Bioteknologi dengan Menggunakan Mikroorganisme

Bioteknologi tradisional maupun modem telah menggunakan mikroorganisme sebagai bagian suatu proses untuk menghasilkan produk dan jasa. Bioteknologi umumnya menggunakan mikroorganisme seperti bakteri, khamir (yeast), dan kapang, dengan alasan:

• pertumbuhannya cepat;
• sel-selnya memiliki kandungan protein yang tinggi;
• dapat menggunakan produk-produk sisa sebagai substratnya, misalnya dari limbah pertanian;
• menghasilkan produk yang tidak toksik;
• sebagai organisme hidup, reaksi biokimianya dikontrol oleh enzim organisme itu sendiri sehingga tidak memerlukan tambahan reaktan dari luar.

Bioteknologi yang menggunakan mikroorganisme antara lain penemuan dan penyelesaian masalah pangan, obat- obatan, pembasmian hama tanaman, pencemaran, dan pemisahan logam dari bijih logam.

MIKROORGANISME PENGUBAH DAN PENGHASIL MAKANAN DAN MINUMAN

Mikroorganisme dapat mengubah nilai gizi makanan atau minuman dalam proses fermentasi. Proses fermentasi merupakan perubahan enzimatik secara anaerob dari senyawa organik menjadi produk organik yang lebih sederhana. Aktivitas mikroorganisme tersebut antara lain dalam fermentasi yang mengubah ampas tahu atau kacang kedelai menjadi oncom, kacang kedelai menjadi tempe atau kecap, buah anggur menjadi minuman anggur, dan ketan hitam atau putih menjadi arak hitam atau putih. Mikroorganisme pada proses fermentasi menyebabkan perubahan senyawa-senyawa kompleks pada makanan atau minuman menjadi senyawa yang lebih sederhana dan peningkatan cita rasa dan aroma makanan atau minuman Misalnya, oncom dapat dibuat dari ampas tahu, singkong , kelapa, atau kacang tanah, dengan penambahan mikroorganisme berupa Neurospora.

Jamur oncom Neurospora

Neurospora menguarkan enzim amilase, lipase, dan protease yang akhf Sna proses fermentasi, juga menguraikan bahan-bahan dinding sel ampas kacang kedelai, singkong, atau kelapa. Fermentasi pada pembuatan oncom juga menyebabkan terbentuknya sedikit alkohol dan berbagai ester yang beraroma sedap.

Mikroorganisme dapat dijadikan langsung sebagai sumber makanan. Hal ini dikarenakan (1) massa mikroorganisme dapat tumbuh menjadi dua kali lipat dalam waktu satu jam, sedangkan massa tumbuhan atau hewan memerlukan waktu berminggu-minggu dan (2) massa mikroba minimal mengandung 40% protein serta memiliki kandungan vitamin dan mineral yang tinggi.

Pada Tabel berikut terlihat bahwa protein yang dihasilkan setiap hari dari 1000 g biomassa (1 kg) bakteri mencapai nilai tertinggi dibandingkan produksi protein oleh hewan ternak, tanaman kacang kedelai, dan khamir.

Organisme	Protein yang dihasilkan setiap hari dari 1000 g biomassa (kg)
Hewan ternak	1
Tanaman kacang kedelai	100
Khamir	100.000
Bakteri	1.000.000.000.000.000

Makanan yang berasal dari mikroorganisme disebut protein sel tunggal (PST) atau disebut juga single-cell protein (SCP). Protein sel tunggal merupakan makanan kaya protein yang berasal dari mikroorganisme.

Awalnya, sekitar tahun 1960-an mikroorganisme protein sel tunggal ditumbuhkan dalam medium yang mengandung minyak. Namun, meningkatnya harga minyak pada tahun 1970 menyebabkan produksi protein sel tunggal dengan medium minyak menjadi tidak menguntungkan lagi. Akhirnya, sampai dengan saat ini mikroorganisme protein sel tunggal ditumbuhkan di dalam sirup glukosa, ampas buah- buahan, dan sisa berbagai produk pertanian.

Contoh mikroorganisme protein sel tunggal yaitu jamur Fusarium graminearum yang mengandung protein 45% dan lemak 13%. Fusarium sangat bergizi seperti halnya daging. Kelebihannya adalah memiliki kandungan serat tinggi dan bebas kolesterol. Hifa jamur Fusarium merupakan makanan yang sangat bergizi, disebut sebagai mikoproteln.

MIKROORGANISME PENGHASIL OBAT

Mikroorganisme dapat membantu bidang pengobatan. Mikroorganisme tersebut misalnya digunakan untuk membuat antibiotik dan vaksin, seperti yang akan dibahas berikut ini.

Antibiotik

Antibiotik merupakan senyawa yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme untuk menghambat pertumbuhan mikroorganisme lain. Lihat Gambar. Banyak ditemukan mikroorganisme yang mengandung substansi dengan aktivitas antibiotik. Namun beberapa di antaranya terlalu mahal untuk produksi komersil atau memiliki efek samping yang berbahaya. Empat kelompok antibiotik adalah sebagai berikut.

Salah satu contoh antibiotik

Penisilin

Penisilin yang diproduksi secara komersial dicampurkan dengan berbagai senyawa, namun komponen utama berupa penisilin. Komponen utama penisilin tersebut merupakan penisilin G yang dapat diubah menjadi bentuk-bentuk lain dengan aktivitas yang sedikit berbeda. Penisilin G terdegradasi oleh asam lambung sehingga penisilin lebih baik diberikan melalui suntikan. Contoh lain adalah penisilin yang tidak dipengaruhi oleh asam lambung sehingga dapat dikonsumsi dalam bentuk sirup maupun tablet. Adanya kisaran pada penisilin memungkinkan staf kesehatan untuk memilih jenis pengobatan yang paling sesuai dengan penyakit tertentu. Pilihan-pilihan ini juga membantu menuntaskan perkembangan resistensi penyakit terhadap obat.

Alexander Flemming, penemu penisilin

Sefalosporin

Sefalosporin dihasilkan oleh jamur Cephalosporium yang ditemukan pada tahun 1948. Sefalosporin aktif untuk bakteri yang memiliki karakter dengan kisaran yang kurang lebih sama dengan penisilin. Sefalosporin terbaru sangat efektif untuk melawan bakteri yang resisten terhadap penisilin. 

Tetrasiklin dihasilkan oleh bakteri Streptomycin aureofaciens. Berbagai bentuk tetrasiklin aktif melawan bakteri yang memiliki karakter dengan kisaran kurang lebih sama dengan penisilin. Walaupun demikian, berkembangnya resistensi telah mengurangi efektivitas antibiotik ini. Tetrasiklin mengikat kalsium dan diakumulasi dalam tulang dan gigi yang sedang berkembang.

Eritromisin

Eritromisin memiliki kisaran yang sama dengan penisilin. Eritromisin bermanfaat untuk melawan bakteri yang resisten terhadap penisilin atau dapat digunakan untuk pasien yang alergi terhadap penisilin.

Beratus jenis antibiotik yang berbeda digunakan untuk melawan penyakit pada manusia yang disebabkan oleh bakteri. Antibiotik dapat membasmi bakteri di dalam tubuh manusia, namun tidak membahayakan manusia. Hal ini dikarenakan antibiotik memiliki toksisitas selektif. Toksisitas selektif pada antibiotik berarti antibiotik dapat membunuh atau menghambat pertumbuhan bakteri, namun tidak menyebabkan kerusakan pada sel-sel inang atau sel-sel tubuh manusia. Antibiotik memiliki target tertentu yang hanya terdapat pada sel bakteri, misalnya penisilin dan sefalosporin mampu menghambat biosintesis sel bakteri.

Vaksin

Vaksin merupakan mikroorganisme atau bagian mikroorganisme yang telah dilemahkan. Vaksin dimasukkan (dengan suntikan atau oral) ke dalam tubuh manusia agar sistem kekebalan tubuh manusia aktif melawan mikroorganisme tersebut. Lihat Gambar. Vaksin telah membantu berjuta-juta orang di dunia dalam pencegahan serangan penyakit yang serius. Vaksin berasal dari sumber- sumber berikut ini.

Vaksinasi melalui oral

Mikroorganisme yang telah mati

Penggunaan mikroorganisme yang telah mati antara lain digunakan untuk menghasilkan vaksin batuk rejan dari bakteri penyebab batuk rejan. Bakteri tersebut dimatikan dengan pemanasan atau penggunaan senyawa kimia untuk mendenaturasi enzimnya.

Mikroorganisme yang telah dilemahkan

Vaksin yang dihasilkan dari mikroorganisme yang sudah dilemahkan disebut sebagai vaksin atenuasi. Vaksin yang melawan tuberkulosis dan poliomielitis merupakan vaksin atenuasi. 

Suatu substansi mikroorganisme yang tidak menyebabkan penyakit

Contoh vaksin yang menggunakan sumber tersebut adalah vaksin difteri dan tetanus yang dihasilkan dari substansi toksin (toksoid) yang sudah tidak berbahaya dari bakteri. Toksoid bertujuan untuk merangsang produksi antibodi, namun mengurangi resiko terinfeksi oleh bakteri patogen.

MIKROORGANISME PEMBASMI HAMA TANAMAN

Mikroorganisme di alam dapat dijadikan sebagai agen pengendali hayati, yaitu pengendalian terhadap hama dengan menggunakan musuh alami. Misalnya pengendalian hama serangga pada tanaman pertanian dengan menggunakan bakteri patogen serangga, yaitu Bacillus thuringiensis (Bt).

Bakteri B t dapat ditemukan di tanah dan tanaman. Bacillus thuringiensis merupakan spesies bakteri yang dikembangkan menjadi insektisida mikrobial. Bakteri Bt menghasilkan protein kristal yang dapat membunuh serangga maupun larva atau ulat serangga. Aktivitas Bt pada tanaman misalnya membunuh ngengat yang menjadi hama pada buah apel dan pir, ulat pada kol (kubis), brokoli, dan kentang.

Bakteri Bacillus thuringiensis yang dijadikan insektisikda mikrobal 

Bt yang telah dikembangkan dalam jumlah besar dicampur dengan cairan tertentu yang berfungsi sebagai perekat dan langsung dapat disemprot pada tanaman pertanian. Bacillus thuringiensis yang berbeda akan menghasilkan protein kristal yang toksik untuk kelompok organisme yang berbeda. Bt telah dijual di Amerika Utara sebagai insektisida mikrobial komersial sejak tahun 1960, dan dijual dengan berbagai merk dagang. Bt dapat digunakan dengan cara penyemprotan konvensional pada tanaman pertanian.

Beberapa Bt yang tersedia secara komersial dengan hama targetnya adalah sebagai berikut.

• Bacillus thuringiensis varietas tenebrionis menyerang ; kumbang kentang colorado dan larva kumbang daun.
• Bacillus thuringiensis varietas kurstaki menyerang berbagai jenis ulat tanaman pertanian.
• Bacillus thuringiensis varietas israelensis menyerang nyamuk dan lalat hitam.
• Bacillus thuringiensis varietas aizawai menyerang larva ngengat dan berbagai ulat, terutama ulat ngengat diamondback.

Protein kristal Bt akan berpengaruh efektif terhadap 4 larva, ulat serangga, dan serangga bila Bt yang dikonsumsi dalam jumlah yang mencukupi dan pH usus serangga berada pada kondisi alkali (basa). Cara keija protein kristal Bt yang toksik adalah sebagai berikut.  Misalnya ulat serangga makan daun yang telah disemprot dengan spora dan toksin kristal Bt. Beberapa menit kemudian toksin akan mengikat reseptor spesifik yang ada pada membran usus ulat serangga. Ulat serangga mulai berhenti makan dan dalam beberapa jam membran usus ulat serangga mengalami degradasi. Akibatnya, spora Bt dan bakteri usus akan masuk ke dalam rongga tubuh ulat serangga. Pada kondisi ini toksin Bt telah larut.

pengaruh spora dan toksin bacillus thuringiensis terhadap hama ulat

Satu hingga dua hari kemudian ulat serangga akan mati akibat keracunan darah, yang terjadi saat spora Bt dan bakteri usus berkembang biak di dalam darahnya.

MIKROORGANISME PENGOLAH LIMBAH

Mikroorganisme membantu pengolahan berbagai jenis limbah, terutama dalam penguraian limbah organik. Limbah organik dari rumah tangga, pasar, atau industri sering dibuang langsung ke sungai, yang mengakibatkan pencemaran di sungai atau timbulnya limbah cair. Tujuan utama pengolahan limbah cair dengan mikroorganisme adalah untuk mengurangi kandungan BOD dan bahan padat tersuspensi. Pengolahan limbah cair juga dibutuhkan untuk menghilangkan pupuk yang masuk ke saluran air, bahan kimia beracun, dan padatan terlarut.

Mikroorganisme mengolah limbah cair melalui proses penguraian secara aerob dan anaerob. Pada pemrosesan aerob terdapat berbagai mikroorganisme (bakteri, protista, dan jamur) yang menguraikan materi organik dari limbah menjadi mineral-mineral, gas-gas, dan air. Aktivitas ini membutuhkan banyak oksigen. Reaksi-reaksi penguraian utama yang terjadi adalah sebagai berikut.

                                        Materi   dari karbon ------------------> CO₂

                         diuraikan menjadi    

            H₂S --------------------------> S0₄

                            (Hidrogen sulfida)                        (Sulfat)

                          diuraikan menjadi

                    _NH4⁺ --------------------------> NO₃-

                       (Amonium)                                (Nitrat)

Pemrosesan limbah secara aerob terdiri dari dua metode pengolahan, yaitu proses yang menggunakan lumpur aktif dan proses yang menggunakan saringan tetes.

Pengolahan dengan Lumpur Aktif
Sistem pengolahan dengan lumpur aktif adalah pengolahan limbah cair dengan membiakkan bakteri aerobik dalam suatu tangki (bak) limbah yang diberi aerasi dengan tujuan untuk menurunkan bahan organik yang mengandung karbon atau nitrogen dalam limbah. Bakteri yang berperan dalam menurunkan bahan organik karbon adalah bakteri heterotrof. Sumber energinya berasal dari oksidasi senyawa organik dari bahan organik karbon yang menghasilkan karbon dioksida, amonia, bahan untuk sel baru, dan lumpur.

                                              mikroorganisme

C₆H₁₂O₂N₂S + O₂ + nutrien ---------------> CO₂ + NH₃ +C₅H₇N0₂ + 
                                                                  
                                                                      H₂S + Lumpur

Pengolahan dengan Saringan Tetes

Sistem pengolahan dengan saringan tetes adalah pengolahan limbah cair dengan memanfaatkan teknologi biofilm. Biofilm merupakan lapisan mikroorganisme yang menutupi hamparan saringan atau filter pada dasar tangki (bak) limbah. Hamparan saringan berupa tumpukan arang kayu, batu kerikil, atau plastik.

Limbah yang berasal dari tangki sedimentasi primer disemprotkan dari lengan-lengan penyemprot yang berputar lambat di bagian atas tangki pengolahan saringan tetes ke dalam hamparan biofilm di dalam tangki. Saat limbah perlahan-lahan menetes terus-menerus, mikroorganisme pada biofilm menguraikan materi organik yang terkandung di dalamnya. Mikroorganisme pada biofilm mengandung Vorticella (Protista) yang hidup dengan memakan bakteri dan jamur, yang berguna untuk memperlambat proses penguraian dan mencegah terbentuknya lapisan lendir pada filter.

Penguraian Lumpur

Penguraian lumpur yaitu proses penguraian bahan padat yang terakumulasi dari pemrosesan aerob atau dari endapan perlakuan fisik sebelumnya (misalnya perlakuan pengendapan sebelum limbah cair diolah secara biologis). Lumpur tersebut dibiarkan selama dua hingga tiga minggu di dalam suatu tangki atau bak yang tidak mengandung oksigen, pada suhu sekitar 30° hingga 40°C. Penguraian lumpur secara anaerob, misalnya Methanobacterium yang mengubah materi organik menjadi gas metana (CH₄), karbon dioksida (CO2), dan hidrogen (H₂), termasuk air serta mineral.

MIKROORGANISME PEMISAHAN LOGAM DARI BIJIH LOGAM

Mikroorganisme berperan dalam usaha mendapatkan logam dari bijih logam. Peranan mikroorganisme di dalam proses ekstraksi logam dari bijihnya akan menjadi semakin penting karena alasan-alasan berikut.

• Deposit-deposit mineral yang lebih kaya sudah banyak berkurang. Kini, bijih bermutu rendah banyak diolah dan membutuhkan pengembangan teknik-teknik yang dapat mengekstraksi logam dengan lebih sempurna.
• Metode pengolahan bijih secara tradisional yaitu dengan peleburan, merupakan penyebab utama polusi udara dan kini banyak ditentang oleh kelompok pencinta lingkungan. 

Mikroorganisme mampu memperbaiki kedua keadaan ini. Misalnya, beberapa bakteri aerobik autotrofik, Thiobacillus oxidans dan T. ferrooxidans bila ditumbuhkan dalam lingkungan yang mengandung bijih tembaga akan Menghasilkan asam dan mengoksidasi bijih tersebut disertai pemisahan (pengendapan) logam tembaganya. Proses ini disebut pencucian mikrobial (microbial bleaching). Pemisahan logam emas, uranium, dan tembaga juga dapat dilakukan dengan cara yang sama.