mata kuliah teknologi fermentasi (pengembangan galur)

MATA KULIAH TEKNOLOGI FERMENTASI(PENGEMBANGAN GALUR)

JURUSAN TEKNOLOGI PANGANFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN

UNIVERSITAS PADJADJARAN

TEKNOLOGI FERMENTASI

MikroorganismeSubstrat

Metabolit Primer & Sekunder

Kelemahan : Jumlah terbatas

Manfaat yang besar dalam berbagai bidang

kehidupan, seperti : kesehatan, produksi pangan, industri dll

Pengembangan Galur

Adaptasi yang tinggi

dengan proses fermentasi

Tingkat produksi lebih

tinggi

Waktu fermentasi

lebih singkat

Penggunaan substrat lebih

murah

Tidak menghasilkan produk yang tidak

diinginkan

Tidak membentuk

busa

Tingkat konsumsi

oksigen lebih rendah

TUJUANPENGEMBANGAN

GALUR

PENDAHULUAN

1.Sel2.Asam nukleat :

1. DNA (Deoxirybo Nuclei Acid)2. RNA (Rybo Nuclei Acid)

SEL

Sel merupakan unit terkecil dalam organisme hidup, baik dalam dunia tumbuhan maupun hewan.Sel terbagi menjadi 2 macam :a. Eukariotb. Prokariotc. Archea

Struktur sel

Asam Nukleat

Nukleoprotein

Protein Asam nukleat

Asam fosfatNukleotida

Basa purin dan basa pirimidin Pentosa

Asam Nukleat

DNA Purin : Adenin (A), Guanin (G)Pirimidin : Timin (T), Sitosin (C)

Nukleotida

• Fosfat – Gula – basa nitrogen

RNA Purin : Adenin (A), Guanin (G)Pirimidin : Urasil (U), Sitosin (C)

Perbedaan DNA & RNA

DNA• Bagian pentosa DNA

adalah deoksiribosa• Bentuk molekul DNA

adalah double stranded / double heliks (heliks ganda)• Urutan basa yang

berbeda (A dan T, G dan C)

RNA• Bagian pentosa DNA

adalah ribosa• Bentuk single stranded

(untai tunggal yang terlipat sehingga menyerupai heliks ganda• Urutan basa yang berbeda

(A dan U, G dan C)• Jumlah guanin pada

molekul RNA tidak perlu sama dengan Cytosin, demikian pula Urasil tidak perlu sama dengan Adenin

Transkripsi

• Pembuatan RNA dengan menyalin basa DNA (ekspresi genetik)

• Perubahan basa Timin menjadi Urasil• Berlangsung dalam mitokondria• RNA terbagi menjadi 3 bagian, yaitu

tRNA,rRNA dan mRNA

Translasi

• Proses sintesis polipeptida dari mRNA• Translasi melibatkan ribosom sebagai tempat

penggabungan asam amino-asam amino menjadi polipeptida

• tRNA sebagai pembawa asam amino ke ribosom dan "penerjemah" sandi genetika mRNA

• Antibiotika dapat menghambat atau menghentikan proses translasi pada biosintesis protein; contohnya antibiotika anisomycin, cycloheximide, chloramphenicol, dan tetracycline.

ISTILAH

Mutasi Mutan Mutagen

MUTASI GENETIK

• Perubahan dalam kromosom yang diturunkan kepada generasi penerusnya

• Terjadi perubahan rangkaian nukleotida• Terjadi secara spontan dan terus menerus dengan

laju lambat

Proses – proses mutasi• Transisi : penggantian satu basa purin

dengan basa purin lainnya atau pirimidin dengan pirimidin lainnya

Transversi : penggantian satu basa purin dengan pirimidin atau sebaliknya pada pada pasangan basa molekul

Mutasi Frame-shift :

Mutagen

• Radiasi sinar ultra violet (UV) dengan λ 200 – 300 nm terutama pada λ 254 nm, menyebabkan : pembentukkan dimer, transisi, transversi dan frame-shift.

• Radiasi ion dengan sinar X, gamma dan Beta

a. Penyebab ionisasi pada mediumb. Bersifat lebih kuat dari radiasi UV

sehingga dapat menempuh sel yang tebal

c. Tingkat kerusakan yang besar

Mutagen Kimia

• Mempengaruhi DNA non-replikasia. Hidroksilamin, menyebabkan mutasi transisib. Komponen alkilasi (EMS, MMS, DES, DEB,

NTG, NMU dan gas mustard), menyebabkan transisi, transversi dan frame-shift.

c. Asam nitrit, menyebabkan deaminasi adenin menjadi hipoksantin dan sitosin menjadi urasil

• Analog basa, dapat menggantikan komponen Timin dan Adenin dalam DNA replikasi

• Mutagen frame-shift :– Menyisip diantara dua basa yang bersebelahan

dalam utas DNA– Menghasilkan protein yang salah– Contoh : pewarna akridin orange, proflavin dan

akriflavin

Perbaikan mutasi

1. Perbaikan bebas kesalahan• Fotoreaktivasi ( mekanismenya memutuskan ikatan

kovalen basa)• Perbaikan eksisi ( mekanismenya dengan

menyambungkan DNA yang rusak dengan enzim polimerase dan ligase)

• Rekombinasi postreplikatif ( mekanismenya DNA yang rusak akan menghasilkan DNA tiruan yang memiliki celah setelah duplikasi dan ditutup dengan bantuan enzim polimerase)

• Perbaikan SOS (terjadi pada DNA dengan kerusakan tinggi, membentuk DNA baru yang tidak sama dengan DNA induk, melibatkan DNA polimerase dan DNA sintetase)

• Perbaikan adaptif ( dilakukan pada DNA rusak akibat proses alkilasi konsentrasi sub letal)

2. Perbaikan tidak bebas kesalahanBagian DNA yang sudah diperbaiki dengan komponen yang tidak sama dengan komponen yang hilang

SELEKSI MUTANKarakteristik mutan yang diharapkan :1. Galur murni2. Produksi sel vegetatif dan spora atau unit propagasi yang

baik3. Mudah tumbuh subur dengan fase lag yang pendek4. Menghasilkan produk tunggal dalam jumlah banyak5. Mudah dipanen6. Bebas senyawa toksin7. Dapat menghasilkan produk metabolit dalam waktu singkat8. Dapat tumbuh dalam kondisi ekstrim9. Sifat genetik yang stabil10. Awet dan dapat disimpan janka waktu lama

Cara seleksi mutan

• Seleksi secara acak dilakukan pada kondisi fermentasi skala industri, namun biayanya mahal

• Isolasi secara selektif :– isolasi mutan resisten– isolasi mutan auksotrop

• Isolasi berdasarkan penampakan koloni

REKOMBINASI

• Rekombinasi pada bakteri :– Transformasi (pemutusan fragmen kromosom

maupun plasmid sel donor dan bergabung dengan fragmen kromosom maupun plasmid dari sel penerima)

– Transduksi (pemindahan DNA dari satu bakteri ke bakteri lain dengan bantuan virus)

– Konjugasi (pemindahan episoma dari sel donor ke sel resipien)

Transduksi

Siklus seksual pada KapangRekombinasi pada Kapang

Siklus paraseksual

Rekombinasi Penggabungan Protoplasma, dengan tujuan :

1. Rekombinasi interspesifik antara galur seksual dan paraseksual

2. Hibridisasi interspesifik untuk memperoleh mikroba baru

3. Transfeksi atau transformasi protoplas (kloning DNA)

REGULASI

Mekanisme induksi enzim (tidak terdapat inducer)

R P O S DNA

represor

RNA polimerase

represor

Mekanisme induksi enzim (terdapat inducer)

R P O S DNA

Transkripsi

RNA polimerase

Translasi

represor

Represor Enzim

inactive

inducer

Mekanisme feed back represion (tanpa co represor)

R P O S DNA

Transkripsi

RNA polimerase

Translasi

aporepresor

Enzim

Mekanisme feed back represion (terdapat co represor)

R P O S DNA

represor

RNA polimerase

Corepresor

aporepresor

corepresor

Rekayasa Genetik Mikroba Tak Terarah untuk Kegiatan Industri

–Dapat dilakukan melalui mutasi menggunakan agensia mutagenik atau radiasi UV• Contoh: Pengembangan Penicillium

penghasil penicillin yang tinggi–Dapat dilakukan melalui fusi

protoplas antar jasad yang secara filogenetik berjauhan hubungannya; sering digunakan pada rekayasa genetik khamir (yeasts) dan jamur

–Rekayasa genetik alami• Menumbuhkan mikroba dalam keadaan

marginal (“stressful”) dan menapis (selecting) galur mikroba baru dengan kemampuan tumbuh yang lebih baik pada keadaan tersebut.• Muncul karena mutasi spontan.

Melalui penyisipan potongan DNA yang mengandung gen menggunakan teknologi rekombinasi DNA untuk menghasilkan produk protein tertentu.

DNA hasil rekombinasi dapat dipindahkan ke dalam jasad yang lain untuk menghasilkan sifat yang dikehendaki di jasad tersebut.

Gen harus bisa diekspresikan.

Rekayasa Genetik Mikroba Terarahuntuk Kegiatan Industri

–Melalui modifikasi pada daerah pengatur transkripsi (transcriptional regulation), memfusikan protein, dan menghilangkan daerah pengatur umpan balik (feedback regulation controls)• Cara ini merupakan bagian dari

pengendalian jalur metabolisme untuk mengendalikan atau meningkatkan produksi suatu bahan.

Pengendalian Ekspresi Gen

Vektor Ekspresi

Vektor yang memiliki promoter untuk dapat melakukan transkripsi suatu gen dalam suatu spesies yang dikehendaki.

DNA Rekombinan

• Kombinasi DNA yang berasal dari dua organisme yang berbeda–Bakteri dan manusia–Bakteri dan tanaman– Virus dan manusia

Bakteri Inang untuk Ekspresi Protein• E. coli– Informasi genetiknya sudah sangat

dipahami–Kemampuannya dalam fermentasi

telah sangat dipahami– Tumbuh cepat dan tidak banyak

persyaratan–Dapat menerima berbagai vektor,

mudah ditransformasi, –Protein intraseluler, – Produksi protein rendah

• Bacillus– Informasi genetiknya sudah sangat

dipahami–Kemampuannya dalam fermentasi

telah sangat dipahami– Tumbuh sangat cepat dan tidak

banyak persyaratan– Produksi protein tinggi– Sulit ditransformasi– Protein intraseluler– Pilihan vektor terbatas

Bakteri Inang untuk Ekspresi Protein

• Streptomyces–Kemampuannya dalam fermentasi

telah sangat dipahami– Informasi genetiknya sudah

dipahami– Tidak banyak persyaratan untuk

tumbuh– Produksi protein tinggi– Protein ektraseluler– Tumbuh lambat – Sulit ditransformasi– Pilihan vektor terbatas

Bakteri Inang untuk Ekspresi Protein

• Saccharomyces–Kemampuannya dalam fermentasi

telah sangat dipahami– Informasi genetiknya sudah

dipahami– Tidak banyak persyaratan untuk

tumbuh– Tumbuh cepat – Produksi protein tinggi– Protein ektraseluler– Sulit ditransformasi– Pilihan vektor terbatas

Khamir Inang untuk Ekspresi Protein

• Trichoderma– Tidak banyak persyaratan untuk

tumbuh– Produksi protein tinggi– Protein ektraseluler–Kemampuannya dalam fermentasi

belum banyak dipahami– Sulit ditransformasi– Tumbuh lambat – Pilihan vektor terbatas

Jamur Inang untuk Ekspresi Protein

DNA Rekombinan

• Kombinasi DNA yang berasal dari dua organisme yang berbeda–Bakteri dan manusia–Bakteri dan tanaman– Virus dan manusia

Penggunaan Mikroba Rekombinan

control

Industri Keju:• Industri keju memerlukan rennet, enzim

protease yang diperoleh dari lambung anak sapi yang masih menyusu dan belum makan rumput.

• Pada tahun 1960 FAO memprediksi akan adanya kekurangan rennet karena kebutuhan daging dunia mendorong peternak untuk memelihara sapinya hingga dewasa. Usaha untuk mencari enzim protease pengganti rennet dimulai.

• Chymosin (rennet hasil rekayasa genetika) dihasilkan pada awal tahun 1980an dari mikroba (Escherichia coli, Kluyveromyces lactis dan Aspergillus niger) yang direkayasa.

• Chymosin telah mengalami pengujian yang ketat untuk menjamin keamanan penggunaannya.

Industri Keju:• Chymosin memiliki sifat dan fungsi yang

sama dengan rennet yang diperoleh dari anak sapi. Enzim ini dapat digunakan untuk menghasilkan keju yang kualitasnya sama dengan keju yang dihasilkan menggunakan rennet dari anak sapi yang lebih baik daripada jika menggunakan rennet dari jamur atau hewan selain sapi.

• Chymosin pertama kali digunakan untuk pembuatan keju pada tahun 1988. Pada saat ini hampir 90% rennet dihasilkan dari khamir terekayasa.

• Penggunaan Chymosin didukung oleh kelompok vegetarian dan kelompok agama yang menolak konsumsi bagian tubuh sapi.

• Produksi protein komersial–Protein pengobatan• Insulin untuk pengobatan diabetes• Interferon-gamma untuk pengobatan kanker• Faktor VIII untuk pengobatan hemofili• Erythropoetin untuk pencairan gumpalan darah

Penggunaan Mikroba Rekombinan(1C)