I. PERKEMBANGAN MIKROBIOLOGI
1.1. PENGERTIAN MIKROBIOLOGI Kata mikrobiologi berasal dari bahasa Yuniani, yaitu: micros = kecil, bios = hidup, logos = ilmu. Jadi mikrobiologi adalah ilmu pengetahuan yang mempelajari organisme hidup yang kecil yang hanya dapat dilihat dengan mikroskop. Organisme yang dipelajari dalam mikrobiologi yaitu mikroorganisme, yang meliputi bakteri, virus, jamur, protozoa. Cabang ilmu mikrobiologi ada yang didasarkan pada kelompok mikroba yang dipelajari, seperti bakteriologi, virologi dan mikologi (Gambar 1.1.).
A B C Gambar 1.1. Mikroorganisme yang dipelajari dalam mikrobiologi, antara lain: bakteri (A), mikrofungi (B) dan virus (C) Mikrobiologi dibagi menjadi dua bidang besar, yaitu: a. Mikrobiologi dasar Bidang mikrobiologi dasar mempelajari berbagai struktur fisik dan reaksi kimia mikroorganisme. Banyak proses biokimia pada mikroorganisme juga terjadi pada organisme multiseluler, sehingga mikroorganisme dapat menjadi model dalam mempelajari proses biokimia dan genetik pada organisme lainnya. Hal ini juga didukung oleh kemampuan reproduksi mikroorganisme yang tinggi. b. Mikrobiologi terapan Bidang mikrobiologi terapan mempelajari penggunaan ilmu mikrobiologi dalam memecahkan masalah praktis dalam kedokteran, pertanian dan industri. Berbagai penyakit infektif pada manusia, hewan dan tumbuhan, disebabkan oleh mikroorganisme. Mikroorganisme juga berperan penting dalam menentukan kesuburan tanah. Dalam bidang industri, mikroorganisme berperan dalam produksi antibiotik dan protein. Sebagai bagian dari ekosistem, mikroorganisme juga banyak berperan dalam siklus energi dan kondisi lingkungan. 1
1.2. PERKEMBANGAN MIKROBIOLOGI Perkembangan mikrobiologi ditandai oleh beberapa peristiwa penting, yaitu: a. Penemuan mikroskop b. Jatuhnya teori Generatio Spontanea / Abiogenesis c. Pembusukan disebabkan oleh mikroorganisme (germ theory of fermentation) d. Penyakit disebabkan oleh bibit penyakit (germ theory of desease)
a. Penemuan mikroskop Pada tahun 1664 Robert Hooke berhasil menggambarkan struktur kapang menggunakan mikroskop temuannya (Gambar 1.2.). Namun Antonie van Leeuwenhoek dari Belanda dianggap sebagai orang yang pertama kali dapat melihat mikroorganisme secara detail pada tahun 1682. Menggunakan mikroskop temuannya dengan lensa pembesaran 300 kali, Leeuwenhoek mengamati air hujan, air laut, air vas dan kotoran gigi. Leeuwenhoek menyebut makhluk yang dilihatnya sebagai animalcule (hewan kecil) dan melaporkannya ke Royal Society of London pada tahun 1684 (Gambar 1.3.).
Gambar 1.2. Mikroskop yang digunakan oleh Robert Hooke
b. Jatuhnya teori Generatio Spontanea / Abiogenesis Laporan mengenai mikroorganisme oleh Leeuwenhoek kembali menimbulkan perdebatan mengenai asal usul mikroorganisme yang dilihatnya. Sebagian orang percaya bahwa mikroba yang dilihat Leeuwenhoek merupakan hasil perubahan yang terjadi pada makanan. Proses yang menunjukkan munculnya makhluk hidup dari makhluk tak hidup disebut abiogenesis. Konsep tersebut mendukung teori generatio spontanea, yang menyebutkan bahwa makhluk hidup dapat muncul dengan sendirinya dari makhluk tak hidup.
2
A
B
Gambar 1.3. Mikroskop yang dibuat Antonie van Leeuwenhoek (A) dan gambar yang dibuatnya (B). Gambar sederhana yang dibuat Leeuwenhoek sudah menunjukkan bentuk bakteri: batang dan bulat Teori generatio spontanea dibantah oleh Francesco Redi melalui penelitiannya pada tahun 1668. Redi menggunakan daging yang disimpan pada 3 wadah dengan cara penutupan yang berbeda: tanpa tutup, tertutup rapat dan tutup tidak rapat. Munculnya larva lalat pada daging pada wadah yang tidak tertutup membuktikan bahwa larva berasal dari telur yang diletakkan oleh lalat, bukan hasil dari generatio spontanea. Lalat tidak dapat meletakkan telur pada wadah yang tidak terbuka, sehingga larva tidak ditemukan (Gambar 1.4.). Proses munculnya makhluk hidup dari makhluk hidup lainnya seperti pada percobaan Redi disebut biogenesis. Namun demikian, telur lalat hanya dapat dilihat menggunakan alat bantu seperti mikroskop.
Gambar 1.4. Percobaan Redi yang membuktikan munculnya larva tidak terjadi dengan sendirinya dari daging 3
Pada tahun 1745, John Needham melakukan percobaan untuk membuktikan kebenaran teori generatio spontanea. Percobaan Needham ialah merebus air kaldu untuk membunuh makhluk hidup, dan kemudian membiarkannya dalam keadaan terbuka. Setelah beberapa waktu, pada permukaan air kaldu ditemukan mikroorganisme. Menurut Needham, adanya mikroorganisme pada permukaan air kaldu yang sudah direbus merupakan bukti bahwa makhluk hidup dapat muncul secara spontan dari benda mati, dalam hal ini air kaldu yang sudah direbus. Sementara itu Lazzaro Spallanzani pada tahun 1769 membuat percobaan dengan merebus air kaldu dan kemudian menutupnya. Setelah beberapa waktu, ternyata tidak ditemukan mikroorganisme pada air kaldu. Kesimpulan ini membuktikan bahwa abiogenesis keliru. Namun Needham tetap dengan pendapatnya dan beralasan bahwa udara sangat penting bagi kehidupan dan kemunculan makhluk hidup secara spontan. Menurut Needham, tidak munculnya mikroorganisme pada percobaan Spallanzani disebabkan karena udara tidak dapat masuk akibat labu ditutup. Jika tutp labu dibuka, setelah beberapa waktu akan ditemukan mikroorganisme di permukaan air kaldu (Gambar 1.5.).
Gambar 1.5. Percobaan Needham dan Spallanzani menggunakan air kaldu
Perdebatan mengenai asal usul makhluk hidup baru berhenti setelah Louis Pasteur (1822 -2 1895) berhasil membuktikan biogenesis melalui percobaannya menggunakan botol leher angsa (Gambar 1.6.). Selanjutnya orang mengakui bahwa semua kehidupan berasal dari telur dan semua telur berasal dari kehidupan (omne vivum ex ovo, omne ovum ex vivo).
c. Pembusukan disebabkan oleh mikroorganisme (germ theory of fermentation) Salah satu alasan Louis Pasteur membuktikan kekeliruan generatio spontanea didasarkan pada keyakinannya bahwa produk fermentasi buah anggur (minuman beralkohol) 4
merupakan hasil kerja mikroorganisme, bukan sebaliknya, fermentasi menghasilkan mikroorganisme. Sari buah anggur digunakan oleh mikroorganisme untuk melakukan serangkaian proses metabolisme, yang menghasilkan senyawa yang memberikan rasa dan aroma baru sehingga menjadi minuman anggur. Proses yang dilakukan mikroorganisme disebut dengan fermentasi.
Gambar 1.6. Percobaan Louis Pasteur menggunakan botol leher angsa menunjukkan mikroorganisme tidak akan tumbuh jika air kaldu tidak bersinggungan dengan debu (a) dan mikroorganisme akan muncul jika air kaldu bersinggungan dengan debu (b) Pada tahun 1950, Pasteur diminta membantu industri anggur Perancis, yang memiliki masalah kualitas minuman anggur yang tidak sama. Menurut Pasteur, beberapa mikroorganisme dapat terlibat dalam pembuatan anggur yang kadang-kadang menghasilkan asam laktat, bukan etanol. Adanya asam laktat dalam minuman anggur menurunkan kualitas produksi. Untuk mengatasinya, Pasteur memanaskan sari buah anggur dengan suhu 50 – 60C dengan tujuan membunuh mikroorganisme yang tidak dikehendaki. Setelah itu baru 5
ditambahkan minuman anggur yang mengandung mikroorganisme tertentu, sehingga kualitas minuman anggur menjadi terjaga. Proses pemanasan serupa digunakan oleh industri makanan modern sekarang ini, dan dikenal dengan pasteurisasi. Teknik pengendalian mikroorganisme lainnya baik pada bahan maupun proses tertentu berkembang terus dan dikenal dengan sterilisasi (Gambar 1.7.).
A
B
Gambar 1.7. Fermentasi karbohidrat dari jagung menghasilkan minuman bir (A) Proses pasteurisasi susu di industri modern (B) Penelitian Louis Pasteur selanjutnya berkembang pada peranan mikroorganisme pada bidang kedokteran, dengan dikembangkannya vaksin antraks, kolera dan rabies. Penemuan ini memberikan dasar bagi pemahaman teori yang muncul kemudian, yaitu bahwa penyakit dapat disebabkan oleh mikroorganisme tertentu.
d. Penyakit disebabkan oleh kuman (germ theory of desease) Teori yang menyebutkan bahwa mikroorganisme dapat menimbulkan penyakit dirumuskan setelah berbagai penelitian yang dilakukan oleh Robert Koch (1843 – 1910). Koch mempelajari bahwa penyakit antraks, penyakit pada hewan yang dapat menular pada manusia, disebabkan oleh bakteri Bacillus anthracis. Koch menemukan bakteri B. anthracis selalu ada pada darah hewan yang menunjukkan gejala penyakit antraks. Selanjutnya jika darah hewan yang menderita antraks diinjeksikan ke tubuh hewan lain yang sehat, maka hewan tersebut akan menderita antraks. Koch juga berhasil mengembangbiakan bakteri B anthracis di luar tubuh hewan dengan menggunakan cairan nutrisi. Berdasarkan berbagai hasil penelitiannya, Robert Koch merumuskan postulat Koch, untuk membuktikan bahwa
6
mikroorganisme tertentu merupakan penyebab penyakit tertentu, sebagai berikut (Gambar 1.8.): 1. Mikroorganisme selalu ditemukan pada tubuh semua penderita penyakit dan tidak ditemukan pada tubuh yang sehat 2. Mikroorganisme tersebut dapat diisolasi dari orang yang terinfeksi dan ditumbuhkan dalam biakan murni 3. Jika mikroorganisme dari biakan murni tersebut diinokulasikan ke tubuh yang sehat, maka menimbulkan gejala penyakit yang sama 4. Jika mikroorganisme itu diisolasi lagi dari hewan yang diinfeksi secara percobaan, maka menunjukkan ciri serupa dengan mikroorganisme yang pertama kali diperoleh dari penderita
Gambar 1.8. Tahapan postulate Koch
1.3. PERKEMBANGAN TEKNIK LABORATORIUM Penemuan berbagai jenis mikroorganisme selanjutnya dimungkinkan sejalan dengan berbagai penemuan teknik laboratorium mikrobiologi. Para penemu dan teknik penting itu antara lain ialah: a. Paul Ehrlich (1854 - 1915), menemukan teknik mewarnai sel bakteri, untuk identifikasi 7
b. Richard J. Petri (1852 – 1951), menemukan cawan bertutup untuk memelihara biakan dalam medium agar (Gambar 1.9.) c. Martinus Beijerinck (1851 - 1931), menemukan medium diperkaya (enrichment medium) untuk isolasi mikroorganisme dari air dan tanah, yang jumlahnya sangat sedikit d. Serge Winogradsky (1856 – 1953), menemukan proses metabolisme tertentu yang dapat dilakukan oleh bakteri yang diisolasinya
Gambar 1.9. Cawan petri sebagai tempat biakan dengan medium agar
1.4. PERKEMBANGAN CABANG ILMU MIKROBIOLOGI Pada abad 20, perkembangan mikrobiologi berjalan dengan sangat pesat dan terpisah menjadi dua bidang besar, yaitu mikrobiologi dasar dan mikrobiologi terapan. Dalam bidang mikrobiologi terapan postulat Koch mendorong pada berkembangnya ilmu mikrobiologi kedokteran dan immunologi, dengan ditemukannya berbagai jenis mikoorganisme patogen dan diketahuinya mekanisme penularan serta kekebalan sebagai respon tubuh terhadap infeksi. Mikrobiologi pertanian berkembang sebagai kelanjutkan berbagai penemuan Beijerinck dan Winogradsky yang banyak mempelajari jenis dan prose mikroorganisme tanah dan air, baik yang menguntungkan maupun merugikan bagi pertumbuhan tanaman. Setelah berakhirnya perang dunia II, berkembang pula mikrobiologi industri, yang mengarah pada penemuan dan pemanfaatan mikroorganisme yang memiliki kemampuan menghasilkan antibiotik dan komoditi kimia lainnya (Gambar 1.10). Mikrobiologi perairan merupakan cabang mikrobiologi yang mempelajari cara mendapatkan air yang aman dikonsumsi dan pengolahan limbah, sementara ekologi mikrobial mempelajari keanekaragaman jenis dan aktivitas mikroorganisme di alam.
8
A B Gambar 1.10. Virus avian influenza (A) dan antibiotik berbagai produk fermentasisebagai hasil pekembangan ilmu mikrobiologi industri (B) Bidang mikrobiologi dasar terus berkembang menjadi berbagai cabang ilmu lainnya, terutama berkaitan dengan prinsip dasar dan fungsi berbagai jenis mikroorganisme. Sistematik mikrobial banyak mempelajari penemuan dan klasifikasi berbagai jenis mikroorganisme, sementara fisiologi mikrobial lebih banyak mempelajari nutrisi yang diperlukan dan hasil metabolisme mikroorganisme. Biokimia mikrobial berkembang sejalan dengan meningkatnya pemahaman mengenai struktur dan sifat kimia mikroorganisme (sitologi) dan diketahuinya berbagai jenis enzim dan reaksi yang dapat dilakukan mikroorganisme. Perkembangan mikrobiologi dasar meningkat dengan sangat pesat pada pertengahan abad 20 dengan berkembangya cabang genetika bakterial yang mempelajari variasi dan penurunan sifat pada bakteri (Gambar 1.11.). Pemahaman mengenai struktur DNA, RNA dan sintesis protein pada bakteri mendorong berkembangnya ilmu biologi molekular. Pada saat yang sama, para ahli mulai memahami cara hidup virus, termasuk virus yang menginfeksi bakteri yang disebut bakteriofag. Setelah tahun 1970, pengetahuan mengenai proses dasar pada bakteri yang meliputi fisiologi, biokimia dan genetik sudah mencapai tahap ketika para ilmuwan dapat melakukan manipulasi materi genetik suatu sel, dengan bakteri sebagai objek penelitian. Perkembangan ini mendorong munculnya cabang ilmu bioteknologi, yang banyak memanfaatkan kemampuan mikroorganisme untuk meningkatkan kesejahteraan umat manusia.
9
A
B
Gambar 1.11. Materi genetik bakteri (A) dan tomat transgenik sebagai hasil perkembngan ilmu bioteknologi (B)
10
