BioTrends Vol.1 No.1 Tahun 2015
BAKTERI DAN JAMUR PENDEGRADASI NIKOTIN DALAM TEMBAKAU Winda Tasia Laboratorium Biokatalis dan Fermentasi Pusat Penelitian Bioteknologi LIPI Email:
[email protected]
P
erkembangan ilmu pengetahuan dan kesadaran hidup alamiah membuat manusia kembali memegang konsep kembali ke alam’ dalam menyelesaikan berbagai masalah mulai dari lingkungan, pangan, hingga energi. Salah satu upaya manusia untuk menata ulang sistem yang sebelumnya telah seimbang di alam adalah dengan memanfaatkan mikroba. Kini, bakteri dan jamur pun diketahui memiliki potensi dalam memecahkan masalah kesehatan, sosial dan budaya, ekonomi, serta masalah lingkungan yang timbul akibat salah satu gaya hidup manusia saat ini, yakni merokok.
hingga kerusakan saraf dan otak bagi orang yang terpapar senyawa ini.Kedua, perekonomian keluarga dengan satu atau lebih anggota keluarga yang merokok dapat saja terguncang. Menurut Peta Jalan (Roadmap) Pengendalian Dampak Konsumsi Rokok bagi Kesehatan dalam Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia Nomor 40 Tahun 2013, sebagian besar perokok adalah
keluarga miskin, sehingga akan mempersulit upaya penanggulangan kemiskinan. Dampak yang ketiga adalah kerusakan lingkungan. Permintaan yang tinggi terhadap produk yang dibawa masuk bangsa Eropa ke negara-negara Islam termasuk Indonesia ini, berbanding lurus dengan pertumbuhan industri rokok dunia dan limbah yang dihasilkan. Raman dan Sakhtivel
Konsumsi Rokok yang Berlebihan dan Dampaknya Kebiasaan mengonsumsi tembakau sebagai rokok atau produk sejenisnya telah dilakukan suku asli Amerika sejak sebelum abad ke-15. Hanya saja, penggunaannya ditujukan untuk pengobatan ataupun penghormatan kepada tetua suku dan dalam acaraacara adat khusus saja. Bila dibandingkan dengan saat ini, tidak berlebihan jika konsumsi tembakau sekarang dikatakan kelebihan dosis dan mengalami pergeseran fungsi. Konsumsi rokok per kapita per tahun di Indonesia adalah 1108 batang. Sebagai pembanding, dilansir dari Tempo.co (2013), harga sebatang rokok hampir sama dengan harga sebutir telur, namun konsumsi telur di Indonesia hanya 87 butir per kapita per tahun. Hal yang dapat dikritisi selanjutnya adalah dampak dari fenomena tersebut. Pertama, masalah kesehatan para perokok aktif maupun pasif yang terpapar asap rokok. Tar dalam asap rokok dapat meningkatkan risiko penyakit kanker paru-paru dan emfisema pada orang yang terpapar, karbon monoksida berkaitan dengan penyakit kardiovaskular, sedangkan sianida menyebabkan pusing, muntah,
Gambar 1. Jalur metabolisme piridin oleh bakteri Gram positif dalam mendegradasi nikotin. Sumber: Raman dan Sakhtivel, 2013
1
BioTrends Vol.1 No.1 Tahun 2015
(2013) melaporkan bahwa lebih dari 300.000 ton limbah organik tembakau dihasilkan dalam setahun di seluruh dunia. Sejumlah 90-95% dari total alkaloid tembakau adalah nikotin yang bersifat larut dalam alkohol, eter, dan minyak tanah, serta sangat larut dalam air. Kelarutannya membuat nikotin berisiko mengalami leaching (pencucian) selama masa penyimpanan limbah tembakau yang menumpuk. Nikotin yang tercuci dari limbah tembakau dapat mengalir (runoff) ke dalam badan air sehingga membahayakan makhluk hidup dan lingkungan (Piotrowska-Cyplik dkk., 2009). Merujuk pada risiko-risiko yang ditimbulkan dari kebiasaan merokok, tidak sedikit upaya yang dilakukan untuk menurunkan tingkat konsumsinya di masyarakat, seperti dengan proses terapi.Salah satu terapi untuk menghentikan kebiasaan merokok adalah dengan menurunkan kadar nikotin yang dikonsumsi secara perlahan, baik dengan mengurangi intensitas merokok maupun dengan mengonsumsi produk tembakau rendah nikotin. Dinas Kesehatan Kota Yogyakarta bekerjasama dengan Quit Tobacco Indonesia, Fakultas Kedokteran Universitas Gadjah Mada, membuka Klinik Berhenti Merokok (KBM) pada 2009 di seluruh puskesmas di Kota Yogyakarta. Menurut bogor.antaranews.com, seluruh puskesmas di Kota Bogor pun telah dapat menerima konseling untuk berhenti merokok, dan pada 2014 KBM telah tersebar di seluruh Indonesia dengan satu tenaga terapis di setiap puskesmas. Meski demikian, pasien yang datang karena kemauan sendiri masih relatif sedikit. Sebagian besar pasien KBM merupakan pasien rujukan dari poli umum dan poli gigi, maupun pasien yang memiliki gangguan paru-paru akibat merokok. Bakteri dan Jamur Menjadi Solusi Selain pemberian motivasi dan pengobatan terhadap perokok, banyak pula penelitian untuk menemukan metode paling efektif dan ekonomis guna menurunkan konsentrasi nikotin pada tembakau. Tembakau tersebut nantinya akan menjadi bahan baku pembuatan rokok rendah nikotin yang dapat digunakan dalam terapi berhenti merokok. Aplikasi bakteri dan jamur pada daun tembakau pasca panen dengan memanfaatkan proses biodegradasi menjadi metode yang potensial jika dibandingkan dengan pemberian perlakuan fisik atau kimia.
Penggunaan bakteri dan jamur dinilai lebih efektif dan efisien dalam menurunkan konsentrasi nikotin pada daun tembakau. Menurut Kurola (2006), mikroorganisme dapat mendegradasi senyawa organik hingga mineralisasi menghasilkan produk akhir berupa senyawa organik yang sederhana, seperti H2O, CO2, CH4, dan NH4+. Di sisi lain, biodegradasi senyawa organik juga dapat berlangsung sebagian dengan mentransformasi struktur utama senyawa organik tersebut dan membentuk molekul baru (metabolit), yang toksisitasnya lebih rendah atau dapat pula lebih tinggi dibandingkan senyawa awal. Arthrobacter nicotinovorans dan Achromobacter nicotinophagum diketahui sebagai bakteri Gram positif yang dalam metabolismenya akan terlebih dahulu memecah cincin piridin pada senyawa nikotin. Arthrobacter sp. dilaporkan Li dkk. (2011) berhasil menurunkan konsentrasi nikotin sebesar 28-39%. Bakteri dengan metabolisme seperti itu menghasilkan metabolit yang tidak toksik dengan banyak cabang, yang dapat berakhir di siklus asam sitrat maupun jalur Embden-Meyerhof. Brandsch (2006) mengemukakan bahwa enzim-enzim dalam jalur piridin dapat diimmobilisasi untuk teknologi penyaring udara tercemar asap rokok. Terdapat pula bakteri Gram negatif yang menggunakan metabolisme pirolidin dalam melahap nikotin. Berkebalikan dengan metabolisme piridin, bakteri seperti Pseudomonas, Shigella, Ensifer, Agrobacterium, dan Acinetobacter akan terlebih dahulu memotong ikatan cincin pirolidin dari kerangka nikotin. Bakteri kelompok itu memiliki efisiensi dan efektivitas degradasi nikotin yang tinggi, dengan kisaran 0,5-4 g/l nikotin didegradasi 83-100% selama 3-48 jam. Bakteri yang menggunakan jalur tersebut
sangat banyak serta memiliki kemampuan dan kondisi optimal yang beragam sehingga modifikasi lingkungan dan biaya yang dikeluarkan dalam aplikasinya menjadi minimal. Selain itu, salah satu metabolit dari metabolisme nikotin dengan jalur pirolidin adalah 6-hidroksi-3-suksinoil piridin yang dapat diproses lebih lanjut untuk keperluan produksi agen anti-Parkinson dan sintesis molekul analgesik. Terdapat pula metabolit dihidroksipiridin yang dapat digunakan sebagai bahan baku dalam sintesis asam 5-aminolevulinik. Hasil sintesis tersebut merupakan prekursor untuk porifirin dan juga dapat diaplikasikan sebagai hormon pertumbuhan tanaman dan dalam perawatan penyakit kanker (Wang dkk., 2012; Yu dkk., 2014). Metabolisme nikotin melalui jalur pirolidin juga menghasilkan produk samping berupa ammonium yang berguna untuk meningkatkan kandungan nitrogen di tanah penanaman. Dengan demikian, limbah daun tembakau pun dapat dimanfaatkan sebagai kompos dengan aplikasi bakteri Gram negatif pendegradasi nikotin. Tak cukup bakteri, peran jamur juga terungkap. Aspergillus oryzae 112822 dan Microsporum gypseum mampu mendegradasi nikotin hingga 2 g/l dalam 40 jam. Aplikasi Mikroba Pendegradasi Nikotin Beberapa bakteri pendegradasi nikotin telah diuji aplikasinya untuk mengurangi konsentrasi nikotin pada daun tembakau. Sel istirahat (resting cells) bakteri diaplikasikan dengan cara disemprotkan pada daun tembakau saat masa fermentasi daun (aging) pada suhu 37° C. Hasilnya, Pseudomonas stutzeri ZCJ mampu menurunkan konsentrasi nikotin sebesar 32,24% pada daun tembakau dalam waktu 7 hari (Zhao dkk., 2012) dan Acinetobacter sp. ND12 dapat
Gambar 2. Jalur metabolisme pirolidin oleh bakteri Pseudomonas sp. dalam mendegradasi nikotin. Sumber: Tang dkk., 2013
2
BioTrends Vol.1 No.1 Tahun 2015
mendegradasi 90% nikotin pada daun tembakau (Li dkk., 2011). Wang dkk. (2004) pun melaporkan bahwa Pseudomonas putida S16 dapat mendegradasi 56 mg nikotin dalam 1 jam dengan 1 gram sel kering. Selain itu, senyawa 4-hidroksi-1-(3piridinil),1-butanon sebagai produk samping P. putida S16 juga dapat dimanfaatkan sebagai biomarker penyakit kanker paru-paru (Raman dan Sakthivel, 2013). Bakteri Gram negatif lainnya adalah Pseudomonas geniculata N1. Bakteri tersebut memiliki kemampuan mendegradasi nikotin yang sangat tinggi, yaitu 3 g/l dalam 3 jam. Kemampuan tersebut diduga karena terdapat banyak gen pengkode multidrug efflux pump. Multidrug efflux pump merupakan protein pemindah (transporter) yang dapat mengeluarkan senyawa beracun dari dalam sel bakteri, sehingga memungkinkan P. geniculata N1 memiliki kapasitas penyerapan nikotin yang tinggi (Liu dkk., 2013).
Cara lain untuk mengaplikasikan sel mikroba pendegradasi nikotin telah diujicobakan oleh Li dkk. (2011) dengan merendam daun tembakau dalam kultur sel. Daun tembakau setelah proses pemanenan atau sebelum proses pengeringan direndam dalam kultur Acinetobacter sp. ND12 selama 11 jam. Metode tersebut menghasilkan daun tembakau yang konsentrasi nikotinnya menurun hingga 90%.Lei dkk. (2009) menguji sel Ensifer sp. N7 pada daun tembakau matang yang telah dipanen dan memperoleh hasil berupa penurunan konsentrasi nikotin sebesar 16% per daun selama 6 jam pengaplikasian. Metode fermentasi fase padat (solid-state fermentation) juga dapat diaplikasikan pada daun tembakau yang telah melalui proses pengeringan (Ma dkk., 2014). Meski efektif menurunkan konsentrasi nikotin dan berpotensi dikembangkan dalam skala yang lebih besar, aplikasi biodegradasi nikotin untuk kebutuhan industri rokok dan produk sejenisnya
masih sulit diterapkan terkait perihal keamanan pangan. Potensi Aplikasi Masa Depan Jalan keluar dari perihal keamanan pangan adalah dengan mengaplikasikan enzim yang berperan dalam proses biodegradasi nikotin dibandingkan dengan mengaplikasikan sel. Hal tersebut seperti yang telah dilakukan oleh Chen dkk. (2008) yang berhasil menurunkan konsentrasi nikotin pada daun tembakau tanpa menghilangkan aromanya. Enzim yang diaplikasikan adalah enzim kasar (crude enzyme) dari bakteri pendegradasi nikotin. Pengaplikasian tersebut telah dapat menghasilkan rokok dengan rasa dan aroma yang lebih baik dibandingkan tanpa perlakuan. Hal itu membuat penelitian mengenai ekstraksi dan pemurnian enzim serta aplikasinya pada daun tembakau perlu dilakukan lebih lanjut.
Tabel 1. Enzim-enzim yang berperan dalam metabolisme nikotin oleh mikroba beserta potensinya di berbagai bidang Enzim Peran Potensi Nikotin dehidrogenase
Menghidroksilasi karbon keenam cincin piridin nikotin menjadi 6hidroksinikotin (6-HN)
6-hidroksi-L-nikotin oksidase dan 6hidroksi-D-nikotin oksidase (6HDNO)
Mengoksidasi karbon kedua cincin pirolidin 6-HN menjadi 6-hidroksi-Nmetilmiosmin
Operator site dari 6-HDNO untuk mengatur ekspresi sel mamalia terhadap 6-hidroksi-nikotin
3-suksinoil piridin monooksigenase
Menghidroksilasi karbon keenam 3suksinoil piridin membentuk 6hidroksi-3-suksinoil piridin (HSP)
HSP selanjutnya dapat diproses untuk produksi agen anti-Parkinson dan sintesis molekul analgesik yang analog dengan epibatidine
6-hidroksi-3-suksinoil piridin hidroksilase
Memutuskan karbon ketiga rantai HSP membentuk suksinat semialdehid dan dihidroksipiridin
Dihidroksipiridin dapat digunakan sebagai bahan baku sintesis asam 5-aminolevulinik untuk produksi prekursor porphyrins dan hormon pertumbuhan tanaman, serta untuk perawatan penyakit kanker
Maleamat amidase
Deaminasi asam maleamat menjadi asam maleat dan ammonium
Ammonium untuk meningkatkan kandungan nitrogen dalam tanah
Metilen-tetrahidrofolat dehidrogenase/siklohidrolase (FolD) dan formiltetrahidrofolat deformilase
Mengoksidasi metilentetrahidrofolat membentuk formaldehid
Formaldehid selanjutnya dapat diasimilasi dalam jalur EmbdenMeyerhoff
Suksinat semialdehid dehidrogenase
Mengoksidasi suksinat semialdehid menjadi asam suksinat
Asam suksinat selanjutnya dapat masuk dalam siklus asam sitrat (siklus Krebs)
Sumber: Raman dan Sakthivel, 2013
3
BioTrends Vol.1 No.1 Tahun 2015
Selain bagi industri rokok, pengetahuan mengenai proses biodegradasi nikotin juga bermanfaat dalam upaya pelestarian lingkungan, misalnya dalam pengolahan limbah tembakau padat atau cair serta proses bioremediasi tanah dan air yang tercemar limbah tembakau. Selain itu, sel istirahat bakteri atau jamur pendegradasi nikotin dapat pula diaplikasikan sebagai agen pengomposan limbah (Wang dkk., 2004; Wang dkk., 2013). Pengaplikasian sel istirahat pada limbah tembakau padat berhasil menurunkan konsentrasi nikotin pada limbah hingga 98% dengan konsentrasi maksimal 0,65 g nikotin/jam/g berat kering sel (Wang dkk., 2009). Metode tersebut termasuk proses biokonversi karena juga dapat menghasilkan senyawa yang bernilai bagi bidang farmasi dan kesehatan. Referensi bogor.antaranews.com. 2014.(http://bogor.antaranews.co m/berita/7242/klinik-konselingberhenti-merokok-hadir-dibogor). Diaksespada 12 Mei 2015. Brandsch, R. 2006. Microbiology and chesmistry of nicotine degradation. Appl. Microbiol. Biotechnol. 69: 493—498. Chen, C., X. Li, J. Yang, X. Gong, B. Li, dan K. Zhang. 2008. Isolation of nicotine-degrading bacterium Pseudomonas sp. Nic22, and its potential application in tobacco processing. Kurola, J. 2006. Microbial activities in boreal soils: biodegradation of organic contaminants at low temperature and ammonia oxidation. Faculty of Biosciences
University of Helsinki, Helsinki. Lei, L., W. Zhang, H. Wei, Z. Xia, dan X. Liu. 2009. Characterization of a novel nicotine-degrading Ensifersp. strain N7 isolated from tobacco rhizosphere. Annals of Microbiology 59(2): 247—252.
Tang, H., L. Wang, W. Wang, H. Yu, K. Zhang, Y. Yao, dan P. Xu. 2013. Systemic unraveling of the unsolved pathway of nicotine degradation in Pseudomonas. PLOS Genetics 9(10): 1—12. tempo.co. 2013. (http://www.tempo.co/read/news/ 2013/09/25/092516565/OrangIndonesia-Pilih-MerokokKetimbang-Makan-Ayam). Diaksespada 13 Mei 2015.
Li, H., Y. Duan, G. Ma, L. Lei, K. Zhang, dan J. Yang. 2011. Isolation and characterization of Acinetobactersp. ND12 capable of degrading nicotine. African Journal of Microbiology Research Wang, S., H. Huang, K. Xie, dan P. 5(11): 1335-1341. Xu. 2012. Identification of nicotine biotransformatioin intermediates by Agrobacterium Liu, Y., L. Wang, K. Huang, W. Wang, tumefaciensstrain S33 suggests X. Nie, Y. Jiang, P. Li, S. Liu, P. Xu, H. Tang. 2013. Physiological a novel nicotine degradation and biochemical characterization pathway. Appl. Microbiol. of a novel nicotine-degrading Biotechnol. 95: 1567—1578. bacterium Pseudomonas geniculataN1. PLOS One 9(1): Wang, S. N., P. Xu, H. Z. Tang, J. 1—9. Meng, X. L. Liu, J. Huang, H. Chen, Y. Du, dan H. D. Ma, Y., Y. Wei, J. Qiu, R. Wen, J. Blankespoor. 2004. Hong, dan W. Liu. 2014. Biodegradation and detoxification Isolation, transposon of nicotine in tobacco solid waste by a Pseudomonas sp. mutagenesis, and characterization of the novel Biotechnology Letters 26: 1493— nicotine-degrading strain 1496. Shinellasp. HZN7. Appl. Microbiol. Biotechnol. 98: 2625— Wang, S. N., Z. Liu, H. Z. Tang, J. 2636. Meng, dan P. Xu. 2009. Characterization of Piotrowska-Cyplik, A., A. Olejnik, P. environmentally friendly nicotine degradation by Pseudomonas Cyplik, J. Dach, dan Z. putidabiotype A strain S16. Czarnecki. 2009. The kinetics of nicotine degradation, enzyme Microbiology 153: 1556—1565. activities and genotoxic potential in the characterization of tobacco Wang, X., L. Tang, Y. Yao, H. Wang, waste composting. Biosource H. Min, dan Z. Lu. 2013. Technology 100: 5037—5044. Bioremediation of the tobacco waste-contaminated soil by Pseudomonas sp. HF-1: nicotine Raman, G. dan N. Sakthivel. 2013. Current status on biochemistry degradation and microbial and molecular biology of community analysis. Appl. microbial degradation of nicotine. Microbiol. Biotechnol. 97: 6077— The Scientific World Journal 6088. (2013): 1—15.
4
5
