GENETIKA MIKROBAGENETIKA MIKROBA

dr. dr. FauziaFauzia AndriniAndrini M.KesM.Kes

BagianBagian MikrobiologiMikrobiologi / Unit / Unit

KetrampilanKetrampilan MedikMedik FK URFK UR

PendahuluanPendahuluan

GENETIKAGENETIKA suatusuatu prosesproses hereditashereditas dandanvariasivariasi, , merupakanmerupakan titiktitik awalawal daridari semuasemuamacammacam aluralur , , fungsifungsi dandan strukturstruktur selularselular. .

APA YG DIPELAJARI DALAM GENETIKA ?APA YG DIPELAJARI DALAM GENETIKA ?

KemampuanKemampuan suatusuatu mikroorganismemikroorganismeuntukuntuk memeliharamemelihara viabilitasviabilitas, , beradaptasiberadaptasi, , bermultiplikasibermultiplikasi, , dandan menyebabkanmenyebabkanpenyakitpenyakit

PendahuluanPendahuluan

ASPEK BESAR YG DIPELAJARI DALAM ASPEK BESAR YG DIPELAJARI DALAM

GENETIKA MIKROBA :GENETIKA MIKROBA :

strukturstruktur dandan organisasiorganisasi daridari material material

genetikgenetik

replikasireplikasi dandan ekspresiekspresi daridari informasiinformasi

genetikgenetik

mekanismemekanisme dimanadimana informasiinformasi genetikgenetik

mengalamimengalami perubahanperubahan. .

StrukturStruktur & & OrganisasiOrganisasi AsamAsam NukleatNukleat

InformasiInformasi herediterherediter diberikandiberikan oleholeh asamasam nukleatnukleat ��deoxyribonucleic acid (DNA) deoxyribonucleic acid (DNA) & & ribonucleic acid ribonucleic acid (RNA)(RNA)

NukleotidaNukleotida tddtdd : : gulagula ((pentosapentosa = = deoksiribosadeoksiribosa), ), basabasa, , gugusgugus fosfatfosfat

NukleotidaNukleotida terikatterikat satusatu sama lain sama lain melaluimelalui ikatanikatanfosfodiesterfosfodiester

DNA DNA �� polimerpolimer linier linier panjangpanjang ygyg tddtdd nukleotidanukleotida

KomponenKomponen basanyabasanya : : basabasa purinpurin ((adeninadenin = A, = A, guaninguanin = = G) & G) & basabasa pirimidinpirimidin ((cytosincytosin = C, = C, timintimin = T), = T), diikatdiikat oleholehikatanikatan hidrogenhidrogen padapada bagianbagian tengahtengah molekulmolekul

TulangTulang punggungpunggung ((backbonebackbone) ) molekulmolekul DNA DNA tddtdd : : gugusgugusfosfatfosfat dandan gulagula yang yang letaknyaletaknya bergantianbergantian, , dandan satusatu basabasayang yang melekatmelekat padapada molekulmolekul gulagula

StrukturStruktur DNADNAMolekulMolekul DNA DNA biasanyabiasanya untaiuntai gandaganda ((double double helix), helix), didi setiapsetiap untainyauntainya mempunyaimempunyai terminus terminus hidroksilhidroksil 5 5 ‘‘ dandan 3 3 ‘‘

DuaDua untaiuntai berjalanberjalan anti anti pararelpararel �� tterminus 5 erminus 5 ‘‘berlawananberlawanan dengandengan terminus 3 terminus 3 ‘‘ padapada untaiuntaiyang lainyang lain

BasaBasa adeninadenin selaluselalu berikatanberikatan melaluimelalui duadua ikatanikatanhidrogenhidrogen dengandengan basabasa timintimin padapada untaiuntai yang lainyang lain

BasaBasa guaninguanin selaluselalu berikatanberikatan dengandengan tigatiga ikatanikatanhidrogenhidrogen dengandengan basabasa cytosincytosin padapada untaiuntai yang yang lainlain

DNA DNA mempunyaimempunyai strukturstruktur unikunik yang yang disebutdisebut““tanggatangga berpilinberpilin”” ((twisted laddertwisted ladder) )

StrukturStruktur RNARNA

RNA RNA jarangjarang berbentukberbentuk untaiuntai gandaganda

TipeTipe RNA yang RNA yang berperanberperan pentingpenting dalamdalam

ekspresiekspresi gengen : :

��mRNA (mRNA (messenger messenger RNA)RNA)

��tRNAtRNA ((transfer transfer RNA)RNA)

��rRNArRNA ((ribosomal ribosomal RNA) RNA)

StrukturStruktur DNADNA

StrukturStruktur molekulermolekuler asamasam nukleatnukleat

(DNA & RNA )(DNA & RNA )

Gen & Gen & KodeKode GenetikGenetik

GEN GEN UrutanUrutan DNA yang DNA yang memberikanmemberikan kodekode

untukuntuk produkproduk spesifikspesifik (RNA (RNA atauatau protein) protein)

GENOM GENOM KeseluruhanKeseluruhan gengen padapada suatusuatu

organismeorganisme

UkuranUkuran gengen : : dinyatakandinyatakan dalamdalam base pairs base pairs ((bpbp) ; ) ; kilobasekilobase & & megabasesmegabases

KromosomKromosom

KromosomKromosom �� organisasiorganisasi daridari suatusuatu genomgenom

SelSel eukariotikeukariotik �� diploiddiploid : : sepasangsepasang padapada

setiapsetiap kromosomkromosom shgshg mempunyaimempunyai duadua

copycopy padapada setiapsetiap gengen ((satusatu copycopy : : gengen

((alelalel) ) sbgsbg protein (protein (dominandominan), copy lain ), copy lain

tidaktidak diekspresikandiekspresikan ((resesifresesif))

PadaPada selsel haploidhaploid ((selsel prokariotprokariot) ) ��

kromosomkromosom tunggaltunggal & & tidaktidak berpasanganberpasangan

ElemenElemen Non Non KromosomalKromosomal

UnikUnik pd pd bakteribakteri, , terdapatterdapat gengen didi luarluar kromosomkromosom�� plasmidplasmid dandan transposable elements transposable elements Plasmid Plasmid �� DNA DNA double strandeddouble stranded kecilkecil, , sirkularsirkular, , 11--2 kb 2 kb -- 1 1 megabasemegabase.. banyakbanyak pd pd bakteribakteri, , yeastyeastdandan jamurjamur. . JumlahJumlah plasmid plasmid macammacam--macammacam

Gen pd plasmid Gen pd plasmid mengkodemengkode transfer transfer antaraantara selsel--selsel bakteribakteri, , komponenkomponen resistensiresistensi terhadapterhadapantibiotikaantibiotika tertentutertentu

KonjugasiKonjugasi : Transfer Gen : Transfer Gen

KromosomKromosom / Plasmid/ Plasmid

ElemenElemen Non Non KromosomalKromosomal

Transposable elementsTransposable elements (TE) (TE) �� DNA yang DNA yang

dapatdapat jump jump (transpose) (transpose) daridari satusatu situssitus

molekulmolekul DNA DNA keke situssitus lain lain didi dalamdalam suatusuatu

selsel

insertion sequences insertion sequences �� jumping genes jumping genes ygyg

plgplg kecilkecil & & plgplg sederhanasederhana

TransposonTransposon �� lebihlebih besarbesar & & komplekskompleks, ,

mengkodemengkode gengen ygyg multipelmultipel

TransposisiTransposisi : : Insertion sequences & Insertion sequences & transposontransposon

AliranAliran InformasiInformasi GenetikGenetik

ReplikasiReplikasi & & EkspresiEkspresi dlmdlm InformasiInformasi

GenetikGenetik

REPLIKASIREPLIKASI

1 1 molekulmolekul DNA DNA untaiuntai gandaganda menghasilkanmenghasilkan 2 2 molekulmolekul DNA DNA (1 (1 untaiuntai lama & 1 lama & 1 untaiuntai barubaru))

PelepasanPelepasan ikatanikatan / / relaksasirelaksasi supercoiledsupercoiled kromosomkromosom

PemisahanPemisahan keduakedua untaiuntai daridari DNA DNA indukinduk �� masingmasing--masingmasing untaiuntai sbgsbg templattemplat untukuntuk sintesissintesis DNA DNA barubaru

SintesisSintesis untaiuntai DNA DNA barubaru

AkhirAkhir / / terminasiterminasi replikasireplikasi dengandengan pelepasanpelepasan duaduakromosomkromosom identik,masingidentik,masing--masingmasing membawamembawa untaiuntaibarubaru untukuntuk selsel anakanak

ReplikasiReplikasi

BagianBagian dimanadimana prosesproses

replikasireplikasi dimulaidimulai �� oriori((origin of replicationorigin of replication) )

BagianBagian yang yang aktifaktif

bereplikasibereplikasi �� garpugarpu

replikasireplikasi, , bergerakbergerak dgndgn

araharah berlawananberlawanan

((directional) directional) dgndgn araharah 55’’

keke 3 3 ‘‘

KofaktorKofaktor & & enzimenzim : : DNA DNA

polimerasepolimerase, , ligaseligase dlldll

ReplikasiReplikasi

ReplikasiReplikasi

SintesisSintesis untaiuntai DNA DNA barubaruhanyahanya daridari araharah 5 5 ‘‘ keke 33’’, , tetapitetapi DNA anti DNA anti pararelpararel ��

1 kali 1 kali sintesissintesis primer , primer , dilanjutkandilanjutkan polimerisasipolimerisasiDNA DNA �� leading strand leading strand

SintesisSintesis primer primer berkaliberkali--kali, kali, polimerisasipolimerisasi DNA DNA shgshgdihasilkandihasilkan fragmenfragmen DNA DNA ((FragmenFragmen Okazaki) Okazaki) ygygakanakan disambungkandisambungkan oleholehenzimenzim ligaseligase �� lagging lagging strand strand

ReplikasiReplikasi

EkspresiEkspresi InformasiInformasi GenetikGenetik

EkspresiEkspresi gengen �� prosesproses mengkodemengkode

informasiinformasi padapada elemenelemen genetikgenetik

((kromosomkromosom, plasmid, , plasmid, transposontransposon) )

menghasilkanmenghasilkan produkproduk biokimiabiokimia

ProsesProses iniini dibentukdibentuk oleholeh transkripsitranskripsi dandan

translasitranslasi

TranskripsiTranskripsi

TranskripsiTranskripsi �� merubahmerubah urutanurutan basabasa DNA DNA padapada gengen((kodekode genetikgenetik) ) keke molekulmolekul RNA RNA messengermessenger (mRNA) yang (mRNA) yang komplementerkomplementer dengandengan urutanurutan DNADNA

RNA RNA polimerasepolimerase �������� enzimenzim untukuntuk mengkatalisismengkatalisis prosesprosestranskripsitranskripsi

RNA RNA polimerasepolimerase bersamabersama--samasama dengandengan faktorfaktor sigma sigma ((holoenzimholoenzim) ) �� bberjalanerjalan sepanjangsepanjang molekulmolekul DNA DNA sampaisampaimenemukanmenemukan lokasilokasi awalawal transkripsitranskripsi

FungsiFungsi faktorfaktor sigma sigma �� membantumembantu RNA RNA polimerasepolimerase untukuntukmengenalimengenali suatusuatu urutanurutan tertentutertentu padapada molekulmolekul DNA yang DNA yang menandaimenandai tempattempat awalawal transkripsitranskripsi yang yang dikenaldikenal sebagaisebagaipromoterpromoter

InisiasiInisiasi transkripsitranskripsi �� faktorfaktor sigma sigma terlepasterlepas daridari RNA RNA polimerasepolimerase �� transkripsitranskripsi berlangsungberlangsung terusterus sampaisampaimencapaimencapai suatusuatu daerahdaerah padapada akhirakhir gengen (terminator) (terminator)

TranskripsiTranskripsi

TranskripsiTranskripsi padapada EukariotEukariot

TranslasiTranslasi

ProsesProses translasitranslasiberlangsungberlangsung didi ribosomribosom, , prosesproses sintesissintesis protein protein berdasarkanberdasarkan informasiinformasipadapada mRNAmRNA

RibosomRibosom tddtdd 2 subunit, 2 subunit, yaituyaitu subunit subunit besarbesar ((large large subunitsubunit) ) dandan subunit subunit kecilkecil((small subunitsmall subunit) ) RibosomRibosom prokariotprokariot terdiriterdiriatasatas subunit 30S subunit 30S dandan 50S50S

RibosomRibosom eukarioteukariot terdiriterdiridaridari subunit 40S subunit 40S dandan 60S 60S

TranslasiTranslasiInisiasiInisiasi, , elongasielongasi, , dandan terminasiterminasi

InisiasiInisiasi �� komponenkomponen prokariotprokariot : : kodonkodon inisiasiinisiasi (AUG), (AUG), formylmethionineformylmethionine tRNAtRNA ((fMETfMET--tRNAtRNA), subunit 30S ), subunit 30S dandan50S, 50S, dandan GTP . GTP . tRNAtRNA inisiatorinisiator yang yang membawamembawa anti anti kodonkodonCAU CAU akanakan menempatimenempati situssitus P P padapada ribosomribosom

ElongasiElongasi �� tRNAtRNA keduakedua membawamembawa anti anti kodonkodon untukuntukkodonkodon keduakedua memasukimemasuki situssitus A A padapada ribosomribosom �� AsamAsamamino yang amino yang dibawadibawa oleholeh tRNAtRNA keduakedua membentukmembentuk ikatanikatanpeptidapeptida dengandengan asamasam amino amino pertamapertama �� tRNAtRNAbertranslokasibertranslokasi daridari situssitus A A keke situssitus P, P, lalulalu dilepaskandilepaskanmelaluimelalui situssitus E E �� situssitus A A kosongkosong �� situssitus A A terisiterisi kodonkodonuntukuntuk asamasam amino amino berikutnyaberikutnya �� dstdst

TerminasiTerminasi �� AkhirAkhir prosesproses elongasielongasi, , dicapainyadicapainya suatusuatukodonkodon (UAG, UAA, UGA) yang (UAG, UAA, UGA) yang tidaktidak dikenalidikenali oleholeh anti anti kodonkodon yang yang dibawadibawa oleholeh tRNAtRNA �� sinyalsinyal penghentianpenghentiantranslasitranslasi �� KeduaKedua subunit subunit ribosomribosom akanakan berdisosiasiberdisosiasi ��polipeptidapolipeptida dibebaskandibebaskan daridari tRNAnyatRNAnya

TranslasiTranslasi

TranslasiTranslasi

TranslasiTranslasi

Dogma Dogma SentralSentral

Mula2 Mula2 oleholeh Crick (1957) Crick (1957) : : InformasiInformasi genetikgenetik ygyg dibawadibawaDNA (DNA (kodekode genetikgenetik) ) �� ditranskripsikanditranskripsikan keke ““bahasabahasa”” RNA RNA �� mRNA + mRNA + RibosomRibosom �� translasitranslasi �� proteinprotein

AmandemenAmandemen Dogma Dogma SentralSentral �� TidakTidak 1 1 araharah ::

��Virus : Info Virus : Info genetikgenetik pd RNA pd RNA �� konversikonversi keke DNA DNA oleholehenzimenzim reverse transcriptase. reverse transcriptase. ContohContoh pd retrovirus pd retrovirus ygyg tddtddHuman THuman T--lymphotropiclymphotropic virus (HTLV) virus (HTLV) dandan Human Human immunodeficiency virus type 1 & 2 (HIV 1immunodeficiency virus type 1 & 2 (HIV 1--2)2)

��Transposable genetic elementsTransposable genetic elements

��EukariotEukariot dikenaldikenal Splicing RNA : pd mRNA Splicing RNA : pd mRNA dikenaldikenal exonexon((mengkodemengkode protein) protein) dandan intronintron ((tidaktidak mengkodemengkode protein)protein)

PerubahanPerubahan GenetikGenetik

EukariotEukariot �� reproduksireproduksi seksualseksual yang yang menyebabkanmenyebabkanpencampuranpencampuran genomgenom padapada perubahanperubahan genetikgenetik

ProkariotProkariot ((BakteriBakteri) ) �� MultiplikasiMultiplikasi dg dg pembelahanpembelahan selselsederhanasederhana ((setiapsetiap selsel anakanak menerimamenerima seluruhseluruhkomplemenkomplemen genetikgenetik yang yang identikidentik dengandengan selsel indukinduk) ) shgshgtidaktidak dptdpt tjdtjd pencampuranpencampuran

BakteriBakteri sejaksejak duludulu selaluselalu melakukanmelakukan evolusievolusi

MekanismeMekanisme : : mutasimutasi, , genetikagenetika rekombinanrekombinan, & , & pergantianpergantiangengen antaraantara bakteribakteri dengandengan atauatau tanpatanpa prosesproses

rekombinasirekombinasi. .

MutasiMutasi

MutanMutan : : organismeorganisme yang yang berbedaberbeda secarasecara genetikgenetik daridari tipetipe yang yang seringsering ditemukanditemukan didi alamalam ((wild typewild type). ). UrutanUrutan dapatdapat berbedaberbeda pd pd genotipenyagenotipenya ((urutanurutan DNA) DNA) atauatau fenotipefenotipe

MutasiMutasi dapatdapat terjaditerjadi secarasecara spontanspontan

TipeTipe mutasimutasi : :

Wild TypeWild Type GAA GGU UAC AUU ACUGAA GGU UAC AUU ACU

GluGlu glygly tyrtyr ileile thrthr

-- SubtitusiSubtitusi basabasaGAA GGU GAA GGU AAAC AUU ACUAC AUU ACU

GluGlu glygly asp asp ileile thrthr

U U mjdmjd A A �� mengkodemengkode tirosintirosin menjadimenjadi asparginaspargin

-- DelesiDelesi GAA GGU *ACA UUA CUGAA GGU *ACA UUA CU

GluGlu glygly thrthr leuleu

SatuSatu daridari U U delesidelesi �� perubahanperubahan padapada asamasam amino yang amino yang dikodedikodeselanjutnyaselanjutnya

MutasiMutasi

-- InsersiInsersi GAA GGU GAA GGU AAUA CAU UAC UUA CAU UAC U

GluGlu glygly lie his lie his tyrtyr

A A insersiinsersi �� perubahanperubahan urutanurutan asamasam amino yang amino yang dikodedikode selanjutnyaselanjutnya

-- DuplikasiDuplikasi GAA GGU GAA GGU GGUGGU GGUGGU UACUAC

GluGlu glygly glygly glygly tyrtyr

KodonKodon GGU GGU mengalamimengalami duplikasiduplikasi tigatiga kali.kali.

-- PerubahanPerubahan padapada GAA GGU UAGAA GGU UAAA AUU ACUAUU ACU

KodonKodon terminasiterminasi gluglu glygly ((kodonkodon terminasiterminasi))

PerubahanPerubahan padapada C C padapada kodonkodon UAC UAC akanakan merubahmerubah kodonkodon terminasiterminasimenjadimenjadi padapada kodonkodon UAA. UAA. SintesisSintesis peptide peptide akanakan berhentiberhenti padapadabagianbagian iniini

PertukaranPertukaran atauatau Transfer GenTransfer Gen

TRANSFORMASITRANSFORMASI

Sel resipien mengambil DNA bebas yang Sel resipien mengambil DNA bebas yang dilepaskan ke lingkungan ketika sel bakteri lain dilepaskan ke lingkungan ketika sel bakteri lain (donor) mati dan mengalami lisis (donor) mati dan mengalami lisis �� DNA bebas DNA bebas terdapat dalam bentuk fragmen akan diambil terdapat dalam bentuk fragmen akan diambil oleh bakteri tertentu oleh bakteri tertentu �� transformasitransformasi

Genus Genus Haemophiluus, Streptococcus, Haemophiluus, Streptococcus, dan dan NeisseriaNeisseriaDNA donor (untai tunggal) memasuki sel DNA donor (untai tunggal) memasuki sel resipien resipien �� rekombinan dengan DNA resipien rekombinan dengan DNA resipien homolog homolog

Berperan penting Berperan penting �� resistensi antibiotika resistensi antibiotika

TRANSDUKSITRANSDUKSI

DNA dari dua bakteri masuk ke dalam sel DNA dari dua bakteri masuk ke dalam sel

bersamabersama--sama untuk berekombinasi.sama untuk berekombinasi.

Dimediasi oleh Dimediasi oleh bakteriofagabakteriofaga

Virus mengandung DNA nya sendiri dan Virus mengandung DNA nya sendiri dan

bagian DNA bakteri donorbagian DNA bakteri donor

TransduksiTransduksi oleholeh BakteriofagaBakteriofaga

KONYUGASIKONYUGASI

Terjadi antara dua sel hidup, melibatkan kontak Terjadi antara dua sel hidup, melibatkan kontak sel dengan sel,dan membutuhkan mobilisasi dari sel dengan sel,dan membutuhkan mobilisasi dari kromosom bakteri donorkromosom bakteri donor

Kontak Kontak E coliE coli dimediasi oleh pilus sex dimediasi oleh pilus sex

Pilus sex berasal dari donor dan membentuk Pilus sex berasal dari donor dan membentuk jembatan konyugasi untuk transfer DNA dari sel jembatan konyugasi untuk transfer DNA dari sel donor ke sel resipien donor ke sel resipien �� mobilisasi kromosom mobilisasi kromosom ��Satu untai DNA baru dihasilkan oleh donor Satu untai DNA baru dihasilkan oleh donor ��berpindah ke resipien berpindah ke resipien

Sex Sex piluspilus E coli E coli antaraantara donor donor dandan

resipienresipien

KonyugasiKonyugasi padapada E.coliE.coli

MetodeMetode DiagnostikDiagnostik MolekulerMolekuler

UntukUntuk IdentifikasiIdentifikasi MikrobaMikroba dapatdapat dilakukandilakukan

melaluimelalui metodemetode konvensionalkonvensional & & molekulermolekuler

UntukUntuk meningkatkanmeningkatkan sensitivitassensitivitas & &

spesifisitasspesifisitas dipakaidipakai metodemetode amplifikasiamplifikasi

asamasam nukleatnukleat yang yang tidaktidak membutuhkanmembutuhkan

multiplikasimultiplikasi organismeorganisme ybsybs �� paling paling

banyakbanyak digunakandigunakan POLYMERASE CHAIN POLYMERASE CHAIN

REACTION (PCR)REACTION (PCR)

PCRPCR

•• MengkombinasikanMengkombinasikan prinsipprinsip hibridisasihibridisasi asamasamnukleatnukleat yang yang komplementerkomplementer dengandengan replikasireplikasiasamasam nukleatnukleat yang yang diaplikasikandiaplikasikan melaluimelaluisejumlahsejumlah siklussiklus

•• Copy Copy tunggaltunggal daridari asamasam nukleatnukleat target target dilipatgandakandilipatgandakan menjadimenjadi 10 10 pangkatpangkat 7 7 atauatau lebihlebihcopycopy didi dalamdalam periodeperiode yang yang relatifrelatif pendekpendek

PCRPCR

•• PCR PCR mempunyaimempunyai 30 30 sampaisampai 50 50 siklussiklus berulangberulang, ,

setiapsetiap siklussiklus tddtdd : :

••denaturasidenaturasi asamasam nukleatnukleat targettarget

••primer primer annealing annealing dengandengan asamasam nukleatnukleat

target target untaiuntai tunggaltunggal

••pemanjanganpemanjangan (extension)(extension) daridari pasanganpasangan

primerprimer--targettarget

ThermalcyclerThermalcycler

PCRPCR

AplikasiAplikasi RekayasaRekayasa GenetikaGenetika

AplikasiAplikasi IndustriIndustri

AplikasiAplikasi AgrikulturalAgrikultural

AplikasiAplikasi TerapeutikTerapeutik ��

ProduksiProduksi hormonhormon insulin insulin untukuntuk penangananpenangananpenyakitpenyakit DM DM melaluimelaluiteknologiteknologi DNA DNA rekombinanrekombinan ((dipakaidipakaibakteribakteri E.coliE.coli sbgsbg vektorvektor), ), hemofilihemofili, , kankerkanker

AplikasiAplikasi keilmuankeilmuan ��

IdentifikasiIdentifikasi mikrobamikroba, , Human Genome Project Human Genome Project

PRODUK PCR PASIEN & PERAWATPRODUK PCR PASIEN & PERAWAT

SEKIAN DAN TERIMA KASIHSEKIAN DAN TERIMA KASIH