka mendefinisikan DNA Sebagai substansi kimiawi yang menyebabkan sifat menurun.     

Setelah masuk DNA ke dalam sel, satu utas dengan segera dirombak oleh enzim deoksiribonuklease, sedangkan utasan lainnya mengalami perpasangan basa pada bagian yang homologus pada kromosom sel resipien, lalu menjadi terpadu ke dalam DNA. Karena perpasangan basa dari komplementer berlangsung antara satu utsa fragmen DNA dan suatu daerah khusus pada kromosom repisien maka hanyalah galur-galur bakteri yang berkerabat dekat dapat di transformasikan.

Sifat sel resipien. Kondisi yang sesuai untuk pengambilan DNA Donor kedalam sel sel resipien terjadi hanya selama fase pertumbuhan logaritmik. Selama periode ini, bakteri yang dapat ditransformasikan itu disebut bakteri kompetern untuk mengambil dan menggabungkan DNA donor. Biakan dan kompeten mungkin menghasilkan factor protein ekstraseluler yang rupanya bertindak dengan cara mengikat atau menjerat fragmen-fragmen DNA donor pada situs-situs khuusus pada permukaan bakteri.

Pentingnya transformasi sebagai mekanisme perubahan genetis secara alamiah diragukan . Mungkin proses tersebut terjadi menyusul terjadinya lisis suatu microbe dan pelepasan DNA nya ke lingkungan sekitarnya. Boleh jadi transformasi antara galur galur bakteri dengan virulensi rendah dapat menyebabkan timbulnya sel-sel tertransformasi dengan virulensi tinggi. Dalam hal yang manapun, fenomena transformasi telah terbukti sangat berguna dalm penelitian-penelitian genetis bakteri di laboratorium, terutama dalam memetakan kromosom bakteri (karena frekuensi treansformasi dua gen pada waktu yang sama merupakan petunjuk akan jarak antara gen-gen ini pada kromosom).

2.      Transduksi

Transduksi adalah proses pemindahan gen dari bakteri satu ke bakteri lain oleh bakteriofag. Beberapa bakteriofag tentang (temperate) yang biasanya tidak melisis sel inang, membawa DNA yang dapat berperilaku sebagai episom didalam bakteri. Bila DNA virus ini terpadu di dalam kromosom bakteri di dalm kromosom bakteri., maka disebut profage. Bila bakteri lisogenik memasuki siklus litik, entah secara spontan ataupun karena induksi oleh cahaya UV, maka sekali kali sebagian dari kromosom bakteri secara tidak sengaja dapat terkait ke dalam kepala fage. Bila kemudian virus itu menginfeksi bakteri lain, maka fragmen kromosom bakteri tadi dari sel yang pertama juga di ijinkan sebagai bagian dari DNA virus. Fargmen kromosom ini menjalani perpasangan basa dengan kromosom inang , akan terpadu dan menjadi  bagian yang tetap  dari kromosom bakteri yang terinfeksi itu.

Ada dua tipe transduksi, yaitu:

1.      Transduksi terbatas

Pada proses ini tidak semua gen dapat ditransfer. Transduksi terbatas terjadi saat profage telah terintegrasi pada kromosom bakteri. Gen-gen bakteri yang  mengalami transduksi terbatas adalah yang berdekatan dengan profage yang terintegrasi.

2.      Transduksi umum

Transduksi umum terjadi bila suatu fage memindahkan gen dari kromosom bakteri atau plasmid. Pada saat fage memulai siklus litik, enzim-enzim virus menghidrolisis kromosom bakteri menjadi potongan-potongan kecil DNA. Setiap bagian dari kromosom bakteri tersebut dapat digabungkan dengan kepala fage selama perakitan fage. Fage yang telah berisi DNA sel bakteri dapat menginfeksi sel lain dan mentransfer gen bakteri di dalam sel resipien DNA bakteri dan bergabung dengan rekombinasi homolog menggantikan gen dalam sel resipien. Transduksi ini terjadi pada bakteri gram positif dan gram negatif.

3.      Konjugasi

Konjugasi, salah satu dari tiga mekanisme untuk pemindahan bahan genetis dari satu bakteri ke yang lain, bergantung kepada kontakn sel dengan sel. Sementara pada transduksi dan transformasi hanya fragmen-fragmen amat kecil kromosom bakteri yang dipindahkan (akan dibahas kemudian), pada konjugasi mungkin dipindahkan fragmen besar, dan pada kasus-kasus khusus bahkan seluruh kromosom.

Konjugasi merupakan mekanisme perpindahan informasi genetik (DNA) dari sel donor ke sel resipien yang terjadi akibat adanya kontak sel dengan sel. Konjugasi bakteri pertama kali ditemukan oleh Lederberg dan Tatum pada tahun 1946. Mereka menggabungkan dua galur mutan Escherichia coli yang berbeda yang tidak mampu mensintesis satu atau lebih faktor tumbuh esensiil dan memberinya kesempatan untuk kawin. Kemudian mereka mencawankan biakan tersebut pada medium minimal yang hanya menunjang pertumbuhan galur-galur tipe liar. Mereka tahu bahwa mestinya koloni tersebut merupakan hasil rekombinasi genetic melalui konjugasi antara galur-galur muatan.

 Faktor seks konjugasi pada bakteri dipahami dengan lebih jelas ketika di temukan bahwa ada diferensiasi seksual pada E. colli dengan perkataan lain, ada tipe-tipe perkawinan yang berbeda-beda pada bakteri tersebut. Sel jantan mengandung sepotong DNA yang kecil dan bundar (sirkular), didalam sitoplasma dan tidak merupakan bagian dari kromosom disebut factor seks atau factor F (factor kesuburan atau fertility factor). Sel ini disebut sebagai sel F+ dan merupakan donor dalam perkawinan. Sel betina disebut F- dan tidak memiliki factor ini, mereka adalah sel resipien.

Persilangan antara dua galur F- tidak menghasilkan rekombinan. Pada persilangan F+ x F-, yang jantan mereplikasikan factor seksnya, dan satu kopi dari padanhya hamp[ir selalu dipindahkan ke resipien betina. Sel F- diubah menjadi sel F+ dan mampu berfungsi sebagai donor. Karena itu, selama sel-sel itu tumbuh, pproses konjugasi dapat berlanjutmelalui penularan dengan pemindahan factor seks secara berulang-ulang. Pemindahan factor F didalam persilangan F+ x F- terjadi dalam frekuensi yang mendekati 100 persen. Tetapi pembentukan rekombinasi dalam persilangan F+ x F- terjadi pada frekuensi yang rendah sekitar 1 rekombinan per 104 sampai 105 sel. Jadi jelaslah bahwa pemindahan faktof F tidak tergantung pada pemindahan gen-gen kromosomal.

Galur galur rekombinasi berfrekuansi tinggi. Penelitian mengenai konjugasi pada bakteri menjadi di permudah ketika galur-galur terisolasi dari biakan-biakan F+ yang mengalami rekombinasi seksual dengan sel-sel F- pada laju 103 kali lebih besar dari sel-sel F+ x F- . Maka galur galur donor yang baru disebut  galur rekombinasi berfrekuensi tinggi  (Hfr). Sel sel Hfr muncul dari sel F+ yang didalamnya factor F menjadi terpadu ke dalam kromosom bakteri. Bedanya dengan sel-sel F+ ialah bahwa ia factor dari Hfr jarang sekali terpindahkan selama rekombinasi jadi dalam suatu persilangan  Hfr x F- , frekuansi rekombinasinya tinggi dan factor F- nya rendah. Pada persilangan F+ x F- frekuensi rekombinasinya rendah dan pemindahan factor F nya tinggi.

    

Soal

1.      Sebutkan fungsi utama materi genetic ?

2.      Apa yang membedakan antara DNA dan RNA ?

3.      Apa yang dimaksud dengan konjugasi, transduksi dan transformasi?

4.      Bagaimana proses konjugasi?

5.      Dua mekanisme pewarisan yang memunculkan unsur dan sifat baru suatu organisme disebut?