28/06/2018

1

FERMENTASI PRODUK NON

TRADISIONAL

I. BIOSINTESIS METABOLIT PRIMER

• Metabolit primer : persenyawaan-persenyawaan yang merupakan

produk akhir atau produk antara yang dihasilkan dari proses

metabolisme sel, mempunyai berat molekul rendah, sebagai

penyusun molekul yang lebih besar atau dikonversi menjadi

koenzim.

• Contoh : asam organik, nukleotida dan vitamin

• Tidak diproduksi secara berlebih karena pada sebagian mikrobia

dapat menghambat pertumbuhan dan kadang-kadang mematikan

• Mikrobia yang dapat hidup pada kondisi produksi metabolit primer

berlebih, potensial dikembangkan sebagai galur dengan

produktivitas tinggi.

28/06/2018

2

VITAMIN

Vitamins: tidak dapat disintesis oleh organisme tingkattinggi, tetapi mikrooganisme mampu mensintesisnya

ThiamineRiboflavinPyridoxineFolic acidPantothenic acidBiotinVitamin B12Ascorbic acidb- carotene (provitamin A)Ergosterol (vitamin D)

� GMO � digunakan sebagai alternatif dari produksi vitamin secara kimia �karena produksi melalui sintesis kimia dianggap tidak feasible

Produksi Vitamin B12 Secara Komersial

Genus Mikroba Yang memproduksi vit B12

28/06/2018

3

Produksi Vitamin Secara Komersial

Yang paling banyak digunakan secara komersial :

Streptomyces griesus

Pseudomonas denitrificans (aerobik)

Salmonella typhimuriu (anaerobik)

Propionibacterium shermanii (anaerobik)

Sanofi-Aventis (FRENCH) menggunakan Propionibacterium yang sudah

direkayasa secara genetika untuk menghasilkan vitamin B12 karena tidak

menghasilkan toksin (baik endotoksin maupun eksotksin)

P. denitrificans merupakan mutan hasil modifikasi yang lebih efisien

dibandingkan strain-strain liar lainnya.

20 mg/L

� GRAS by FDA

• Contoh Produksi Cobalamin menggunakan 2fermentor kontinue

Anaerobic70h

Aerobic 50h

GlucoseCorn steep Betaine (5%)Cobalt (5ppm)pH 7.5 +

Propionibacteriumfreudenreichii

Produksi dan akumulasi Cobinamide

Sintesis Nucleotide yang dikombinasikan denganCobinamide untuk menghasilkan 2ppm cobalamin

Asidikfikasi kulturHingga pH 2-3/ 100oCPenyaringan untuk menghilangkan sisa sel

Filtrate

Penambahan KCN

CYNACOBALAMINKemurnian 80%Digunakan feed additive

Penambahan 5,6-dimethylbenzimidazol(0.1%)

Betaine: sugar beet molasses

28/06/2018

4

Pseudomonas denitrificans:� meningkatkan produksi dari0.6mg/L menjadi 60mg/L

Glucose : sumber karbon yang umum

Alkohol (methanol, ethanol, isopropanol)Hydrocarbons(alkanes, decane, hexadecane)

Methanol 42mg/L dapat digunakan sebagai sumber karbon oleh Methanosarcina barkeri

Produksi Vitamin Riboflavin (B2) Secara Komersial

Glukosa

50% dihasilkan melalui biotransformationmenggunakan Bacillus pumulis

D-ribosa

20% diproduksi secara sintesis kimia

Riboflavin

Produksi 1/3rd awal � melalui Fermentasi langsung

Fermentasi Acetone butanololeh Clostridium acetobutylicumC. butylicum menghasilkan riboflavin sebagai produk samping

Ashbya gossypiiCandida famataBacillus subtillis (genetically modified)

28/06/2018

5

Produsen Riboflavin utama DSM Nutritional Products (Switzerland)and Hubei Guangji (Hubei Province, China), menggunakan B. subtilishasil rekayasa genetika, dan BASF (awalnya di Germany, tapi saat iniada di Korsel), menggunakan A. Gossypii hasil rekayasa genetika

Produksi Vitamin B2

Fase I penggunaan glukosa, akumulasi pyr, pH asam, pertumbuhan terhenti, belum dihasilkan Riboflavin

Fase II penurunan pyr, peningkatan ammonia, pH meningkat, produksi Riboflv dalam bentuk FAD dan FMN

Fase III autolysis, pemecahan sel, pelepasan FAD, FMN dan riboflavin bebas

Sumber Karbon : glucose, acetate, methanol, aliphatic hydrocarbons

Produksi Vitamin C (Asam Askorbat)

28/06/2018

6

D-glucose (200g)

Submerged bioreactor fermentation

D-sorbitol

sorbitol dehydrogenase

L-Sorbosechemical oxidation

2 keto L gulonic acid

Enol form of 2 keto L gulonic acid

acid treatment

L-ASCORBIC ACID (100g)

Acetobacter xylinum, A,suboxydans

Glucuronic acid

Gluconolactone

L-Gluconolactone

L-ASCORBIC ACID

L-Gluconolactonedehydrogenase

Reichstein Grussner synthesis

Erwinia sp.Acetobacter sp.Gluconobacter sp.

2,5-diketogluconic acid

2-keto L-gluconic acid

L-ASCORBIC ACID

Corynebacterium sp.

2,5-diketogluconic acidreductase

2,5-diketogluconic acidReductase of Corynebacterium into Erwinia herbicola

Cloning of gene

Bacillus megaterium

PRODUKSI Vitamin A (Beta Karotene)

Fermentasi MikrobaBlakeslea trispora (Hasil Tinggi ; 7g/L)Phycomyces blakesleeanusChoanephora cucurbitarumProses Fermentasi Submerged

Corn starch, soyabean meal, β-ionone, antioxidants

DSM Nutritional Products (Switzerland) dan BASF (Germany)� produsen utama dunia

Trisporic acid: bertindak sebagai hormon sex mikroba, meningkatkan produksiββββ-Ionone: meningkatkan sintesis β-carotene melalui peningkatan aktivitas enzimPurified deodorized kerosene meningkatkan kelarutan substrat yang bersifat hidrofobik

Recovery: Miselia yang kaya akan β− carotene digunakan sebagai feed additiveMiselia dikeringkan dengan metanol, diekstraksi dalam methylene chloride dandikristalisasi sehingga dihasilkan produk dengan kemurnian 70-85%

stimulators

28/06/2018

7

Mikroalga hijau yang bersifat halofilik Dunaliella salina � dapat

mengakumulasikan pigmen dalam globula minyak pada ruang intertilakoid

kloroplast � melindunginya dari photoinhibition dan photodestruction.

Pembentukan pigmen yang berlebihan akan terjadi jika terjadi stress

seperti suhu tinggi, kekurangan nitrogen atau fosfat, kelebihan karbon,

intensitas cahaya yang tinggi dan konsentrasi garam tinggi.

Biomasa D. salina yang dikeringkan yang mengandung 10–16% karotenoid

terutama b-karoten � sudah dijual secara komersial. Bentuk kristal dari

ekstraksi menggunakan minyakedible juga sudah dijual secara komersial

Metabolit Promer : Asam Organik

Asam organik diproduksi melalui metabolisme karbohidrat � terakumulasi

pada cairan di dalam fermenter � kemudian dipisahkan dan dipurifikasi

GlycolysisKrebs cycle

I. Produk Akhir lactic acid

(pyruvate, alcohol)

Propionic acid

II. Oksidasi gula yang tidak sempurna citric acid

(glucose) Itaconic acid

Gluconic acid

III. Dehydrogenasi alkohol dengan O2 acetic acid

Diproduksi dalam skala besar sebagai produk murni atau dalam bentuk garam

28/06/2018

8

ASAM SITRAT

Flavoring agentIn food and beverages

Jams, candies, deserts,frozen fruits, softdrinks, wine

Antioxidants andpreservative

Chemical industryAntifoamTreatment pada tekstilMetal industry, puremetals +citrate (chelatingagent)

Pharmaceutical industryTrisodium citrate (blood preservative)Preservation of ointments and cosmeticsSource of iron

Agent untuk stabilisasi Fats, oil atau ascorbic acidStabilizer untuk pembuatan keju

Detergent cleaning industryReplace polyphosphates

AcidifyerFlavoringChelating agentPrimary metabolitePresent in all organisms

Aspergillus nigerA. clavatusPencillium luteum

PRODUKSI ASAM SITRAT

Strains yang toleran terhadap gula tinggi, pH rendah that can tolerate akan menurunkan produksi dan menghasilkan produk samping berupa

asam oksalatm asam isositrat dan asam glukonat

Glucose

Pyruvate

Pyruvate

Acetyl CoA

CO2

CO2

Pyruvate

OXA

Malate

MITOCHONDRIA

Malate FumarateSuccinyl CoA

OXA

citric acid

a-KG

CYTOPLASM

Glucose MEDIUM

Pyr carboxylase

Pyr Dehy-drogenase

Citratesynthase

100g sucrose ---� 112g asam sitrat atau 123g citric acid-1hydrate

28/06/2018

9

Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Produksi Asam Sitrat

� Sumber Karbohidrat : harus mengandung gula 12-25%

� Molasses (sugar cane or sugar beet)

� Starch (potato)

� Date syrup

� Cotton waste

� Banana extract

� Sweet potato pulp

� Brewery waste

� Pineapple waste

Konsentrasi gula tinggi akan meningkatkan produksi asam sitrat

� TRACE METALS:

� Mn2+, Fe3+, Zn2+ � meningkatkan produksi

� Mn2+ meningkatkan glycolysis

� Fe3+ kofaktor enzim seperti aconitase

� pH: produksi meningkat jka pH dibawah 2.5, produksi asam oksalat dan

asam glukonat dapat ditekan, dan kontaminasi minimal

� O2 terlarut : O2 tinggi � sparging atau meningkatkan aerasi

� Sumber NITROGEN : ammonium dapat menstimulasi overproduction, molasses

� sumber nitrogen yang baik

Produksi Asam Sitrat

Surface fermentationsubmerged fermentation

Solidliquid

Stirred Airlift

Bioreactorbioreactor

N alkanes (C9-C23) dapat digunakan untuk produksi asam sitrat,tetapi menghasilkan asam isositrat yang berlebih

28/06/2018

10

ASAM ASETAT

PRODUKSI ASAM ASETAT

Vinegar diproduksi dari cairan alkohol secara berabad-abad yang lalu

CH3 CH2OH----� CH3CHO--------� CH3CH(OH)2 -------� CH3COOHEthanol acetaldehyde acetaldehyde hydrate acetic acid

NAD+NADH +H+

NADP+ NADP +H+

Alcoholdehydrogenase Acetaldehyde dehydrogenase

Gluconobacter, Acetobacter � yang toleran asam adalah A. aceti

Hasil oksidasi etanol yang tidak sempurna

1 mol ethanol 1 mol asam asetat �12% acetic acid diproduksi dari 12% alcohol

Obligate anaerobe, Gram-positive,spore-forming, rod-shaped,thermophilic dengan suhupertumbuhan optimum 55–60 oC danpH optimum 6.6–6.8.

Clostridium thermoaceticum

28/06/2018

11

VINEGAR: 4% v/v asam asetat dengan alkohol, garam, gula, dan ester ����flauoring agent pada saus dan kecap dan juga sebagai pengawet

Wine, malt, whey (Fermentasi permukaan (surface) atau submerged)

Surface: trickling generator; bahan yang akan difermentasi disemprotkan dipermukaan, dilewatkan melalui wadah berisi asam asetat dan bakteri, suhu proses 30-35 oC � selama 3 hari.

Submerged: stainless steel, diaerasi dengan pompa penghisap, produksi 10 x lebihtinggi

Clostridium thermoaceticum (dari kotoran kuda) � dapat menggunakan

gula dengan C5

2C5H10O5 ---� 5CH3COOH

Substrat lain : fructose, xylose, lactate, formate, dan pyruvate, �

digunakans ebagai sumber karbon dengan harga lebih murah, dan dapat

dikurangi lagi jika sumber karbon yang digunakan merupakan cellulosic

renewable.

Bakteri asidogenik khusu adalah Clostridium aceticum, C.

thermoaceticum, Clostridium formicoaceticum, danAcetobacterium

woodii.

Enzim-enzim metaloprotein : CODH mengandung nickel, iron, dan sulfur;FDH mengandung iron, selenium, tungsten, dan sejumlah kecilmolybdenum; dan corrinoid enzyme (komponen vitamin B12)mengandung cobalt.C. thermoaceticum tidak memerlukan asam amino khusus

1mol

2moles

2moles

1mol

1molCODH

28/06/2018

12

ASAM LAKTAT

Technical grade

20-50%

Produksi esterIndustri Textil

Food grade>80%

Food additive (Tepung dan adonan asam)

Pharmaceutical grade

>90%

Perlakuan Intestinal(metal ion lactates)

Glucose

G3P NAD+

NADH +H+1,3-biphosphoglycerate

G3P dehy-drogenase

Pyruvate

Lactic acid

LDH(Lactate dehydrogenase)

ASAM LAKTAT

2 bentuk isomer L(+) dan D(-) serta campuan DL- asam laktat

Pertama sekali diisolasi dari susu, saat ini sudah diproduksi oleh mikroba

Heterofermentasi Homofermentasi

produksi asam laktat + lainnya hanya memproduksi asam laktat

Lactobacillus

L. delbrueckiiGlukosa

L. leichmanni

L. BulgaricusWhey (laktosa)

L.Helvetii

L.lactis ------- MaltosaL.amylophilus -------- PatiL.pentosus ------ Sulfite waste liquor

Umumnya hanya 1 isomer yang terbentuk

28/06/2018

13

PRODUKSI ASAM LAKTAT

Fermentasi cair (12-15% glukosa, N2, PO4, garam mikronutrien )

pH 5.5-6.5/suhu 45-50oC/75hPanaskan untuk melarutkan Ca-laktat

Penambahan H2SO4(Mengeluarkan Ca SO4)

Penyaringan dan konsentrasi

Penambahan Hexacyanoferrant(Mengeluarkan logam berat)

Pemurnian (Ion exchange)

Konsentrasi

Asam Laktat

1 mol glukosa menghasilkan 2 mol asam laktat ; terutama L-asam laktat

ASAM GLUKONAT

1. Digunakan pada produksi stainless steel, leather2. Food additive untuk breverages3. Digunakan dalam terapi Ca danFe4. Na gluconate digunakan sebagai sequestering agent pada detergents5. Desizing polyester atau polyamide

Bacteria: Gluconobacter, Acetobacter, Pseudomonas, VibrioFungi: Aspergillus, Penicillium, Gliocladium

28/06/2018

14

D-Glucose D-gluconolactone Asam Glukonat

PQQPQQH2

Glucose dehydrogenase

PQQ: pyrroliquinoline quinonecoenzyme

Bacteria

Fungi FAD FADH2

O2H2O2

Glucose oxidase

Catalase

Lactonase

H2O

fungi

intracellular extracellular

ExtracellularInducible

Konsentrasi glukosa yang tinggi dan pH diatas 4H2O2 � antagonist untuk mikroorganisme lainnya

Proses fermentasi submergedMenggunakan glokosa jagungH 4.5-6.528-30oC selama 24jamPeningkatan suplay O2 akan meningkatkan produksi

ITACNIC ACID

1. Digunakan pada industri plastik dan kertas2. Industri adhesif

Aspergillus itoconicus dan A.terreus

Cis-aconitic acid mengalami decarboxylation

Itaconic acid Itatartaric acid

(-) Ca akan meningkatkan produksi

Itaconic acid Oxidase

28/06/2018

15

1. Metabolit Primer Yang Merupakan Produk Antara

• Pada jalur reaksi metabolik sederhana yang

tidak bercabang, produk akhir pada tingkat

konsentrasi tertentu bertindak sebagai

penghambat pada rangkaian reaksi.

• Dengan membatasi sintesis produk akhir,

maka produk antara akan terakumulasi

(Gambar 1).

Enzim a1 Enzim b Enzim c Enzim d

A B C D E

Enzim a2

Gambar 1. Produksi senyawa antara yang berlebihan pada jalur reaksi sederhana

yang tidak bercabang

• Pada tingkat konsentrasi tertentu, produk akhir E menghambat kerja

enzim a1 dan a2 yang mengkatalis senyawa A menjadi B. Senyawa C

dapat diproduksi lebih banyak jika tidak diubah menjadi D. Pada mutan

auksotrop, enzim c tersedia dalam jumlah yang sedikit sehingga tidak

cukup untuk mengubah C menjadi D. Bila ke dalam media ditambahkan

senyawa E pada tingkat konsentrasi suboptimum (di bawah konsentrasi

yang bisa menimbulkan efek penghambatan umpan balik), maka

mikrobia tersebut dapat tetap hidup dan C diproduksi berlebih. Mutan auksotrop= mutan yang tidak menghasilkan metabolit atau menghasilkan dalam jumlah sedikit

28/06/2018

16

• Contoh : untuk menghasilkan Inosin

Monofosfat (IMP) pada jalur reaksi bercabang

dari biosintesis purin oleh mutan auksotrop

adenin : Corynobacterium glutanicum dan

Brevibacterium ammoniagenes yang

kekurangan enzim S-AMP sintetase 31�

Furuya dkk (1968)

(Gambar 2)

Gambar 2. Senyawa antara IMP pada jalur bercabang yang diproduksi secara

berlebihan.

28/06/2018

17

• Dari Gambar 2 :

Hasil akhir AMP dan GMP secara kumulatif

menghambat aktivitas dan sintesis PPMP

amidotransferase. AMP juga menghambat aktivitas S-

AMP sintetase, sehingga tidak bisa memproduksi AMP.

Tanpa AMP mutan tersebut tidak bisa tumbuh

sehingga perlu penambahan AMP dengan konsentrasi

sub optimumsehingga mutas dapat tumbuh dan IMP

dapat diproduksi secara berlebihan karena hanya

sedikit yang dimetabolisir lebih lanjut.

2. Metabolit Primer Yang Merupakan Produk Akhir Pada Jalur

Reaksi Bercabang

• Pada jalur reaksi bercabang, maka produk akhir dari salah satu cabang

dapat diproduksi secara berlebihan jika produksi akhir dari cabang lainnya

ditekan.

• Contoh : pada produksi asam amino lisin oleh C.glutanicum yang

kekurangan homoserin dihidrogenase (Gambar 3).

28/06/2018

18

Gambar 3. Fermentasi lisin oleh C.glutamicum

• Dari Gambar 3 :

Lisin dan threonin secara bersama-sama menghambat

aspartokinase. Dengan rekayasa genetika, diperoleh mutan

auksotrop yang kekurangan homoserin dehidrogenase

sehingga threonin tidak dihasilkan dalam jumlah cukup untuk

menghambat enzim aspartokinase. Bila threonin

ditambahkan dalam jumlah suboptimal, maka mikrobia tetap

tumbuh dan lisin diproduksi dalam jumlah berlebihan : 50

g/liter.

28/06/2018

19

Tabel 1. Beberapa mutan auksotrop penghasil asam amino

Produk Organisme Kebutuhan

Auksotropik

Substrat Potensi

L-Sitrulin Bacillus subtillis Arginin Glukosa 16

L-Lisin Corynobacterium Threonin-Metionin Glukosa 50

L-Tirosin Corynobacterium Fenilalanin N-Alkana 19

L-Ornitin Corynobacterium Arginin Glukosa 26

L-Fenilalanin Arthrobacter

parafineus

Tirosin N-Alkana 15

L-Threonin E.Coli Lisin, metionin,

isoleusin

Glukosa 20

L-Valin C.glutamicum Isoleusin Glukosa 11

Modifikasi Permeabilitas

• Bila permeabilitas sel terhadap suatu metabolit ditingkatkan,

selama proses metabolisme, maka metabolit tersebut >

diekstresikan keluar sel � [] nya di dalam sel tidak cukup

untuk bisa menimbulkan efek penghambatan umpan balik.

• Contoh : pada mutan C.glutamicum untuk memproduksi

asam glutamat, permeabilitas dikendalikan dengan mengatur

konsentrasi biotin.

28/06/2018

20

• Mikrobia untuk fermentasi glutamat membutuhkan biotin

untuk pertumbuhannya. Bila biotin tersedia dalam jumlah

cukup maka membran sel akan terbentuk sempurna sehingga

mempunyai permeabilitas yang rendah terhadap asam

glutamat � tidak dapat diekstresikan keluar sel. Jika biotin

diberi pada konsentrasi suboptimum, maka pembentukan

membran sel kurang sempurna sehingga permeabilitasnya

terhadap asam glutamat tinggi � dapat dieskresikan keluar

sel.

• Konsentrasi kritis biotin : 0.5µg/l.

Mutan Yang Resisten Terhadap Pengaturan Umpan Balik

• Penumpukan metabolit primer juga bisa terjadi pada mutan

yang tahan terhadap penghambatan umpan balik.

• Cara memperoleh mutan tsb : dengan menumbuhkan suatu

populasi mikrobia di dalam medium yang mengandung

senyawa analog yang bersifat toksik.

• Senyawa analog : senyawa yang mempunyai sifat

penghambatan seperti substrat atau metabolit, tetapi tidak

dapat bergabung dan menggantikan senyawa alami dalam

proses biosintesa makromolekul.

28/06/2018

21

• Dalam medium yang mengandung senyawa analog, mikrobia

yang resisten akan hidup dan yang tidak akan mati.

• Contoh : Salmonella typhimurium � tahan terhadap

penghambatan aktivitas enzim, dapat mengkonversi glukosa

menjadi leuisn di atas 50% dan perhitungan teoritis.

• Candida petrophilum resisten terhadap etionin � dapat

menghasilkan metionin 40% lebih tinggi dari sel normal yaitu

dari 9 menjadi 13 mg/g sel kering.

Tabel 2. Beberapa mutan yang resisten terhadap

senyawa analog

Produk Mikrobia Resisten Analog Substrat Potensi (g)

L-Arginin C.Glutamicum D-Arginin,Arginin,

Hidroxamatate

Glukosa 20

L-Histidin C.Glutamicum Treazoleamat Glukosa 8

L-Isoleusin B.Flavum Aminohidroksivaler

at O-metilthreonin

Glukosa 15

L-Threonin B.flavum Amino-

hidroksivalerat

Glukosa 14

28/06/2018

22

II.BIOSINTESIS METABOLIT SEKUNDER

• Metabolit sekunder : hasil metabolisme yang disintesis oleh beberapa

mikrobia yang tidak merupakan kebutuhan pokok mikrobia untuk hidup

dan tumbuh.

• Contoh : antibiotika, pigmen, vitamin dan steroid

• Dapat berfungsi sebagai nutrien darurat untuk bertahan hidup.

• Diproduksi pada akhir suklus pertumbuhan (idiofase)

• Banyak yang diproduksi sebagai campuran beberapa senyawa yang secara

kimia mempunyai struktur yang hampir sama, dan komposisinya

dipengaruhi oleh medium serta kondisi pertumbuhan.

• Contoh : ada 3 macam senyawa neomisin, 5 mitomisin, 10 basitrasin, 6

tirosidin, 8 aflatoksin, 10 polimiksin, > 20 penisilin dan 2- aktinomisin �

dihasilkan oleh mikroba yang secara taksonomi hampir mirip.

METABOLIT SEKUNDER

ANTIBIOTICS

Spektrum Luas Spektrum Sempit

MengontrolpertumbuhanmikroorganismeTet, Cm

Mengontrolpertumbuhanorganisme tertentuPen, Str

Streptomyces,eg. Tetracyclin, actinomycin D,

28/06/2018

23

Diproduksi oleh Fungi

B-LACTAMS (b-lactam ring)

Penicillin

Cephalosporins

Diproduksi oleh Prokaryotes

AMINOGLYCOSIDES (gula-gula amino dengan ikatan glikosidik)

MACROLIDES (cincin lakton diikat dengan gula)

TETRACYLINES (Streptomyces)

PEPTIDE ANTIBIOTICS (Daptomycin, (Streptomyces)

PLATENSIMYSIN (Streptomyces)

1. PENICILLINS, 2. CEPHALOSPORINS, 3. MONOBACTAMS AND 4. CARBAPENEMS

Beta Lactam Antibiotics

28/06/2018

24

PENCILLIN--------ββββ-LACTAM ANTIBIOTIC

Pencillin G dan V (natural)Penicillium chrysogenumAlexander Fleming

Digunakan untuk infeksi Pneumococcal dan Streptococcal

Pencillin G antibiotik IUntuk bakteri Gram positif

6-AMINOPENICILLIANIC ACID

28/06/2018

25

MRSAVRSA

CEPHALOSPORINS

cefatrioxone

B-lactam ring Dihydrothiazine ring (6 member)

Cephalosporium: Cephalosporin C

28/06/2018

26

G+ > G- G+ = G-

G+ < G-

R1R2

28/06/2018

27

Organisme Penghasil AMINOGLYCOSIDES

Streptomycin Streptomyces griesus

Neomycin B and C S.fradiae

Kanamycin A, B and C S.kanamyceticus

Hygromycin B S.hygroscopicus

Gentamycin Micromonospora purpurea

Sisimicin M.inyoensis

Tropofase dan Idiofase

• Metabolit sekunder diproduksi pada idiofase (fase dengan

populasi sel tetap, sel tumbuh=sel mati)

• Pada idiofase mikroba lebih tahan terhadap keadaan ekstrim

seperti suhu terlalu tinggi atau rendah, radiasi, bahan kimia

dan metabolit sekunder yang dihasilkannya.

• Hubungan antara pertumbuhan sel dengan produksi

metabolit skeunder terlihat pada Gambar 4.

28/06/2018

28

Gambar 4. Sintesis metabolit sekunder selama pertumbuhan sel

(dimulai pada akhir tropofase/fase logaritmik)

• Sintesis metabolit sekunder dimulai pada saat habisnya

beberapa zat gizi dalam medium pertumbuhan � karena

keterbatasan zat gizi menyebabkan terakumulasinya induser

enzim metabolit sekunder, terlepasnya gen-gen untuk sintesis

metabolit sekunder dan represi katabolit.

28/06/2018

29

Tabel 3. Beberapa enzim yang muncul pada akhir tropofase, dan enzim

tersebut berkaitan dengan sintesis metabolit sekunder

Enzim Metabolit

Amidinotransferase Streptomisin

Asiltransferase Penisilin

Phenylacetate activating enzim

Oksidoreduktase transmetilase Tilosin

Sintetase I dan II Gramisidin S

Dimetilaliltransferase Ergot Alkaloid

Fenoksazinon sintetase Aktinomisin

Khanoklavin-I-siklase

GTP-8-formilhidrolase Pirropirimidin Nukleosid

Peranan Induksi Enzim

• Biosintesis metabolit sekunder berkaitan dengan terjadinya

induksi enzim oleh senyawa tertentu yang ditambahkan dari

luar atau berasal dari hasil metabolisme sel.

• Beberapa komponen yang dapat memberikan efek induksi

enzim pada biosintesis metabolit sekunder.

a. Triptofan

b. Metionin

c. Dietilbarbiturat

28/06/2018

30

ad.a. Triptofan

• Berkaitan dengan induksi enzim yang dibutuhkan untuk

produksi alkaloid pada Clavicep, karena :

� Analog triptofan tidak dapat bertindak sebagai prekursor, juga dapat

merangsang produksi metabolit sekunder

� Harus ditambahkan selama tropofase dan penambahan pada idiofase

tidak berpengaruh

� Produksi metabolit sekunder tetap tinggi, meski triptofan yang

ditambahkan pda tropofase diambil kembali

ad.b. Metionin

• Berfungsi sebagai donor sulfur

• Menginduksi pembentukan enzim yang dibutuhkan untuk

sintesa cephalosporin.

• Ditambahkan pada tropofase

ad.c. Dietilbarbiturat

• pada sintesis rifanisin oleh Nocardia mediteranei

28/06/2018

31

Tabel 4. Beberapa prekursor untuk sintesis metabolit sekunder

Prekursor Metabolit Sekunder

Asam Fenilasetat Penisilin

Asam Benzoat Tersubstitusi Novobiosin

Unit Isoprena Senyawa isoprenoid (terpena, ubiquinon, vitamin

K, geosmin, sesquiterpena)

Asam Amino Antibiotika homopeptida

Gula Amino Antibiotika : tetrasiklin, antrasiklin, antibiotika

nukleosida, aminosikliminasi dan makrolida

Sikliton dan Aminosikliton Antibiotika golongan aminoglikosida

Purin Kafein dan Theofilin

Pengaturan Umpan Balik

• Contoh :

� Sintesis asam 6-metilsalisilat pada Penicillum urticea � penambahan

metabolit itu pada idiofase akan menghambat sintesis metabolit itu

sendiri.

� Sintesis penicilin pada P.chrysogenum dihambat oleh L-lisin yang

merupakan produk akhir dari cabang lain dari jalur biosintesis penisilin

(Gambar 5).

� Sintesis streptomisin oleh Streptomyces griseus dihambat oleh fosfatase.

Biosintesis streptomisin didahului dengan pembentukan streptomisin

fosfat yang tidak aktif. Aktifitas enzim yang bekerja untuk pembebasan

fosfat dari Streptomisin-P dihambat oleh fosfat yang dibebaskan tersebut

� jika fermentasi dilakukan pada media dengan kandungan fosfat tinggi,

maka yang dihasilkan adalah Streptomisin-P yang tidak aktif.

28/06/2018

32

Gambar 5. Jalur sintesis penisilin (Lisin pada cabang kiri menghambat

homositrat sintetase)

Gambar 6. Pada ujung jalur biosintesis streptomisin, fosfat (Pi) dibebaskan

dari Streptomisin yang mempunyai keaktifan sebagai antibiotik. Pi yang

dibebaskan ini dapat menghambat pembentukan streptomisin aktif.

28/06/2018

33

Pengaturan Katabolit

• Biosintesis metabolit sekunder dapat dihambat oleh

penggunaan nutrien yang dikonsumsi secara cepat oleh

mikrobia

• Contoh :

� Pada fermentasi penisilin dengan glukosa sebagai sumber C. Jika

digunakan 2 sumber C yaitu glukosa dan laktosa, maka glukosa

akan dikonsumsi secara cepat ppda tropofase, dan setelah glukosa

habis, penekanan (represi) terhadap laktosa hilang, kemudian

mikroba memasuki idiofase dan mengkonsumsi laktosa secara

lambat.

� Sintesis novobiosin oleh Streptomyces nives yang dapat mengkonsumsi

asam sitrat dan glukosa sebagai sumber C. Bila dalam media terdapat

kedua sumber C tersebut, maka yang mula-mula dikonsumsi adalah asam

sitrat dan setelah habis, maka mikrobia akan memasuki tahap idiofase

dengan mengkonsumsi glukosa secara lambat.

28/06/2018

34

Pengaruh Fosfat Anorganik

• Konsentrasi fosfat anorganik (Pi) yang tinggi dalam medium

dapat menghambat sintesis metabolit sekunder

• Konsentrasi Pi 1 milimol/liter tidak menghambat, dan [ ] 10

mmol akan menghambat

• Selama tropofase metabolit sekunder tidak dihasilkan, karena

pada fase tsb [ ] fosfat tinggi (dalam bentuk ATP), dan pda

idiofase [ ]pospat menurun.

• [ ] pospat yang tinggi dapat menstimulir pertumbuhan sel

sehingga metabolit sekunder tidak terjadi.

• Fosfat anorganik juga dapat menghambat enzim fosfatase

yang diperlukan dalam sintesis metabolit sekunder