Kuliah II DASAR REKAYASA BIOPROSES Dosen Prof Dr

Kuliah II DASAR REKAYASA BIOPROSES Dosen : Prof. Dr. Ir. Khaswar Syamsu, M. Sc Dr. Ir. Liesbetini Hartoto, MS Prof. Dr. Ir. Ani Suryani JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2012

Kuliah I dan II I. STRUKTUR SEL MIKROBA I. SUSUNAN KIMIAWI SEL MIKROBA 2012

I. STRUKTUR SEL MIKROBA Teori Sel : semua makhluk hidup terdiri dari sel-sel Sel : satuan kehidupan terkecil yang menyusun tubuh makhluk hidup tempat terselenggaranya fungsi kehidupan Jenis Sel : berdasarkan organisasi struktur selnya (organisasi bahan selulernya) - Prokariot (tanpa membran inti sel ) - Eukariot (mempunyai membran inti sel)

Prokariotik - terdapat pada mikroorganisme sel tunggal. Contoh : bakteri & sianobakteri (organisme akuatik & yg mendapatkan makanan/ energi sendiri melalui fotosintesis) - Ciri-ciri sel prokariotik adalah tidak mempunyai inti sel (nukleus) sejati (Prokariot berarti “pra inti) - bahan genetik (DNA) tidak terstruktur dalam bentuk nukleus (DNA terdapat pada nukleoid yang tidak diselubungi oleh membran) tidak mempunyai membran yang memisahkan nukleus dengan sitoplasma - pembagian nukleus dengan cara pembelahan (aseksual sederhana)

http: //micro. magnet. fsu. edu/cells/bacteriacell. html

Sel prokariotik biasanya berukuran sel lebih kecil dan lebih sederhana dibandingkan sel eukariotik. Lebih kecil sel, maka nisbah permukaan sel terhadap volumenya lebih besar. Contoh : sel bulat berdiameter 2 µm mempunyai nisbah permukaan thd volume sekitar 3: 1. Sedangkan sel berdiamater 20 µm mempunyai nisbah permukaan thd volume 0. 3: 1. Lebih besar nisbah permukaan sel thd volumenya (sel prokariotik ), berarti nutrien lebih mudah dan cepat berdifusi mencapai setiap bagian di dalam sel, dibandingkan sel eukariotik metabolisme dan pertumbuhan sel lebih cepat

Eukariotik Contoh : alga, fungi, protozoa, tumbuhan dan hewan - mempunyai inti sel sejati dan sistem membran internal - memiliki inti sel yang amat kompleks dan dikelilingi oleh selubung inti (membran) - pembagian nukleus lebih rumit (mitosis) - Sel eukariotik membutuhkan organel internal sel yang lebih bervariasi untuk melangsungkan metabolisme, menghasilkan energi dan mentrasportasikan nutrien ke seluruh bagian selnya

http: //people. eku. edu/ritchisong/301 notes 1. htm

PENGGOLONGAN ORGANISME Sistem 5 Dunia (Kingdom) (1969 oleh Robert Whitaker ) : 1. Kingdom Prokariota (Monera) : bakteri - Diketahui merupakan sel tertua - Tak memiliki inti sel dan membran pada organelnya Kingdom lain adalah : Eukarota yg memiliki inti sel dan membran, terdiri dari : 2. Kingdom Protista: kebanyakan uniseluler, tak memiliki struktur jaringan dan kebanyakan memiliki flagela Contoh : protozoa, alga bersel tunggal

Sistem 5 Dunia (Kingdom) (lanj. ) 3. Kingdom Fungi : dapat uniselular (khamir) atau multiselular (kapang). Banyak yang “saprotrophs”. 4. Kingdom Plantae : multiselular, fotosintetik alga multiseluler, tumbuhan 5. Kingdom Animalia : Multiseluler, heterotrof hewan

KARAKTERISTIK MIKROBA Berguna untuk mengatur metabolisme/pertumbuhan mikroba & identifikasi/klasifikasi mikroba) 1. Karakteristik Kultural - media pertumbuhan (bentuk cair/padat, komponen media dll) - suhu (psikrofilik, mesofilik, thermofilik) - ketersediaan oksigen (aerob/anaerob/fakultatif) - p. H (asam, netral, basa) 2. Karakteristik Morfologis - Visual pengamatan dgn mata telanjang - Bentuk (panjang, lebar, diameter) mikroskopis (Pengamatan ukuran, bentuk dan susunan sel, flagela, kapsul atau spora dengan bantuan mikroskop, baik dengan pewarnaan maupun tidak)

3. Karakteristik Metabolisme - Metabolisme (sumber karbohidrat, (gula/pati/hidrokarbon dll), nitrogen (organik, anorganik ) - Produk Metabolisme (metabolit primer/sekunder/campuran) 4. Karakteristik Antigen - Komposisi antigen - Jenis antigen–antibodi 5. Karakteristik Genetik : - Komposisi basa DNA (guanin dan sitosin) - Hibridisasi DNA

BAKTERI Morfologi (Bentuk) Bakteri : - a. cocci (spherical/bulat) Streptococcus - b. bacilli (rod-like/batang) E. coli - c. spirilla (spiral) Leptospira Bentuk bakteri merupakan karakteristik bakteri tertentu Bentuk sel bervariasi tergantung kondisi pertumbuhan Variasi bentuk & ukuran sel mikroba mempengaruhi proses hilir (pemisahan sel)

- Reproduksi Bakteri : umumnya dgn membelah diri (pembelahan biner) - Bakteri lain mampu memproduksi spora reproduktif (e. g. Myxococcus, Streptomyces) Sel mulai membelah diri (Sumber : www. helenhudspith. com/ resources/food/rachel_y oung/bfh. Ppt 2. ppt)

Struktur Sel Bakteri dan Fungsi Organel : Sel bakteri terdiri dari berbagai organel dengan fungsi sesuai kebutuhan dan perkembang-biakannya. (Bahan Inti Sel)

Fungsi dan Komposisi Kimiawi Organella : Bagian Ukuran Komposisi 1. Lendir (Slime) : a. Mikrokapsul 5 -10µ b. Kapsul 0. 5 -2µ c. Lendir tak tentu -Protein, polisakarida, lipida kompleks. -Bertanggungjawab u/ antigen spesifik. -Polisakarida, kadang lipid. -Pelindung sel dari suhu tinggi. -Polisakarida -Pelindung sel dan pertahanan.

2. Dinding Sel a. Gram (+) b. Gram (-) Ukuran Komposisi 10 -20µ - Membentuk sel, pelindung plasma, kekakuan sel. - Makromolekul camp. N-acetyl muramic peptide-teichoic acid dan polisakarida. 10 -20µ - Fungsi idem Gram (+) - Kompleks protein polisakarida-lipida dan sedikit polimer

3. Plasma Membran 5 -10µ -Tempat lewatnya nutrien -Metabolisme (respirasi) -Semipermeabel -protein, lipida, air 4. Flagela 4 -12µ - Protein - Untuk motilitas 5. Pili 0. 5 -2µ 6. Bahan Inti Sel ½ sel - Protein - Untuk bergerak -DNA - Untuk reproduksi dan pertumbuhan 7. Ribosom 10 -30 mµ - RNA & protein. - Untuk sintesis protein/enzim

Membran Sitoplasma - Sel prokariota (bakteri) mempunyai membran sel yg disebut membran sitoplasma membentuk struktur luar sel dan memisahkan struktur internal sel dg lingkungan. - Membran ini merupakan penghalang selektif, sehingga hanya senyawa/bahan tertentu dapat masuk & keluar sel - Terdiri dari 2 lapisan (bilayer) fosfolipida yang mempunyai bagian polar dan non-polar Bagian polar mempunyai kepala yg mengandung fosfat (hidrofilik) di bag luar dan bagian non-polar mempunyai dua ekor yg terdiri dari asam lemak yg hidrofobik di bagian tengah barier yang relatif impermeabel

Metode penyimpanan nutrien oleh bakteri saat lingkungan buruk : - Penyimpanan karbon dalam bentuk polihidroksi alkanoat (PHA : dapat untuk bahan bioplastik) atau glikogen - Penyimpanan nutrien yang dapat larut seperti nitrat dalam vakuola - Granula sulfur disimpan sebagai deposit secara intra/ ekstraseluler (pada bakteri yang menggunakan H 2 S sebagai sumber elektron pada metabolismenya)

Endospora : Digunakan untuk adaptasi bakteri terhadap lingkungan yang buruk Tahan terhadap senyawa kimia dan lingkungan ekstrim (suhu tinggi, konsentrasi garam tinggi dll) Diproduksi hanya 1 endopsora/sel Genus bakteri : bakteri Gram-positif Bacillus & Clostridium. Lokasi endospora di dalam sel spesifik untuk tiap spesies, sehingga digunakan untuk identifikasi bakteri.

Endospora Bacillus subtilis Endospora

FUNGI (Kapang & Khamir) Karakteristik Fungi • • • Mikroorganisme Eukariotik Uniseluler dan multiseluler (hifa) lihat foto Saprofit, parasit dan mutualistis an Distribusi suhu – 20 s. d 30 o. C Lebih menyukai p. H asam mencegah kontaminasi bakteri • Kebanyakan aerob atau fakultatif (sedikit) • Khamir kebanyakan osmotoleran (tahan terhadap kadar gula tinggi) • organisme heterotrofik, tak memiliki khlorofil

Khamir Uniseluler

Kapang Berfilamen Pemanenan sel dengan filtrasi

KAPANG - Lebih tahan kekeringan dibanding khamir atau bakteri, mesofilik & lebih menyukai kondisi asam - Umumnya hanya dapat hidup dengan adanya oksigen (obligat aerob) perlu aerasi; tebal hamparan terbatas pada kultivasi substrat padat (fermentasi tempe, kecap, asam sitrat dll) - Cara reproduksi : pembelahan sel, pertunasan atau pembentukan spora aseksual (lebih banyak) dan seksual (lebih sedikit & pd waktu tertentu) - Struktur hifa berseptat atau non-septat perhatikan agitasi pada bioreaktor, sebaiknya pengadukan dg udara (non mekanis) - Multiseluler, pertumbuhan pd ujung hifa membentuk miselium pemisahan sel dg filtrasi membran

KHAMIR • Uniseluler, beberapa spesies multiseluler dengan adanya pseudo hifa/miselium • Bentuk sel : bulat, oval (seperti lemon/pir) atau silindris • Ukuran sangat bervariasi, lebih besar dari bakteri • Reproduksi aseksual dgn “budding” (pertunasan), pembelahan biner atau sporulasi (askospora) S. cerevisiae pertunasan Schizosaccharomyces pombe pembelahan biner pseudo miselium S. cerevisiae Candida albicans

Morfologi Koloni Khamir Pembelahan Biner Pertunasan (Budding( Sumber : Kanya Preechasuth, Course : CMB 508301 June 2005 , 9 Division of Clinical Microbiology Faculty of Associated Medical Science, CMU

- Khamir termasuk kemoorganotrof, menggunakan senyawa organik sbg sumber energi. - Sumber karbon utama gula heksosa (glukosa, fruktosa), disakarida (sukrosa, maltosa). Beberapa spesies dapat menggunakan gula pentosa (ribosa), alkohol dan asam organik bisa untuk identifikasi - Biasanya membutuhkan sumber N berupa protein hidrolisat (pepton, yeast extract dll) - Aerobik obligat, anaerob fakultatif (S. cerevisiae ada O 2 respirasi biomassa & bila tdk ada O 2 fermentasi etanol) - Tumbuh baik pada p. H netral atau sedikit asam

KOMPOSISI SEL MIKROBA & FUNGSINYA Ditentukan oleh laju pertumbuhan dan komposisi media tumbuh. 1). Air 80 -90 % b. k sel, sisanya : C (50 %), O 2 (20 %), N 2 (14 %), H (8 %), P (3 %), S (1 %) dan sekitar 18 unsur (K, Na, Ca, Mg, Cl) dan vitamin (contoh sel bakteri) Membentuk komponen seluler utama : protein, asam nukleat, polisakarida dan lemak 2). Asam Amino & Protein (40 -70 % b. k), - Protein tersusun dari asam amino bentuk L (bentuk D sangat jarang dijumpai di alam; banyak terdapat di dinding sel)

Fungsi Biologis Protein : 1). Bagian stuktural struktur sel, contoh glikoprotein (dinding sel) 2). Katalis biologis (enzim) 3). Transport/carrier senyawa agar masuk ke dalam sel 4). Hormon : insulin, hormon pertumbuhan, hormon reproduksi dll 5). Toksin (botulinum dari Clostridium botulinum), difteri 6). Antibodi

3). Lemak (10 -15 % d. b) & Steroid Fungsi lemak dalam sel : a. Komponen struktural membran menentukan permebilitas sel b. Simpanan energi c. Supply energi yg dpt ditranportasikan d. Pelindung dinding sel Steroid Terbuat dari sterol ; variasi steroid ditentukan berdasarkan gugus fungsionalnya Steroid ditemukan pada a. l sel fungi Sintesis steroid : dg transformasi mikrobial (stereoselektivitas tinggi & lokasi reaksi enzim selektif) yg dikombinasikan dgn reaksi kimia Contoh : - Cortisone untuk anti-inflamatory (rematik dan penyakit kulit)

4). Karbohidrat Sebagai bahan bakar bagi sel, terdapat sbg struktur sel (e. g. dinding sel) & senyawa simpanan glukosa karbohidrat) Glikogen (contohnya murein) merupakan peptidoglikan dalam dinding sel bakteri, terdiri dari N-acetyl-D-glucosamine + N-acetyl-muramic acid.

5). Asam Nukleat (13 -34 % d. b) - berperan utama dlm mekanisme reproduksi - Terbuat dari nukleotida yang juga sbg molekul untuk menyimpan energi, koenzim & agen pereduksi Nukleotida penting : - ATP, GTP (adenosine(guanine)-5 -triphosphate) pembawa energi (ADP, AMP, c. AMP) - UDP pembawa residu gula pada sintesis polisakarida - Coenzyme A bergab dg acetyl membentuk acetyl Co. A (awal Siklus Krebs) - NAD, NADP &d FMN (nicotine-amid-adenine- dinucleotide(phosphate) dan flavin-mononucleotide) pembawa “reducing power”

TRANSPORTASI MELEWATI MEMBRAN SEL - Pengontrolan transportasi ion dan molekul antara sel dan lingkungannya sangat penting untuk menjalankan fungsi normal sel - Membran sel mengatur permeabilitas selektif thd beragam komponen media dan konstituen sel - Pengaturan proses transpor berguna untuk : a. mempertahankan komposisi intraseluler dan selang p. H yg sesuai untuk aktivitas enzim b. mengatur volume sel, mengatur konsentrasi nutrien dan mensekresikan senyawa toksik

Cara Pengambilan Nutrien oleh Mikroba (Uptake of nutrients) 1. Phagocytosis – Protozoa 2. Absorpsi Permeabilitas – kebanyakan m. o • Transport Pasif Difusi sederhana • Difusi Terfasilitas (Facilitated diffusion) • Transpor Aktif • Translokasi Group Sumber : 210. 36. 18. 48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6. ppt

Difusi Pasif Merupakan proses dimana molekul berpindah melalui membran dari daerah berkonsentrasi tinggi ke konsentrasi lebih rendah. Laju difusi sebanding dg gaya penggerak perbedaan konsentrasi melewati membran Beberapa senyawa seperti O 2, CO 2 & gliserol dapat melalui membran plasma dengan cara difusi pasif Bg luar sel Membran sel S S SS Bg dlm sel S S

Difusi Terfasilitas Menggunakan carrier protein laju difusi melalui membran permeabel selektif dapat ditingkatkan oleh penggunaan “carrier protein” (kadang disebut permease), yang tertanam dalam membran Karena proses ini ditolong oleh “carrier”, maka disebut Difusi Terfasilitas unt molekul> Laju difusi terfasilitas meningkat oleh gradien konsentrasi Sumber : 210. 36. 18. 48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6. ppt

Model Difusi Terfasilitas Carrier membran dapat berubah konformasinya setelah mengikat molekul dari luar sel dan selanjutnya melepaskan molekul pada bagian dalam sel. Carrier selanjutnya kembali ke bentuk semula dan siap mengikat molekul solut lainnya Karena tidak perlu input energi, maka molekul akan terus masuk ke dalam selama konsentrasi di bagian luar sel lebih besar Sumber : 210. 36. 18. 48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6. ppt

Transpor Aktif ions, glucose, and amino acids Transpor aktif merupakan proses transportasi molekul solut ke daerah berkonsentrasi lebih tinggi atau melawan gradien konsentrasi dengan menggunakan input energi metabolik glukosa, asam amino, laktosa, galaktosa, Na+, K+

Translokasi Group Contoh translokasi group phosphoenolpyruvate: sugar phosphotransferase system (PTS), yang mentrasportasi berbagai gula ke dalam sel prokariotik dan secara simultan memfosforilasi menggunakan phosphoenolpyruvate (PEP) sebagai donor fosfat PEP + sugar (outside) (inside) pyruvate + sugar-P contoh : transportasi gula & turunannya glukosa, fruktosa, manitol

The phosphoenolpyruvate (PEP) : sugar phosphotransferase system of E. coli. Komponen yang terlibat pada sistem : PEP : phosphoenolpyruvate E I : enzyme 1 HPr : low molecular weight heat-stable protein E II : enzyme II & E III : enzyme III. Sumber : 210. 36. 18. 48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6. ppt

Perbandingan Sistem Transpor Aspek Difusi Pasif Difusi Terfasilitas Transport Aktif Translokasi Group carrier proteins Tidak Ya Ya Ya transport speed Lambat Cepat Tidak Ya Ya Specificity Perlu Berubah Melawant Tidak gradien kons. transport molecules No specificity metabolic energy Tak perlu Molekul solut Tak berubah Sumber : 210. 36. 18. 48/gxujingpin/dwwswx/ppt/6. ppt

Senyawa Bakteri Fungi Asam amino Transpor aktif Glukosa Transpor aktif (PTS & Difusi aktif & permease) terfasilitas Laktosa Transpor aktif (PTS & Difusi aktif & permease) terfasilitas Gliserol Difusi pasif & terfasilitas Difusi pasif & terfasilita Etanol Difusi pasif Asam laktat Difusi pasif & aktif Difusi pasif Asam asetat Difusi pasif CO 2 Difusi pasif Air Difusi pasif • PTS : phosphotransferase system Sumber : Nielsen et al. , 1994 Transpor aktif