Microbial genetics

MICROBIAL GENETICS Konsep dasar mekanisme sifat herediter : Fenomena dasar biologi yang melandasi terdiri dari 2 :

1. Hereditas (pembawa sifat keturunan) Umumnya bersifat sangat stabil artinya gen yang dibawa oleh orang tuanya akan sama diturunkan pada anak2nya. Pada bakteri sel bakteri membelah menjadi dua sebagai mekansme reproduksi dengan pembagian materi genetik yang sama dikeduanya. Hal ini akan terjadi secara terus menerus.2. Variasi genetik: merupakan suatu fenomena yang secara umum frekuensinya rendah secara alami pada kondisi normal.Kedua fenomena dapat terjadi pada semua mahluk hidup dan yang berperan penting dalam kejadian ini adalah : GenGen adalah substansi penentu yang dimiliki oleh setiap organisme dan diturunkan pada generasi berikutnya secara turun temurun.Gen terletak dalam kromosom yang terdapat dalam inti sel. Pada fase pembelahan sel, maka khromosom akan berduplikasi menjadi 2 sama persis yang akan diturunkan pada 2 sel yang dihasilkan oleh proses pembelahan. Seluruh rangkaian gen yang dimiliki oleh bakteri atau organisme lain disebut sebagai Genom atau genotype. Setiap organisme mempunyai susunan dan panjang yang berbeda. Sedangkan struktur luar atau perangkat fisiologi yang dimiliki yang tampak terlihat dari luar disebut sebagai phenotype.Proses replikasi gen merupakan proses yang dapat dicermati dan terukur pada gen yang diturunkan. Akan tetapi pada kondisi tertentu bisa terjadi proses mutasi pada gen yang mengakibatkan terjadinya perbedaan susunan gen yang kadangkala dapat dilihat manifestasinya pada perubahan struktur fisiologi dari sel. Gen yang mengalami mutasi umumnya bersifat stabil dan diturunkan pada individu baru hasil pembelahan dari sel yang mengalami mutasi. Pada sel eukariota maupun prokariota komponen pada kromosom yang berperan pada replikasi genetik dan fungsi gen adalah DNA (deoxyribonucleic acid) yang terletak pada intisel (nukleus).Genom prokariota seperti bakteri terdiri atas : plasmid, prophage dan elemen transposon. Kromosom prokariotaStruktur kromosomStruktur kromosom dapat diamati dengan menggunakan elektron mikroskup. Struktur DNA terdiri dari rantai ganda yang tersusun atas pasangan basa polinukleutid yang memanjang secara komplementer, purin dan pirimidin dengan rangka deoxiribsa dan komponen fosfat. Rantai ganda dihubungkan dengan ikatan hidrogen diantara basa-2 yang berhadapan A-T (Adenin –Timin) dan G-C (Guanin – Cytosin). Jadi bila potongan (sekuen) dari basa yang terdiri dari G-C-C-A-C-T-C-A hanya bisa berpasangan secara berhadapan dgn C-G-G-T-G-A-G-T. Kromosom dari Escherichia coli mempunyai BM 2,5 x 10⁹ Dalton yang berisi kira kira 4 x 10⁶ bp. Bentuk kromosom bakteri kebanyakan adalah sirkuler Replikasi kromosom Pada sel prokariota replikasi DNA yang terjadi berdasarkan mekanisme semi konservatif. Dimana utas DNA rantai ganda akan membuka ikatan gandanya yang akan bertindak sebagai cetakan (template) untuk membentuk utas komplementer sesuai dengan potongan template yang ada dengan bantuan ensim polimerase yang dihasilkan oleh sub unit nukleotid yang ada dalam nukleus. Replikasi tidak selalu sempurna terjadi sesuai dengan template, tetapi bakteri juga mempunyai mekanisme untuk mengkoreksi replikasi yang terbentuk, untuk ini maka ada 3 protein yang sangat berperan pada proses koreksi yaitu : 1. Initiation protein terdiri : gyrase dan RNA polimerase yang secara langsung menginisiasi awal replikasi (OriC) 2. Specificity protein terdiri : topoisomerase I dan RNase H yang bekerja menekan replikasi disisi yang lain 3. Replication protein terdiri : primase dan DNA polymerase III holoenzyme yang bekerja pada proses perpanjangan rantai polinukleotida yang terbentuk Fungsi kromosomKromosom bakteri berbentuk sirkuler, kromosom mempunyai kira-kira 3,8 x 10⁶ pasangan basa yang secara fungsional terbagi atas segmen-segmen yang masingmasing sebagai penentu rangkaian asam amino yang akan membentuk suatu protein tertentu. Protein-protein tsb dapat berupa enzim, komponen membran sel ataupun struktur sel yang lainnya yang menentukan seluruh perangkat organela dari sel bakteri. Segmen DNA dari kromosom yang yang menentukan struktur dari protein yang dihasilkan disebut sebagai Gen. Mekanisme pembentukan protein dari rangkaian asam amino oleh gen penentu atau determinan adalah sebagai berikut :1. RNA polimerase membentuk untai tunggal poliribuneukleus yang disebut sebagai messenger RNA (mRNA) dengan menggunakan DNA sebagai template. Proses ini disebut sebagai proses transkripsi.2.Pembentukan tRNA dari asam amino diaktifkan secara ensimatis dan dikirim ke molekul adapter spesifik dari RNA.3.mRNA dan tRNA secara bersama berjalan pada permukaan ribosom. Setiap tRNA mendapatkan 3 basa nukleotida komplementer pada mRNA. Pada proses ini terjadi penterjemahan kode-kode pembentukan suatu protein dari deretan triple basa nukleotida. Proses ini disebut sebagai proses Translasi DNA plasmidPlasmid merupakan elemen dari asam nukleotida sirkuler yang secara otonomi dapat bereplikasi sendiri di dalam sel inangnya. Plasmid juga disebut sebagai minikromosom karena kemampuannya untuk bereplikasi sendiri dan sifat kemampuannya sebagai elemen genetik. Yang sama sekali tidak berhubungan dengan kromosom utamanya. Plasmid juga mempunyai kemampuan membawa materi genetik terhadap sifat-sifat resistensi terhadap antibiotika tertentu seperti tetrasiklin atau kanamicin. Hal ini terjadi karena gen pembawa resistensi antibiotika terdapat dalam plasmid. Sifat resisten terhadap antibiotik memerlukan sejumlah ensim untuk dapat menetralisir antibiotik tsb. Karena terletak pada plasmid maka gen resisten terhadap antibiotik mampu dikopi dengan jumlah yang sangat banyak tanpa mampu dikendalikan oleh kromosom utamanya. Episom adalah plasmid yang mempunyai kemampuan mengaktifkan atau menginaktifkan elemen kromosom utama. Plasmid yang dapat berintegrasi ke dalam kromosom bakteri dapat dipindahkan dari satu bakteri ke bakteri yang lain jika sel bakteri ditempelkan satu dengan yang lain.DNA plasmid sangat kecil dibandingkan dengan fragmen DNA kromosomal, sehingga menjadi lebih mudah dipotong-potong dan lebih mudah dimurnikan. Secara laboratoris, jika DNA plasmid ditambahkan pada biakan bakteri yang bebas plasmid dengan penambahan ion Ca⁺² DNA plasmid akan secara cepat akan masuk dan membuat banyak copy plasmid. Jumlah copy yang terbentuk tergantung dari sifat genetik dari plasmid dan sel bakteri sebagai host. Plasmid dapat berreplikasi 10 -200 copy pada masing-masing sel Mutasi Proses reproduksi melibatkan sifat yang diturunkan dari induk ke anak yang memberikan pengertian adanya proses duplikasi dan pemindahan materi genetik (DNA) yang menyandi semua sifat genetik dan fenotip sel induk. Adanya perubahan sifat atau fisik dari sel hasil reproduksi disebut sebagai Mutasi. Secara lebih lengkap Mutasi adalah terjadinya perubahan rangkaian nukleotida dari gen pada aleles yang mengakibatkan terjadinya perubahan sifat kemampuan dan fisik sel.Mutasi dapat terjadi secara radikal ataupun secara pelan.Mutasi pada bakteri terjadi pada beberapa kondisi seperti : A. Mutasi pada perubahan tipe sequen DNA Sequen nukleotida dari DNA dapat berubah melalui 2 cara, yaitu terjadinya penambahan atau substituís satu pasangan basa yang mengakibatkan kesalahan replikasi atau melalui terputusnya ikatan gula fosfat pada rangka rangkaian DNA rantai ganda.1. Subsitusi pasangan basa Pirimidin dan purin merupakan basa nukleotida yang sering mengalami perubahan misalnya A-T dipindahkan G-C2. Penyisipan ataupun pemotongan sequen DNAAdanya kesalahan pada saat replikasi dimana satu pasang basa bisa ditambahkan atau hilang pada translasi pada bagian reading frame terbaca on yang seharusnya stop atau sebaliknya. Kejadian ini disebut sebagai Frame shift mutation. B. Mutasi Spontan Mutasi spontan merupakan proses mutasi yang paking sering terjadi, yaitu terjadinya kesalahan pada proses replikasi yang diakibatkan oleh kesalahan menterjemahkan atau membaca template misalnya seharusnya pasangan basa yang komplementer yang harus dipasangkan G, tetapi yang dipasangkan ádalah A C. Agen mutagenik Mutasi pada sel bakteri dapat terjadi akibat pengaruh dari berbagai bahan kimia ataupun secara fisik yang secara langsung ataupun tidak langsung dapat mempercepat terjadinya mutasi. 1. Fisik : sinar uv, radiasi ionik sinar gelombang panjang 2. Kimiawi : ensim seluler, bahan nitroso compounds, alkylating agent, base analog, obat anti kanker, dll Transfer DNA intraseluler dan genetic rekombinan pada bakteri Pada organisme eukariota sel diploid dibentuk oleh fusi dari 2 sel sexual haploid (gamet) yang menghasilkan Zygote .Pada bakteri juga terbentuk zygote meskipun proses pembentukannya tidak sama persis dengan sel eukariota. Materi genetik dari sel donor dipindahkan ke sel resipien. Fargmen genetik dari sel donor disebut exogenote dan komplemen fragmen dari sel resipien disebut endogenote. Proses kromosom rekombinan nantinya akan menghasilkan sebuah sel haploid