Pengaruh Suhu Rendah Terhadap Bakteri Gram Positif

Tugas Mikrobiologi Pangan Lanjut

Dosen Pengajar:Dr.Ir. Harsi D. Kusumaningrum

Nanang Nasrullah – F251080111

PENGARUH SUHU RENDAH TERHADAP BAKTERI GRAM POSITIF

1. PENDAHULUAN

Mikroorganisme mampu beradaptasi secara optimum pada lingkungan fisiologis

yang normal. Setiap perubahan ekstrim pada kondisi lingkungan akan

mengakibatkan stress terhadap mikroorganisme. Lamanya perubahan tersebut

akan menentukan apakah organisme tersebut mati, terhambat pertumbuhannya,

atau memperpanjang fase lag dan penurunan kecepatan pertumbuhannya (Ray,

1986, Russel dkk, 1995)

Mikroorganisme melakukan hal tersebut dengan menyesuaikan diri terhadap

keadaan dan bertahan hidup atau berusaha untuk tetap tahan terhadap keadaan

stress tersebut (Herbert 1989). Untuk kebanyakan organisme, jika sel itu

mendapat peluang yang cukup untuk dapat menyesuaikan diri pada kondisi

lingkungan yang buruk maka kemampuan terhadap toleransi ini dapat dicapai

hingga batas maksimum.

Suhu rendah tidak membunuh mikroorganisme tetapi menghambat

perkembangbiakannya. Terjadinya perubahan kondisi lingkungan yang jauh dari

keadaan optimal ini maka akan mendorong terjadinya respon yang kompleks

untuk dapat bertahan dari keadaan stress tersebut. Strategi ini mendorong

mikroorganisme untuk berusaha bertahan hidup ketimbang untuk melakukan

pertumbuhan. Dengan demikian pertumbuhan mikroorganisme semakin menurun

seiring dengan semakin rendahnya suhu, dan akhirnya di bawah “suhu

pertumbuhan minimum” perkembangbiakannya akan terhenti.

Setelah terpapar pada keadaan stress fisik, penting bagi mikroorganisme untuk

tetap menjaga fisiologi dan operasional sel. Hal ini dilakukan dengan menjaga

struktur komponen-komponen sel seperti protein, selaput, dan ribosom dan

menjaga sistem yang penting sel seperti diantarnya sintesis protein (Berry dan

Foegeding, 1997).

Beberapa mikroorganisme mampu mengubah komposisi asam lemak membran

selnya setelah penurunan suhu, pH, aktivitas air (aw) atau pengawet. Hal ini

mengakibatkan fluiditas membran naik turun, dan mendorong membran untuk

melanjutkan fungsi normalnya meskipun dalam keadaan kondisi stress tersebut

(Russell dkk, 1995).

Banyak organisma menunjukkan pengaruh pola spesifik ekspresi gen, yang

nampaknya diperlukan untuk adaptasi optimal terhadap stress tertentu (Berry dan

Foegeding 1997). Resistensi atau adaptasi mikroorganisme terhadap kondisi-

kondisi seperti itu akan mendorong tumbuhnya mikroorganisme perusak dan

patogen.

2. BAKTERI GRAM POSITIF

Dinding sel bakteri gram positif terdiri atas peptidoglikan yang sangat tebal yang

memberikan kekakuan untuk mempertahankan keutuhan sel.

Proses perakitan dinding sel bakteri diawali dengan pembentukan rantai peptida

yang akan membentuk jembatan silang peptida yang menggabungkan rantai

glikan dari peptidoglikan pada rantai yang lain sehingga menyebabkan dinding sel

terakit sempurna.

Jika ada kerusakan pada dinding sel atau ada hambatan dalam pembentukannya

dapat terjadi lisis pada sel bakteri sehingga bakteri segera kehilangan kemampuan

membentuk koloni dan diikuti dengan kematian sel bakteri.

3. MEKANISME PENGARUH SUHU RENDAH

Suhu merupakan faktor ekstrinsik yang penting yang mempengaruhi pertumbuhan

mikroorganisme. Seluruh mikroorganisme psikrofilik asidofilik dan halofilik

dapat menyesuaikan diri terhadap lingkungan yang ekstrim (Herbert 1986;

Daeschel, 1999). Psikrofilik adalah mikroorganisme yang dapat tumbuh pada 0 °C

dan mempunyai temperatur pertumbuhan optimum sekitar 15 °C dan suhu

maksimum sekitar 20 °C (Prescott dkk,1990). Dibandingkan dengan mahluk

tingkat tinggi, mikroorganisme memiliki rentang pertumbuhan yang sangat lebar

(kira-kira – 15 s/d 90 °C).

Mikroorganisme memiliki kisaran batasan lingkungan dan masa hidup tertentu

berdasarkan keadaan optimalnya. Berdasarkan suhu optimumnya,

mikroorganisme dibagi menjadi psikrofil dengan suhu optimum kurang dari + 20

°C, mesofil (+20° s/d + 40 °C) dan termofil (lebih dari +40 °C).

Tabel 1. Pertumbuhan Optimum Bakteri Gram PositifGenus atau spesies Suhu pertumbuhan minimum (°C)

Patogen atau potensial patogen

Bacillus cereusStaphylococcus aureusS. aureus pembentuk enterotoxinClostridium botulinum tipe AClostridium perfringensClostridium botulinum tipe E dan beberapa strain tipe B dan F

10 5 – 1310 - 19 5 - 8 9 3,5 – 5-18

Mikroorganisme index atau indikator

Streptococcus faecalis ±0

Mikroorganisme penyebab busuk

Bacillus subtilisStreptococcus faeciumLactobacillus sp

12±0 – 3 1

Suhu pertumbuhan minimum yang tertera dalam Tabel 1 hanyalah angka

perkiraan dan secara eksperimental hanya berlaku untuk beberapa strain dari

spesies tertentu dan tidak dapat berlaku umum. Adanya perubahan sedikit saja

pada nilai aw atau pH telah dapat menyebabkan peningkatan suhu pertumbuhan

secara drastis.

Apabila mikroba dihadapkan pada suhu rendah maka akan dapat menyebabkan

gangguan metabolisme. Pada suhu rendah, pertumbuhannya akan berhenti,

sedangkan pada suhu tinggi organisme ini akan mati. Pada kedua situasi di atas

terkait dengan proses terjadinya metabolisme yang menyebabkan terjadinya

kerusakan bahan makanan. Kerusakan ini bergantung pada jenis dan kecepatan

proses pembekuan. Akibat-akibatnya adalah:

1. Cold Shock, adalah penurunan suhu yang tiba-tiba menyebabkan kematian

baketi, terutama pada bakteri muda atau pada fase logaritmik,

2. Pembekuan (freezing) adalah rusaknya sel dengan adanya kristal es di dalam

air intra seluler,

3. Lyofilisasi, adalah proses pendinginan di bawah titik beku dalam keadaan

vakum secara bertingkat. Proses ini dapat digunakan untuk mengawetkan

mikroba karena air protoplasama langsung diuapkan tanpa melalui fase cair

(sublimasi)

Sensitivitas sel-sel terhadap kondisi suhu rendah tergantung pada beberapa faktor

termasuk suhu, tingkat cooling/freezing, media biakan, strain mikroba, dan lama

penyimpanan.

Pembekuan cepat dengan suhu sangat rendah tidak atau hanya sedikit membuat

kerusakan sel bakteri, sedangkan pembekuan lambat dengan suhu pembekuan

relatif tinggi (s/d –10 °C) dapat membuat kerusakan hebat pada sel bakteri. Hal ini

didukung fakta bahwa laju kematian bakteri meningkat dengan semakin

meningkatnya suhu mendekati titik nol. Dalam suatu uji kultur diperoleh hasil

bahwa setelah disimpan selama 220 hari dalam suhu –10 °C hanya tinggal 2,5 %

sel bakteri yang masih hidup, sedangkan yang disimpan pada suhu –20 °C masih

ada 50 % sel bakteri yang hidup. Pada suhu –4 s/d – 10 °C angka kematian sangat

tinggi.

Meskipun demikian, hal ini dalam prakteknya tidak dapat digunakan untuk

menghilangkan mikroorganisme pada bahan makanan yang dibekukan karena

pada suhu ini mikroorganisme psikrofil tertentu masih dapat berkembangbiak dan

juga perombakan kimiawi masih berjalan sehingga mempengaruhi kualitas bahan

makanan. Pengetahuan mengenai proses ini penting karena alasan berikut:

Mikroorganisme yang subletal rusak sulit ditemukan pada pemeriksaan kultur

bakteriologik. Setelah bahan makanan beku ini dihangatkan dan pada kondisi

yang menguntungkan, bakteri ini dapat kembali beraktivitas.

4. PENGARUH SUHU RENDAH TERHADAP BAKTERI GRAM POSITIF

Pertumbuhan mikroorganisme pada suhu dibawah suhu pertumbuhan optimum

dapat menyebabkan terjadinya sejumlah perubahaan fisiologis dan morfologi.

Perubahan terhadap produk-produk metabolit dapat terjadi sebagai akibat

keterlambatan aktivitas enzim (Witter dan yang lain 1966; Olson dan Nottingham

1980). Penurunan suhu selama pertumbuhan dapat juga mendorong kepada

ketidak seimbangan metabolisme dan penghentian pertumbuhan karena pengaruh

sensitif terhadap beberapa proses-proses metabolisme pengatur (Busta 1978;

Herbert 1986; Sinar 1986; Abbiss 1983).

Inkubasi pada suhu rendah dapat pula mengubah komposisi lipid sel

mikroorganisme, misalnya terjadi peningkatan asam lemak tidak jenuh akibat

menurunnya suhu. Peningkatan proporsi asam lemak tak jenuh dengan penurunan

suhu diyakini menjadi hal yang penting bagi fungsi membran pada suhu rendah.

Ketika suhu diturunkan, sebagian komponen yang secara normal merupakan

fluida berubah menjadi seperti 'gel', yang mencegah protein berfungsi secara

benar sehingga menghasilkan kebocoran membran bakteri. Bagaimanapun juga,

jika komponen-komponen membran berubah sebagaimana telah dijelaskan, akan

mendorong membran tersebut untuk mempertahankan fluiditasnya ketika suhu

turun, selanjutnya mencegah terjadinya pembentukan gel dicegah sehingga bakteri

itu masih mampu bertumbuh.

Respon lainnya terhadap penurunan suhu adalah melibatkan pola ekspresi gen,

yang disebut “cold shock response.” Hal ini melibatkan pengaruh cold shock

protein dan cold acclimatization protein, dan heat shock protein (Jones dkk, 1987;

Berry dan Foegeding, 1997).

Suhu dapat mempengaruhi respon mikroorganisme secara langsung melalui

pengaruhnya terhadap laju pertumbuhan, aktivitas enzim, komposisi sel dan

kebutuhan hara, atau secara tidak langsung melalui pengaruhnya terhadap daya

kelarutan molekul-molekul zat terlarut, transport ion dan difusi, pengaruh osmotik

pada membran, tegangan permukaan, dan kepadatan (Herbert 1986).

Pada saat suhu diturunkan, lag fase sebelum pertumbuhan meningkat, laju

pertumbuhan menurun, dan jumlah sel kemungkinan juga menurun. Selama lag

fase, banyak perubahan fisiologis terjadi, termasuk penurunan asam lemak jenuh

dan penghambatan sintesa DNA, RNA, dan protein (Russell dkk, 1995).

Pertumbuhan mikroorganisme pada suhu di bawah suhu pertumbuhan optimum

dapat juga menyebabkan terjadinya beberapa perubahan struktural. salah satu

bakteri gram positif yang mengalami perubahan struktural yakni Bacillus subtilis

(McCarthy, 1991; Flanders dan Donnelly, 1994; Smith, 1996).

Pada suhu rendah juga terjadi peningkatan produksi pigmen dan aktivitas

enzimatis.

4.1. Respon Membran Sel

Lingkungan suhu rendah akan menghambat pertumbuhan mikroba. Pada suhu

minimum terjadi perubahan membran sel sehingga tidak terjadi transpor zat hara.

Pengaruh suhu rendah pada mesofil adalah inaktivasi dan perubahan struktur

protein permease.

Membran sel merupakan sistem heterogen kompleks yang sifatnya ditentukan

oleh komposisi dan lingkungannya sebagaimana juga dipengaruhi oleh keadaan

eksternalnya, diantaranya adalah pengaruh suhu yang merupakan salah satu faktor

yang paling penting (Alberts dkk, 1994).

a. Pengaruh Zat Terlarut

Mikroorganisme psikrotrof mampu tumbuh dengan cepat pada suhu yang rendah

dan mampu secara efektif mengangkut molekul-molekul terlarut melewati

membran sitoplasma (Herbert 1989). Wilkins dkk (1972) dan Wilkins (1973)

menemukan bahwa sistem transpor gula pada mikroorganisme tahan suhu dingin

dapat berlangsung karena tersedia konsentrasi tinggi substrat intraseluler yang

dapat merangsang pertumbuhan dari Listeria monocytogenes psikotropik.

Perbedaan kemampuan psikrofilik/psikotrop dan mesofilik untuk transpor zat

terlarut ke bagian dalam sel akibat suhu rendah adalah sebagai berikut: membran

permease dari psikrofilik lebih sedikit sensitif terhadap inaktivasi suhu rendah

dibanding yang mesofilik; permease di dalam mesofilik tidak sensitif terhadap

suhu dingin, namun perubahan membran lipid bilayer membuatnya tidak mampu

untuk mengikat substrat; dan pada suhu rendah, energi yang diperlukan tidak

cukup bagi mesofilik untuk mendorong terjadinya transpor aktif melalui membran

(Herbert 1986, 1989).

b. Perubahan Komposisi Asam Lemak Pada Membran Sel

Di dalam membran sel, molekul fosfolipid diatur dalam bentuk bilayer dengan

gugus polar bagian permukaan intra dan ekstraselular. Gugus-gugus ini mampu

saling berinteraksi fase air di di dalam dan di luar sel (Neidhart dkk 1990; Alberts

dkk 1994).

Mikroorganisme mampu melakukan penyesuaian komposisi lipid membran

sebagai respon terhadap perubahan-perubahan pada suhu pertumbuhan untuk

memastikan fungsi membran seperti aktivitas enzim dan transpor zat terlarut

(Brown dan Minnikin 1973; Russell 1984; Tsuchiya dkk 1987; Russell dkk 1995;

Mastronicolis dkk 1998).

Secara umum, selama pertumbuhan suhu rendah, umumnya komposisi asam

lemak fosfolipid dan glikolipid diubah karena fluiditas membran jauh lebih efektif

melalui perubahan struktur asam lemaknya dari pada gugus lainnya (Russell dkk,

1995).

Aga sel itu berfungsi secara normal, membran lipid bilayer sebagian besar harus

dalam dalam bentuk fluid sehingga protein membran dapat terus memompa ion-

ion, mengambil nutrisi, dan melakukan respirasi (Berry dan Foegeding 1997).

Oleh karena itu, adalah penting bahwa lipid membran di dalam keadaan bentuk

kristal. Ketika suhu pertumbuhan mikroorganisme diturunkan, sebagian dari

komponen fluida normal membentuk struktur seperti 'gel', yang mencegah protein

berfungsi secara normal; oleh karena itu, perubahan terhadap komposisi asam

lemaknya diperlukan untuk untuk menjaga agar komponen-komponen ini tetap

dalam bentuk fluida.

Terbentuknya rantai-rantai asam lemak tak jenuh merupakan perubahan paling

umum yang terjadi ketika suhu diturunkan; hal ini meningkatkan fluiditas

membran karena gugus asam lemak tak jenuh menciptakan lebih banyak

gangguan terhadap membran dibanding rantai-rantai asam lemak jenuh dan

diperoleh dengan cara mendesaturasi asam lemak membran itu sendiri dan

reaksinya sendiri berlangsung cepat. Sebagai contoh, Clostridium boutinum

meningkat level asam lemak tidak jenuhnya dari 27% ke 40%, setelah penurunan

suhu dari 37 °C kepada 8 °C (Russell dkk 1995).

4.2. Aktivitas Enzim

Selain itu, sebagaimana reaksi kimia yang lain, reaksi biokimia (yang dikatalisa

oleh enzim) akan menurun kecepatanya dengan faktor 2-3 setiap 10 derajat C

penurunan suhu. Pada suhu tertentu, beberapa protein enzim pada bakteri akan

melipat secara tidak sesuai dan akibatnya akan menghentikan katalisa yang secara

keseluruhan akan membunuh sel.

Pada beberapa mikroorganisme, suhu rendah dapat pula menyebabkan aktivitas

enzimatik menjadi intensif. Hal ini dapat menjelaskan hasil pengamatan yang

menunjukkan bahwa perubahan akibat kerja mikroorganisme dalam bahan

makanan sering terjadi walau jumlah mikroorganisme tidak melebihi jumlah yang

diperbolehkan. Pembekuan sedikit banyak membuat kerusakan mikroorganisme.

Kerusakan ini dapat bersifat reversibel maupun menyebabkan kematian sel

bakteri.

Pada suhu rendah, tingginya aktivitas enzim spesifik mikroorganisme psikrofilik

dianggap sebagai akibat dari terbentuknya struktur konformasi protein yang lebih

fleksibel serta lebih longgar (Jaenicke 1990; Davail dkk 1994; Berry dan

Foegeding 1997).

4.3. Perubahan Struktural

Bacillus subtilis mengalami perubahan struktural yaitu terjadinya kerusakan pada

mesosoma Selain itu terjadi pula pembentukan dinding sel ganda pada bagian

struktur dinding sel (McCarthy 1991; Flanders dan Donnelly 1994; Smith 1996).

4.4. Sensitifitas

Pada fase eksponensial, mikroorganisme sangat peka terhadap suhu rendah,

khususnya Enterobacter dan Pseudomonas, sedangkan bakteri Gram positif

nampaknya lebih tahan.

4.5. Penghambatan CO2

Penghambatan oleh CO2 meningkat sejalan dengan menurunnya suhu karena

solubilitas CO2 meningkat pada suhu rendah. Bakteri Gram negatif lebih rentan

terhadap CO2 dibandingkan bakteri Gram positif. Pseudomonas paling rentan

sedangkan bakteri asam laktat serta bakteri anaerob paling tahan.

4.6. Cold Shock Response

Penurunan suhu yang drastis terhadap mikroorganisme akan menginduksi pola

khusus dari ekspresi gen, yang diperlukan untuk proses adaptasi optimal terhadap

suhu rendah.

Salah satu efek penurunan suhu adalah menghalangi terjadinya inisiasi sintesis

protein. Cold shock response dapat menstabilkan mRNA dan menginisiasi

kembali produksi protein. Selain itu, cold shock respons juga terkait dengan usaha

untuk menjaga fluiditas membran sel sebagaimana halnya dengan pengaruh

pembentukan desaturasi asam lemak.

Pola ini kini dikenal untuk memasukkan induksi protein cold shock, sintesis

lanjutan dari protein yang terlibat di dalam transkripsi dan translasi (Jones dkk

1992), dan menekan protein-protein heat shock (Jones dkk 1987; Berry dan

Foegeding 1997).

Manfaat cold shock response belum diketahui, meski Jones dan Inouye (1994)

mengusulkan bahwa fungsinya kemungkinan untuk mengatasi blok parsial dalam

sintesis protein, proses dimana pesan genetik yang dibawa oleh mRNA mengatur

sintesis polipeptida dengan bantuan ribosom-ribosom dan komponen-komponen

sel lain (translasi), dengan demikian meningkatkan kapasitas translasi sel dan

sebaliknya. Protein-protein cold shock diperkirakan melakukan hal ini melalui

pengikatan dengan RNA selama transkripsi dan mendorong inisiasi translasi.

Sebagai tambahan, karena adanya penurunan suhu menghasilkan ekspresi cold

shock protein, sintesis lanjutan dari banyak komponen-komponen perlengkapan

translasi dan transkripi juga terjadi (Jones dan yang lain 1992). Secara normal

ketika pertumbuhan dicegah, protein-protein yang terlibat di dalam transkripsi dan

translasi akan terhambat kerjanya.

Daftar Pustaka

Anne-Mounique Gounot. 1991. Bacterial life at low temperature: physiological aspects and biotechnological implications. Journal of Applied Bacteriology, 71, 386-397

Prescott, L.M., Harley, J.P., Klein, D.A., 1999. Microbiology. 4th ed. WCB

McGraw-Hill, Boston.

Marianne D. Miliotis, Jeffrey W. Bier. 2003. International Handbook of Foodborne Pathogens, Published by CRC Press, ISBN 0824706854, 9780824706852, 839 pages

Martin Dworkin, Stanley Falkow. 2006. The Prokaryotes. Published by Springer, ISBN 0387254927, 9780387254920

N. Beales. Adaptation of Microorganisms to Cold Temperatures, Weak Acid Preservatives, Low pH, and Osmotic Stress: A Review. Institute of Food Technologists, Vol. 3, 2004.