KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI DALAM RESISTENSI ANTIBIOTIK

SEMINAR NASIONAL KIMIA DAN PENDIDIKAN KIMIA V

“Kontribusi Kimia dan Pendidikan Kimia dalam Pembangunan Bangsa yang Berkarakter” Program Studi Pendidikan Kimia Jurusan PMIPA FKIP UNS Surakarta, 6 April 2013

BIOTEKNOLOGI DAN RESISTENSI ANTIBIOTIK

MAKALAH UTAMA

ISBN : 979363167-8

KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI DALAM RESISTENSI ANTIBIOTIK Sri Mulyani1,* 1

Prodi P Kimia Jurusan PMIPA FKIP Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia

* Keperluan korespondensi, tel : 0271-7651266, email: [email protected] ABSTRAK Resistensi antibiotik saat ini menjadi masalah kesehatan dunia yang serius baik di negara maju maupun negara berkembang, mengimbangai masalah energi. Bahaya resistensi antibiotika merupakan salah satu ancaman kesehatan masyarakat. Antibiotik adalah senyawa kimia untuk menyetop/memperlambat pertumbuhan bakteri (bakteriostatik) atau membunuh bakteri (bakteriosidal). Resistensi antibiotik adalah kemampuan mikroorganisme untuk bertahan terhadap efek antibiotik diantaranya melalui mutasi atau perubahan/pertukaran plasmid antar spesies bakteri yang sama. Contohnya methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) atau vancomycin-resistant Staphylococcus aureus (VRSA). Salah penggunaan antibiotik merupakan salah satu pemicu resistensi antibiotik. Saat ini banyak bakteri yang telah mengalami resistensi sehingga kurang responsif terhadap pengobatan antibiotika. Penyebaran bakteri ini memunculkan masalah besar, karena menyebabkan penyakit sulit untuk diobati, biaya pengobatan menjadi lebih mahal dan memungkinkan hadir jenis penyakit infeksi baru yang lebih sulit diobati. Sehingga diperlukan obat baru yang ampuh dan murah. Pemanfaatan ilmu dasar Kimia dalam kajian ilmiah, penelitian dan eksplorasi bahan alam dipadu dengan pemanfaan teknologi dan mikroorganisme dalam bioteknologi sangat potensial menggiatkan perusahaan farmasi dalam membuat antibioti baru. Dengan dukungan kebijakan pemerintah yang kondusif diharapkan usaha ini mampu membantu mengatasi permasalah resistensi antibiotik. Kata kunci: kimia, ilmu kimia, biotechnology, resistensi antibiotik

PENDAHULUAN

bacterisidal bila dapat menyebabkan sel

Sejak ditemukannya antibiotik dokter

bakteri mati. Antibiotik antibakteri didisain

banyak memberikan resep antibiotik untuk

untuk memblok beberapa proses-proses

mengobati infeksi penyakit. Antibiotik adalah

krusial dalam sel bakteri secara selektif [1-

senyawa kimia baik yang merupakan pruduk

4]. Namun penggunaan antibiotik bila tidak

alami

dilakukan secara benar dan tepat dapat

maupun

yang

disintesis

yang

digunakan untuk menyetop pertumbuhan bakteri

dan

membunuhnya.

atau

jamur Antibiotik

atau

menimbulkan resistensi antibiotik.

untuk

Resistensi antibiotik saat ini menjadi

digolongkan

masalah kesehatan dunia yang serius baik

sebagai bakeriostatik bila dapat menyetop

di

pertumbuhan bakteri dan sebagai

kembang, mengimbangi masalah energi.

Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia V

negara

maju

maupun

negara

ber-

20

Bahaya resistensi antibiotika merupakan

ANTIBIOTIK ANTIBAKTERI

salah satu ancaman kesehatan masyarakat. Saat ini banyak bakteri yang telah mengalami

resistensi

sehingga

Antibiotik menjadi

2

antibakteri yaitu

digolongkan

bakteriostatik

dan

kurang

bakterisidal yang pengaruhnya terhadap

responsif terhadap pengobatan antibiotika.

kurva pertumbuhan bakteri disajikan dalam

Penyebaran

bakteri

masalah

besar,

penyakit

sulit

pengobatan

ini

memunculkan

gambar 1. Pembagian bakteriostatik dan

karena

menyebabkan

bakterisidal ini tergantung dari konsentrasi

untuk

menjadi

diobati,

spesies

bakteri

dan

fase

perkembangannya. Pembagian ini diman-

memungkinkan hadir jenis penyakit infeksi

faatkan untuk pemilihan antibiotika bagi

baru yang lebih sulit diobati. Masalah ini

pasien

menjadi masalah kesehatan dunia dan

misalnya diperuntukan bagi pasien dengan

harus

status

secara

mahal

obat,

dan

ditangani

lebih

biaya

terpadu

dan

tertentu.

imunologi

Antibiotika

yang

bakterisid

rendah

seperti

mendesak. Berkaitan dengan hal ini WHO

penderita HIV-AIDS, pada pasien pembawa

sudah memperingatkan bahwa infeksi

kuman (carrier), dan pada pasien berkondisi

yang umum terjadi bisa tidak memiliki

sangat lemah, pasien-pasien end-stage [6].

obat lagi di masa yang akan datang [5]. Berdasarkan

hal

tersebut

WHO

pada

peringatan Hari Kesehatan Internasional tahun

2011

menetapkan

tema

Antimicrobacterial Resistance and its Global Spread [6].. dilakukan

Salah satu usaha yang bisa untuk

mengatasi

hal

ini

diantaranya adalah menemukan obat baru yang ampuh dan murah. Di sini hal

yang

ini akan disajikan beberapa berkaitan

dengan

antibiotik

antibakteri, sintesis dinding sel bakteri, resistensi

antibiotik,

kajian

pustaka

beberapa penelitian kimia dan bioteknologi yang sudah dilakukan oleh peneliti maupun peneliti lain dalam usaha menanggulangi permasalaahan

rsistensi

antibiotik.

Beberapa data yang disampaikan merupakan

data

Gambar 1: Kurva pertumbuhan bakteri yang diberi antibiotik bakteriostatik dan bakterisidal dibandingkan dengan kontrol. (Sumber: Scholar & Pratt [7]).

hasil

penelitian

yang

sudah

Beberapa contoh klas antibiotik dan penggunaannya untuk menggobati penyakit infeksi dapat dilihat dalam tabel 1 sedangkan contoh treatment awal penyakit infeksi dengan antibiotik dalam tabel 2 [4]. Antibiotik ada yang merupakan senyawa produk alam (natural product) yang diisolasi dari prokaryot, fungi dan tanaman, dan ada yang berupa senyawa hasil sintesis.

dipublikasi dan diberikan identitas sumber data di bagian bawahnya.


21

Tabel 1. Contoh klas Antibiotik dan penggunaannya [4].

Contoh antibiotik produk alam dan hasil sintesis dapat dilihat dalam gambar 2.

Klas

Contoh obat

Infeksi

Cephalosporin

Cefaclor, cefuroxine

Bronkhitis, pneumonia, meningitis

Penicillins

Amoxicillin, ampicillin

Pneumonia, septicemia, bronkhitis

Fluoroquinolon

Ciproflolacin, ofloxacin

Toxic shock syndrome, meningitis

menghambat

Macrolides

Clarithromycin, erythromycin

Toxic shock syndrome, meningitis

menghambat

Tetracycline

Minocycline

Infeksi saluran urin, pelvic inflammatory disease

Aminoglycoside

Gentamicin

Ada

beberapa

penggolongan

antibiotik, diantaranya berdasarkan struktur dan targetnya. Berdasarkan targetnya antibiotik dikelompokkan menjadi 4: yaitu: (1) sintesis

dinding

sel,

(2)

menghambat sintesis DNA dan RNA, (3) sintesis

protein,

dan

(4)

menghambat sintesis asam folat. Contoh antibiotik yang menghambat sintesis dinding sel

adalah:

(a)

ß-Lactams

(Penicillins,

Infeksi intestinal, septicemia

Cephalosporins), targetnya: enzim Trans-

Vancomycin, targetnya: ujung D-Ala-D-Ala,

Glycopeptide

Vancomycin

Infeksi intestinal

Antibiotik systemik lainnya

Imipenem, rifampin

Bronkhitis, tuberkulosa

peptidase/Transglycolase

dan

(c)

(PBP),

Teicoplanin,

(b)

targetnya:

Peptidoglycan dan Lipid II. Contoh antibiotik yang menghambat sintesis protein, yaitu: (a)

Tabel 2. Contoh treatment awal dengan antibiotic [4]. Infeksi

Patogen

Alasan pilihan terapi awal

Pneumoni ae dari masyarakat

Streptoco ccus pneumoni ae

Pasien RS: cephalosporin spektrum luas / generasi ke-4 Pasien ambulan: macrolide/fluoroquinolone

Pneumoni ae dari RS

Bakteri gram negatif / Staphyloc occus

Untuk P. aeruginosa: cephalosporin spektrum luas / generasi ke-4, imipenem, aminoglycosida; Untuk MRSA: vancpmycin

S. pneumoni ae / Neisseria meningitid is

cephalosporin spektrum luas + vancomycin + rifampin

bacilli gram - ; cocci gram + (MRSA)

Cephalosporin + aminoglycoside; vancomycin

Infelksi urinary tract

Bakteri gram – seperti E. coli

Sulfamethoxazole + trimethoprim; fluoroquinolones; fosfomycin

Tuberculosis

Mycobact erium tuberculos is.

Isoniazid + rifampin + pyrizinamide + ethambutol

Meningitis

Sepsis syndrome

Erythromycins, targetnya: rase/Ribosom,

dan

(b)

PeptidyltransfeTetracyclins,

targetnya: Peptidyltransferase. Fluoroquinolon

merupakan

contoh

antibiotik

yang

menghambat proses replikasi/reparasi DNA dengan target aksinya pada DNA Gyrase.

SINTESIS PEPTIDOGLIKAN DINDING SEL BAKTERI Ligan target dari antibiotik Penicillins dan Vancomycin adalah rantai samping peptida

dari

rantai

peptidoglikan

(PG)

dinding sel bakteri. Monomer rantai PG disusun atas 2 komponen

mayor turunan

disakarida N-acetyl glucosamine (NAG) dan N-acetyl muramic acid (NAM) dan rantai samping

pentapeptida

terikat

secara

kovalen pada sisi NAM (gambar 3).


22

PG disintesis secara enzimatis dalam 3 fase di sitoplasma, membran sitoplasma dan ekstra sitoplasma (Gambar 4). Dalam cytoplasm,

uridyldiphosphate

N-

acetylglucosamine (UDP-NAG) dihasilkan dari glucosamine-1-phosphate yang dikatalisa oleh N-acetyl-1-phosphate glucosamine uridyltransferase (GlmU). UDP-NAG kemudian dikonversi menjadi uridyldiphosphate N-acetylmuramic acid (UDP-NAM) dalam 2 tahap reaksi yang dikatalis oleh (A) Antibiotik produk alam

MurA [8]

and MurB, melalui intermediate, UDP-NAGenolpyruvate. Residu amino acids L-alanine, D-glutamine,

L-lysine,

and

D-alanine-D-

alanine secara berurutan ditambahkan pada sisi NAM dari UDP-NAM untuk membentuk UDP-NAM-pentapeptide. Reaksi ini masingmasing dijalankan oleh MurC, MurD, MurE and MurF. UDP-NAM-pentapeptide kemudian diikatkan pada molekul C55-undeca(B) Antibiotik hasil sintesis Gambar 2. Contoh-contoh antibiotik produk alam (A) dan hasil sintesis (B).

prenylphosphate

yang

berlokasi

pada

membran sitoplasma untuk membentuk lipid I. NAG dari UDP-NAG kemudian diikatkan sisi pada NAM dari lipid I dalam ikatan ß-

D-Ala D-Ala Peptide Side Chain

L-Lys D-Glu L-Ala NH CH3 Ac O NH O

1,4-glycosidic linkage untuk membentuk lipid II, yang masing-masing dikatalis oleh MraY and MurG [9]. Pada S. aereus, lima residu glycine

O HO O

O

Ac NH O

HO HO N-Acetyl glucosamine N-Acetyl muramic acid Disaccharide Unit

secara berturutan ditambahkan pada gugus -NH2 dari komponen pentapeptide, L-lysine, pada lipid II membentuk rantai samping pentaglycine

yang

menggunakan

donor

glycyl-tRNA [10]. Residu D-glutamate pada posisi 2 pada rantai samping pentapeptide NAG NAM unit dasar peptidoglycan

dari lipid II diamidasi pada gugus -carboxyl membentuk D-glutamin dengan menggunakan Lglutamin

Gambar 3. Monomer struktur peptidoglycan dan gambaran unit dasarnya pada S. aureus [4].

sebagai

donor

gugus

amino. Amidasi tidak esential untuk transfer lipid II ke extra sitoplasma, tetapi mungkin


23

mempengaruhi

urutan reactionnya [11] .

undecaprenyl-phosphate dengan menghi-

NAG-NAM-L-Ala-D-Gln-L-Lys(5Gly)-D-Ala-

drolisisnya dengan pyrophosphatase yang

D-Ala ditranslokasi menyebrangi mem-brane

terikat pada membran membrane [4]. The

sitoplasma

sitoplasma.

transpeptidases melakukan peptide cross-

Transglycosylase and transpeptidase berlo-

linking antara rantai-rantai tersebut agar

kasi di ekstra sitoplasma. Trans-glycosylase

kuat membentuk dinding sel. Pada S.

menggabungkan subunit NAG-NAM mem-

aureus,

bentuk rantai glycan dengan mengikatkan

antara gugus amino pada satu ujung rantai

C1 sisi NAM pada lipid II ke ujung 4’-OH

pentaglycine

dari sisi NAG rantai peptidoglycan nascent

peptide antara 2 residu D-alanine pada

dengan

C55-undecaprenyl-

posisi 4 and 5 pada unit peptide yang lain.

pyrophosphate. C55-undecaprenylpyrophos-

Selanjutnya residu D-alanine pada posisi 5

phate dapat diputar balik pada permukaan

dilepaskan [12, 13] (Gambar 4).

ke

ekstra

melepaskan

membrane

sitoplasma

sebagai

peptide

cross-linking

yang

menyerang

dibentuk

ikatan

C55-

Gambar 4. Skema jalur biosintesis PG dan skema diagram rantai PG pada S. aureus. UDPNAG = uridyldiphosphate N-acetylglucosamine; UDP-NAM = uridyl-diphosphate Nacetylmuramic acid ; C55 = C55 undecaprenol. AKSI ANTIBIOTIK PADA BIOSINTESIS

Pada

DINDING SEL

5

tampak

bahwa

vancomycin memiliki struktur yang lebih

Lapisan PG dinding sel Bakteri grampositif

gambar

(staphylococci,

streptococci,

dan

besar (Gambar 2) dibandingkan Penicillin, dan

tidak

mampu

membrane

tebal dibandingkan dengan gram negative

sehingga tidak mampu memblok target

(Escherichia

molekul rantai samping peptida dari rantai

Salmonella,

Pseudo-

monas, dan Yersinia) (Gambar 5)[4].

bakteri

pori-pori

enterococci) adalah lebih banyak dan lebih

coli,

luar

menembus

gram-negatif,

PG.


24

Gram-negatif

Gram-positif

Gambar 5. Lapisan PG dinding sel bakteri gram-positif dan gram-negatif. Gram-negatif memiliki membran luar. gram-postif tidak tetapi memiliki lapisan PG lebih tebal [4]. Oleh karena itu vancomycin hanya bekerja

efektif

Sedangkan

pada

untuk

gram-positif.

macam

diperlukan

dan

rasional

jenisnya yang

sehingga

tepat

dalam

maupun

pemilihan dan penggunaannya. Beberapa

chepalosporin (Gambar 6) karena ukuran-

faktor yang mendasari rasional penggunaan

nya lebih kecil mampu mencapai dan

antibiotic,

memblok target molekul baik pada gram-

Indikasinya tepat , (2) Penderitanya tepat,

positif

Penicillin

(3) Pemilihan jenis antibiotiknya tepat, (4)

menginaktifkan PG-cross-linking transpep-

Dosisnya tepat , (5) Efek samping minimal,

tidase.

an (6) Kombinasi tepat (bila diperlukan)

maupun

penicillin

sekali

gram-negatif.

Untuk mengatasi kasus resistensi dan

daiantarnya

adalah:

(1)

ekonomis [14].

memperluas spectrum aktivitas antibakteri,

Sedangkan beberapa hal penting yang perlu

para ahli kimia medisin telah menurunkan

diketahui

beberapa

diantaranya adalah: (1) Sifat aktifitasnya

varian turunan penicillin

cepalosphorins

melalui

modifikasi

dan semi-

sintetik pada gugus samping R (Gambar 6).

apakah

dalam

sebagai

memilih

antibiotic,

bakteriostatik

atau

bakterisidik, (2) Sifat spektrumnya apakah luas atau sempit, berspektrum luas dapat

RASIONAL PENGGUNAAN ANTIBIOTIK

menghambat

baik

bakteri

gram-positif

Antibiotik bila digunakan secara benar

maupun gram-negatif, sedangkan berspek-

mempunyai khasiat yang luar biasa, dan

trum sempit hanya dapat menghambat atau

sebaliknya bila digunakan secara irrasional

membunuh kelompok bakteri tertentu, 3)

bisa menimbulkan kerugian yang fatal bagi

Mekanisme kerjanya apakah meng-hambat

kesehatan

ekonomi.

sintesis dinding sel, sintesis protein atau

Antibiotik yang ada sekarang sudah banyak

sintesis DNA/RNA, (4) Pola resistensinya,

maupun

dari

segi


25

apakah di Indonesia masih sensitive, meski

sampingnya

apakah memberikan reaksi

di Negara lain sudah resisten, (5) Efek

alergi atau reaksi toksik [14].

(A) Generasi Penicillin

(B) Generasi cephalosporins

Gambar 6. Perbedaan generasi penicillin (A) dan cephalosporins (B).(diadaptasi dari Scholar and Prat [7] cit. [4]). Bakteri penyebab infeksi secara ideal

guess”

dengan

mempertimbangkan

dapat diketahui dengan pasti berdasarkan

organ/sistem

yang

terinfeksi maupun

pemeriksaan mikrobiologis, sehingga terapi

kuman penyebab pada umumnya [14].

antibiotiknya dapat dipiliih dengan tepat.

Berdasarkan uraian di atas maka

Tetapi dalam kondisi tertentu misalnya

antibiotik harus digunalan secara benar

fasilitas

karena

terbatas

dan

tidak

mungkin

salah

penggunaan

bisa

menunggu hasil pemeriksaan yang relative

menimbulkan efek samping seperti pusing,

lama,

reaksi

antibiotic

yang

sesuai

dapat

ditentukan berdasarkan prinsip “educated

alergi,

reaksi

toksik

bahkan

menyebabkan resistensi antibiotic.


26

RESISTENSI ANTIBIOTIK Resistensi antibiotik adalah kemam-

strain

vancomycin-resistance

(VRE)

tahun

1989,

dan

enterococci tahun

90-an

bertahan

ditemukan stains Vancomycin-resistance S.

terhadap efek antibiotik diantaranya dengan

aureus (VRSA), Vancomycin-intermediate S.

memperoleh gen resisten melalui mutasi

aureus

atau perubahan/pertukaran plasmid (transfer

intermediate S. aureus (GISA).

puan

mikroorganisme

untuk

methicillin-resistant

Staphylo-

dan

Glycopeptides-

S. aureus merupakan gram-positif

gen) antar spesies bakteri yang sama [4]. Contohnya

(VISA),

yang

banyak

menyebabkan

nokosomal

coccus aureus (MRSA) atau vancomycin-

infeksi, berkoloni di permukaan kulit dan

resistant Staphylococcus aureus (VRSA).

saluran

Resistensi

sebagai

infeksi serius pada kondisi paska operasi,

konsentrasi inhibisi mimimum (MIC) dasar

racunnya menyebabkan demam, kesakitan

yang dibutuhkan untuk mengatasi infeksi

sampai kematian. Sedangkan Enterococci

secara

didefinisikan

efektif

[15].

juga

Multiple

drugs

resistance didefinisikan sebagai resistensi

pernafasan

atas,

menyebabkan

berkoloni di kulit juga, survive di alam, toleran terhadap suhu 10 °C – 45 °C, tahan kondisi asam dan basa.

terhadap dua atau lebih obat maupun kla-

The National Committe for Clinical

sifikasi obat. Sedangkan cross resistance

Laboratory Standard (NCCLS) memberikan

adalah resistensi suatu obat yang diikuti

acuan untuk strain S. aures rentan terhadap

dengan obat lain yang belum pernah

vancomycin

Resistensi muncul diantaranya karena penggunaan berlebihan dari antibiotic ber-

resisten bila

pada tanaman dan hewan dalam jangka waktu yang lama sehingga berimbas kepada

Antibiotik

penicillin

untuk

mengatasi

1941,

ditemukan

penicillin-resistance.

pertama infeksi

namun strain

Tahun

kali

4 S.

1961

S.

tahun aureus mulai

digunakan methicillin sebagai pengganti penicillin, namun 15 tahun kemudian muncul juga strain Meticillin-resistance S. aureus (MRSA). Tahun 1986 vancomycin dipilih untuk mengatasi MRSA dan infeksi karena enterococci. Alhasil berturut-turut ditemukan

32 mg/l. Berdasarkan acuan

pokkan intermediate bila MIC antara 8 – 16 mg / l, dan resisten bila Kerja

kemudian

mg/l,

8 mg / l, dan di Perancis strain dikelom-

manusia.

tahun

4

di UK dikelompokkan resistan bila MIC nya

spektrum luas, atau penggunaan antibiotik

aureus

MIC

intermediate antara 8 – 16 mg / l, dan

dipaparkan [16].

digunakan

dengan

dengan

16 mg/l [15]

Vancomycin

berinteraksi

residu D-Ala-D-Ala pada rantai

peptide, yang kemudian memblok proses cross-linking rantai dinding cell, akibatnya rantai PG tidak dapat digabungkan dan diding

cell

kemungkinan

menjadi factor

lemah. yang

Ada

dua

mengarahkan

pada resistensi vancomycin, yaitu (1) pada VRE terjadi modifikasi residu the DAla-D-Ala pada rantai peptide sub unit PG menjadi DAla-D-lactate, (2) pada VSRA, VISA atau GISA terjadi penebalan lapisan PG.


27

Interaksi

ikatan

hidrogen

antara

(A)

vancomycin dengan D-Ala-D-Ala dan D-AlaD-lactate ditunjukkan dalam gambar 7. Kehilangan satu ikatan hydrogen antara vancomycin dan D-Ala-D-lac menyebabkan afinitas ikatannya berkurang 1,000 kali [4]. Beberapa

mekanisme

penebalan (B)

dinding sel pada VSRA, VISA atau GISA telah diperkirakan tetapi persisnya belum diketahui secara pasti [19]. Bentuk tidak beraturan dinding sel yang menebal diduga sebagai hasil dari perubahan biosintesis PG akan tetapi mekanisme molekuler terjadinya

(Diadopsi dari Lowy [18])

perubahan dalam biosintesis PG belum bias

Gambar 8. SKema akses glikopeptida pada sintesis dinding sel. (A) Akses bebas pada sel staphylococci rentan menyebabkan inhibisi sistesis dinding sel. (B) Akses di dalam sel resisten (VRSA) diblok dan sintesis dinding sel dilanjutkan [18]

diterangkan [18].

PERAN KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI DALAM ALTERNATIF SOLUSI KASUS D-Ala-D-Ala (A)

D-Ala-D-Lac

RESISTENSI ANTIBIOTIK

(B)

Kasus resistensi memerlukan penanganan segera dan terpadu. Beberapa cara yang bisa

A

dilakukan

diantaranya

adalah:

(1)

produksi obat atau antibiotik baru, (2) modifikasi potensial antibiotik secara kimia, (3) produksi hibrid antibiotik baru baik

B

secara secara in vitro atau secara genetika (Diadopsi dari Lowy [18])

Gambar 7. Interaksi hidrogen antara vancomycin dengan D-Ala-D-Ala dan D-AlaD-lactate dan skema mekanisme resistensi dalam VRE. (A) dalam sel enterococci rentan vancomycin berinteraksi dengan DAla-D-Ala dan menyebabkan sistesis dinding sel dihambat. (B) dalam sel VRE vancomycin tidak berinteraksi dengan D-AlaD-Lac dan tidak berefek pada sibtesis dinding sel [17].

melalui manipulasi

biosintesis

antibiotik.

Dalam upaya di atas sangat diperlukan kajian

biosintesis

metabolit

(antibiotik).

Dalam hal ini pelibatan ilmu kimia dan bioteknologi sangat besar. Kajian dilakukan

biosintesis dengan

heterologous

dan

metabolit

cara:

(1)

bisa

ekspresi

karakterisasi

protein

dengan substratnya , dan (2) inaktivasi gengene


yang

terlibat

dalam

biosintesis

28

metabolit

dan

karakterisasi

metabolit

yang

disekresikan

metabolitke

dalam

medium. Sebagai contoh adalah kajian biosintesis balhimycin sebagai salah satu upaya

untuk

mempelajari

metabolism

vancomycin dan pencarian obat alternative pengganti vancomycin. Balhimycin (Gambar 9) dan vancomycin merupakan klas antibiotik glikopeptida yang mempunyai struktur mirip dan berbeda hanya pada pola glikosilasi [20]. Balmimycin

Gambar 10. Organisasi balhimycin biosintesis gen kluster (diadopsi dari Süssmuth and Wohlleben [23]). Bhp merupakan gen putative “haloperoxidase”/perhydrolase sedangkan bhaA diidentifikasi sebagai gen putative halogenase.

mempunyai residu glukosa pada pada cincin aromatik asam amino 4 dan dehydrovan-

STUDI FUNGSI ENZIM DALAM BIO-

cosamin pada asam amino 6. Balhimycin

SINTESIS BALHIMYCIN

dan vancomycin keduanya aktif terhadap

Kirner et al [24] mengidentifikasi bah-

strains MRSA, khsususnya terhadap strains

wa non-haem, metalfree “haloperoxidases”/

Clostridium

unggul

perhydrolases tidak terlibat dalam tahap

dibandingkan vancomycin [21] meskipun

halogenasi selama biosintesis halometabolit

ampai saat ini belum dibunakan untuk terapi

Sedangkan Puk et al [25] menunjukkan

infeksi gram-positif.

bahwa

Balhimycin

lebih

BhaA bertanggung jawab pada

penggabungan kedua atom Klor ke dalam balhimycin, sedang Bhp terlibat dalam the biosynthesis of the nonproteinogenic amino acid b-hydroxytyrosine. Mulyani et al [26] juga menunjukkan bahwa putative hydrolase Bhp merupakan thioesterase (Gambar 11 dalam biosintesis Balhimycin berspesifisitas

Gambar 9. Struktur Balhimycin. Balhimycin tersusun dari 7 asam amino, dua diantaranya mengandung atom klor, yaitu B-hidroksi tyrosine (asam amino no 2 dan no 6).

tinggi terhadap PCP-bound

-OH-Tyr dan

bukan “haloperoxidase”/perhydrolase maupun non-specific esterase. Identifikasi fungsi protein dalam balhimycin biosynthetic gene

Sekuens balhimycin biosintesis gen

cluster dirangkaikan dalam gambar 12.

kluster sudah dideposit di GenBank [22] dan organisasi

gen-gennya

disajikan

dalam

gambar 10. Gambar 11. Reaksi hidrolisis B-hydroxy tyrosine-SNAC menghasilkan B-hydroxy tyrosine [26].


29

Gambar 12. Protein-protein yang diidentifikasi dalam balhimycin biosynthetic gene cluster yang bertanggung jawab dalam biosintesis nonproteinogenic aromatic asam amino acids and representasi skemati penggabungan 7 asam amino berdasarkan NRPS membentuk tulang punggung heptapeptide dari balhimycin. Leu = leucine, Cht = 3-chloro-ß-hydroxytyrosine, Asn = asparagines, Hpg = 4-hydroxyphenylglycine, Dpg = 3,5-didroxyphenylglycine, m1-7 = modul 1 - 7. Diadopsi dengan modifikasi dari Süssmuth and Wohlleben [23]. Prediksi

fungsi

protein

POLA BIOSINTESIS ANTIBIOTIK

dalam

biosintesis gambar 12 adalah t [23]: (1) Bhp,

OxyD,

BpsD

Pola biosintesis antibiotic diantaranya

terlibat

dalam

ada

biosyntesis of ß-hydroxytyrosine

2

yaitu:

Non-ribosomal

peptide

synthetase (NRPS) dan Polyketide synthase

(2) Pdh, HmaS, HmO, Pgat diasumsikan

(PKS). NRPS merupakan set modul yang

terlibat dalam biosyntesis of Hpg

masing-masing terdiri atas aktivitas enzy-

(3) gene cassette dpgABCD menunjukkan

matic untuk menggabungkan satu asam

bahwa DpgA/B/C/D dan Pgat terlibat

amino secara berurutan menghasilkan pro-

dalam biosyntesis 3,5-dihydroxy phenyl

duk. Urutan dan jumlah modul umumnya

glycine

ditentukan oleh urutan dan panjang peptide

(4) Tujuh monomer asam amino secara

yang dihasilkan. Modul dapat dibagi menja-

berurutan digabungkan delalui mekanis-

di beberapa domain yang berbeda yang

me NRPS membentuk tulang punggung

bertanggung-jawab terhadap reaksi kimia

heptapeptide dari antibiotik glycopeptide

tunggal. Tipe modul Inisiasi , modul elongsi

balhimycin

komplit

dan modul terminasi masing-masing adalah

domain thioesterase

A-PCP di-domains, C-A-PCP tri-domains, &

dan

dilepaskan oleh

heptapeptida

C-A-PCP-TE tetra-domain (gambar 13).

(Te) pada ujung C- modul 7 dalam BpsC.

O

O H

H

S

H

S

S

R1

H 2N

S

R2

NH2

A

PCP

1

C

A

2

PCP

C

A

PCP

TE

A

PCP

O H 2N

S

C

A

S

R3 PCP

C

A

PCP

H2O TE

Tripeptida

3

1 = Initial module; 2= Elongation module; 3 = Termination module § § §

An initiation module consists of an adenylation (A) and a thiolation domain T An elongation module is built of an N-terminal condensation (C) domain, an adenylation, and a thiolation domain A termination module needs a C-terminal thioesterase domain to release the full-length peptidyl chain

Gambar 13. Urutan Domain dan fungsi dalam modul-modul chain initiation, chain elongation dan chain termination dari NRPS assembly lines[27]


30

PKS merupakan enzyme kompleks yang

Peran serta ahli kimia dan bioteknologi

memproduksi polyketida, mirip dengan fatty

dalam menemukan obat baru serta penggi-

acid synthase (FAS). Pengubahan thioester

atan perusahaan farmasi dalam membuat

acyl-S-CoA rantai pendek menjadi produk

antibioti baru sangat diperlukan. Dengan

long-acyl-chain melalui serangkaian siklus

du-kungan

perpanjangan yang menambahkan 2 atau 3

kondusif diharapkan usaha ini mampu

unit atom. Terdapat multiple domain atau

membantu

sub

resistensi antibiotik.

unit-sub

unit

sub

unit

yang

berpartisipasi dalam tahap-tahap khusus initsiasi, elongasi, dan terminasi. UPAYA PENEMUAN OBAT BARU Upaya untuk menemukan obat baru dalam

rangka

resistensi

mengatasi

antibiotic

dapat

masalah dilakuakan

dengan cara: (a) melalui disain target baru dari genomik bacteria, (b) memanfaatkan bioinformatika untuk mencari conserv ORF dari target bakteri yang potensial, (c) pendekatan

genomik

untuk

penemuat

antibiotic. Hal ini juga bisa dilakukan dengan

(a)

pendekatan

kepusta-kaan

senyawa sintetis dan kombinatorial kimia, dan (b) pendekatan kepustakaan natural product dengan combinatorial biosynthetic strategies

[4].

Kimiawan

dan

Biotechnologist mempunyai peranan yang sangat besar dalam upaya penemuan obat baru tersebut.. Hal ini juga

sangat

potensial dalam menggiatkan perusahaan farmasi untuk membuat antibioti baru.

KESIMPULAN Pemanfaatan ilmu dasar Kimia dalam kajian ilmiah, penelitian dan eksplorasi bahan alam dipadu dengan pemanfaan teknologi

dan

mikroorganisme

dalam

bioteknologi sangat potensial untuk mengatasi

permasalahan

resistensi

antibiotic.


kebijakan

pemerintah

mengatasi

yang

permasalah

DAFTAR RUJUKAN [1] Scott, T and M. Eagleson. 1988. Concise encyclopedia biochemistry, 2nd ed. Walter deGruyter, Berlin. [2] Vining, L.C. and C. Stuttard. 1995. Genetics and biochemistry of antibiotic production,Butterworth-Heinemann, Boston [3] Strohl, W.R. 1997. Biotechnology of antibiotics, 2nd ed., reviced and expanded. Marcel Dekker, Inc., Ner York.; [4] Walsh, C. 2003. Antibiotics: action, origins, resistance, ASM Press, Washington, DC. [5] Nurani, N.A., 2013, Dunia Waspada Resistensi Bakteri pada Antibiotik. Online. http://health.okezone.com/read/ 2013/03/13/482/774970/dunia-waspada-resistensi-bakteri-pada-antibiotik] [6] Utami, E.R., 2012. Antibiotika, Resistensi, dan Rasionalitas Terapi. Saintis, I, 124-138. [7] Scholar, E.M. and Pratt, W.B., eds. 2000. Antimicrobial drugs, 2nd ed. Oxford University Press, New York. [8] Schönbrunn, E., D.I. Svergun, N. Amrhen, and M.H.J. Koch. 1998. Studies on the conformational changes in the bacterial cell wall biosynthetic enzyme UDP-Nacetylglucosamine enol-pyruvyltransferase (MurA). Eur. J. Biochem. 253:406-412. [9] Green, D.W. 2002. The bacterial cell wall as a source of antibacterial targets. Expert Opin. Ther. Targets 6:1-19. [10] Rohrer, S., K. Ehlert, M. Tschierske, H. Labischinski, and B. Berger-Bachi. 1999. The essential Staphylococcus aureus gene fmhB is involved in the first step of peptidoglycan pentaglycine

31

interpeptide formation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96:9351-9356. [11] Avison, M.B., P.M. Bennet, R.A. Howe, and T.R. Walsh. 2002. Preliminary analysis of thegenetic basis for vancomycin resistance in Staphylococcus aureus strain Mu50.J. Antimicrob. Chemother. 49:255-260. [12] Brock, T.D. and M.T. Madigan. 1991. Biology of Microorganisms, 6th ed. Prentice Hall,New Jersey. [13] Madigan, M.T., J.M. Martinko, and J. Parker. 2000. Brock biology of microorganisms 9th ed., Prentice Hall International, Inc., New Jersey. [14] Soemohardjo, S. 2009. Pemakaian Anti-biotik Rasional (Kuliah Untuk Maha-siswa Kedokteran Tingkat klinik). Online [[http://biomedikamataram.word press.com/2009/05/08/pemakaianantib iotik-rasional/] [15] Hamilton-Miller, J.M. 2002. Vancomycin-resistant Staphylococcus aureus: a real and present danger ?. Infection 30:118-124. [16] Tripathi, K. D. 2003. Antimicrobial drugs :general consideration. Essential of medical pharmacology. Fifth edition. Jaypee brothers medical publishers. [17] Cetinkaya, Y., P. Falk, and C.G. Mayhall. 2000. Vancomycin-resistant Enterococci. Clin.Microbiol. Rev. 13: 686-707. [18] Lowy, F.D. 2003. Antimicrobial resistance: the example of Staphylo-coccus aureus. J. Clin.cInvest. 111: 12651273 [19] Komatsuzawa, H., K. Ohta, S. Yamada, K. Ehlert, H. Labischinski, J. Kajimura, T. Fujiwara, and M. Sugai. 2002. Increased glycan chain length distribution and decreased susceptibility to moenomycin in a vancomycin-resistant Staphylococcus aureus mutant. Antimicrob. Agents Chemother. 46:75-81. [20] Wink, J.M., R.M. Kroppenstedt, B.N. Ganguli, S.R. Nadkarni, P. Schumann, G. Seibert, and E. Stackebrandt. 2003. Three new antibiotic producing species of the genus Amycolatopsis, Amycolatopsis balhimycina sp. nov., A. tolypomycina sp. nov., A. Vancoresmycina sp. nov., and description of Amycolatopsis keratiniphila subsp. keratiniphila subsp. nov. and A.


[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

keratiniphila subsp. nogabecina subsp. nov. Syst. Appl. Microbiol. 26: 38-46. Nadkarni, S.R., M.V. Patel, S. Chatterjee, E.K.S. Vijayakumar, K.R. Desikan, J.Blumbach, B.N. Ganguli, and M. Limbert. 1994. Balhimycin, a new glycopeptide antibiotic produced by Amycolatopsis sp. Y-86,21022. Taxonomy, production, isolation and biological activity. J. Antibiot. 47:334341. Pelzer, S., R. Süßmuth, D. Heckmann, J. Recktenwald, P. Huber, G. Jung, and W.Wohlleben. 1999. Identification and analysis of balhimycin biosynthetic gene cluster and its use for manipulating glycopeptide biosynthesis in Amycolatopsis mediterranei DSM5908. Antimicrob. Agents Chemother. 4:1565-1573. Süssmuth, R.D. and W. Wohlleben. 2004. The biosynthesis of glycopeptide antibiotics – a model for complex, nonribosomally synthesized, peptidic secondary metabolites. Appl. Microbiol. Biotechnol. 63:344-350. Kirner, S., P.E. Hammer, D.S. Hill, A. Altmann, I. Fischer, L.J. Weislo, M. Lanahan, K.-H. van Pée, and J.M. Ligon. 1998. Functions encoded by pyrrolnitrin biosynthetic genes from Pseudomonas fluorescens. J. Bactriol. 180:1939-1943. Puk, O., P. Huber, D. Bischoff, J. Recktenwald, G. Jung, R.D. Süßmuth, K.-H. Van Pée, W. Wohlleben, and S. Pelzer. 2002. Glycopeptide biosynthesis in Amycolatopsis mediterranei DSM5908: functiuon of a halogenase and a haloperoxydase/ perhydrolase. Chem. Biol. 9:225-235. Mulyani S., E. Egel, C. Kittel, S. Turkanovic, W. Wohlleben, R. D. Süssmuth, K.-H. van Pée: The thioesterase Bhp is involved in the formation of ß-hydroxytyrosine during balhimycin biosynthesis in Amycolatopsis balhimycina ChemBioChem, vol 11, pp. 266-271. Mofid, M.R., R. Finking, and M. Marahiel. 2002. Recognition of hybrid peptidyl carrier protein/acyl carrier protein innon ribosomal peptide synthetase modules by the 4’phosphopantetheinyl transferases AcpS and Sfp. J.Biol.Chem. 277:17023-17031

32

TANYA JAWAB : Nama Penanya

: Lausiani Dewi Assaat

Nama Pemakalah

: Sri Mulyani

Pertanyaan

:

Sering terjadi tidak ada aturan dosis yang jelas dalam pemberian antibiotik terutama di Indonesia, bagaimana menyikapinya ? Jawaban Kadang

: dokter

dalam

memberikan

diagnosis suatu penyakit seseorang sering dengan cara coba-coba. Datang pertama diberikan obat A, dan disuruh datang lagi kalau dalam 3 hari tidak sembuh. Kemudian dokter akan memberikan obat B, dengan diagnosis berbeda. Penggunaan antibiotik di masyarakat juga sering tidak tepat, sehingga sering terjadi resitensi terhadap antibiotika tertentu. Di negara maju, dokter sangat berhati-hati memberikan antibiotik.


33

KIMIA DAN BIOTEKNOLOGI DALAM RESISTENSI ANTIBIOTIK

Recommend Documents