Gambaran Umum dan Aplikasi - Bacillus Subtilis
Bacillus subtilis adalah jenis spesies dari genus Bacillus yang umum ditemukan di lingkungan yang beragam mulai dari tanah hingga saluran pencernaan sapi dan manusia.
Ini adalah Gram-positif, berbentuk batang, pembentuk spora, dan anaerob fakultatif yang merupakan spesies Bacillus yang paling sering diisolasi dari sampel lingkungan.
B. subtilis telah dipelajari secara ekstensif sebagai model untuk diferensiasi sel dan rekayasa dalam bioteknologi. Ia juga dikenal hay Bacillus atau grass Bacillus karena tersebar luas di berbagai jenis rumput dan sumber jerami.
B. subtilis adalah bakteri Gram-positif yang paling banyak dipelajari karena dipelajari sebagai organisme model untuk studi mengenai replikasi dan transformasi kromosom bakteri. Ini ada di mana-mana dalam distribusi yang difasilitasi oleh resistensi bakteri terhadap dingin, panas, dan desinfektan umum.
Bacillus subtilis
- Sebagian besar spesies B. subtilis tidak patogen dan tidak terkait dengan infeksi, tetapi beberapa strain telah dikaitkan dengan penyakit neoplastik seperti pneumonia fatal dan bakteremia, septikemia, dan infeksi tumor aksila nekrotik pada kanker payudara. Beberapa strain juga terlibat dalam penyakit bawaan makanan dan kasus mastitis bovine dan aborsi ovine.
- B. subtilis pertama kali diisolasi pada tahun 1835 oleh Ehernberg yang juga menamai bakteri tersebut, Vibrio subtilis, tetapi kemudian direklasifikasi dan diberi nama oleh Cohn pada tahun 1872. Nama spesies 'subtilis' adalah kata Latin yang berarti 'ramping' yang menunjukkan batang panjang -bentuk struktur bakteri
- B. subtilis dianggap sebagai bakteri industri penting karena banyak digunakan dalam bioteknologi karena peningkatan ekspresi dan sekresi enzim oleh bakteri. Selain itu, juga digunakan dalam industri makanan sebagai penambah rasa, pemanis, dan pakan ternak. B. subtilis diklasifikasikan lebih lanjut menjadi dua subspesies; Bacillus subtilis subsp. subtilis dan Bacillus subtilis subsp. spizizenii.
Klasifikasi Bacillus subtilis
- Genus Bacillus milik keluarga Bacillaceae berdasarkan analisis filogenetik dari urutan gen 16S rRNA.
- Keluarga ini terdiri dari Bacillus dan 18 genera lainnya, yang sebagian besar adalah kemoorganotrof aerobik atau anaerobik fakultatif.
- Genus Bacillus terdiri dari lebih dari 100 spesies berbeda yang dikelompokkan ke dalam kelompok yang dapat dikelola dan didefinisikan dengan lebih baik.
- Klasifikasi awal spesies Bacillus didasarkan pada karakteristik fenotipik, Kultur, dan metabolisme bakteri.
- Pengelompokan spesies didasarkan pada kesamaan sekuens gen 16S rRNA dan DNA-DNA hybridization.
- B. subtilis termasuk dalam kelompok 1 Bacillus, dan berkerabat dekat dengan spesies lain seperti B. licheniformis dan kelompok patogen spesies Bacillus termasuk B. cereus, B. anthracis, dan B. thuringiensis.
- Kelompok 1 spesies Bacillus terdiri dari spesies yang berbeda yang secara industri penting untuk produksi senyawa yang berbeda.
- Spesies B. subtilis selanjutnya diklasifikasikan menjadi dua subspesies; B. subtilis subsp. subtilis dan Bacillus subtilis subsp. spizizenii. Subspesies ini tidak dapat dibedakan berdasarkan karakteristik fenotipik dan memerlukan analisis genotip.
Berikut klasifikasi taksonomi B. subtilis:
Domain Bacteria
Phylum Firmicutes
Class Bacilli
Order Bacillales
Family Bacillaceae
Genus Bacillus
Species B. subtilis
Habitat Bacillus subtilis
- Bacillus tersebar di mana-mana dan ditemukan di berbagai habitat di seluruh dunia, mulai dari tanah hingga tubuh manusia dan hewan.
- Sebagian besar bakteri pembentuk endospora aerobik seperti Bacillus adalah saprofit yang didistribusikan di lingkungan alami dalam bentuk spora.
- Namun, beberapa mungkin ditemukan di permukaan bernyawa seperti jaringan sebagai patogen oportunistik atau obligat.
- Habitat terpenting B. subtilis adalah tanah dengan berbagai jenis, mulai dari asam hingga basa, dingin hingga panas, dan subur hingga gurun. Jenis strain yang hidup di habitat tergantung pada kandungan air dan deposit.
- Ketersediaan B. subtilis di lingkungan yang berbeda disebabkan oleh distribusi spora bakteri dalam bentuk aerosol.
- Selain itu, B. subtilis dapat bertahan hidup pada kisaran suhu yang berbeda dari 15°C hingga 55°C.
- Beberapa jenis B. subtilis dapat ditemukan sebagai kontaminan di mana-mana makanan, air, dan lingkungan yang alami, domestik, industri, dan rumah sakit.
- Endospora yang dibentuk oleh B. subtilis tahan terhadap agen fisik dan kimia seperti suhu, desinfektan, antibiotik, dan senyawa beracun.
- Spora bakteri juga ditemukan dalam konsentrasi tinggi dalam makanan kering seperti rempah-rempah, susu bubuk, dan produk lainnya.
- Spora ini tersebar dengan mudah oleh angin, yang memungkinkan spora untuk bermigrasi ke jarak jauh dan menemukan relung ekologi baru.
- B. subtilis merupakan organisme heterotrofik yang diisolasi dari lingkungan dengan ketersediaan hara dan kondisi lingkungan yang kompleks.
- Keberadaan B. subtilis di tanah dan daerah rizosfer mungkin ada dalam hubungan dekat dengan tanaman dengan membantu dalam produksi fitohormon dan peningkatan bintil akar.
- Beberapa spora B. subtilis juga dapat ditemukan di permukaan hewan seperti saluran usus manusia dan permukaan kulit dan dapat diisolasi dari sampel seperti kotoran manusia.
Morfologi Bacillus subtilis
- Bacillus subtilis adalah Gram-positif, bakteri berbentuk batang yang merupakan spesies jenis genus Bacillus, umumnya digunakan sebagai organisme model untuk menggambarkan struktur spesies yang berbeda dari genus.
- Sel-sel B. subtilis adalah batang motil Gram-positif yang membentuk spora elips hingga silindris yang terdapat di pusat atau parasentral dalam sporangia yang membengkak. Spora terlihat di dalam sel yang tidak aktif melalui pewarnaan spora.
- Sebuah endospora tunggal hadir dalam sel, dan spora ini sangat tahan terhadap kondisi lingkungan yang merugikan.
- Sel-selnya berbentuk bulat dan bervariasi dalam ukuran berkisar antara 0,7-0,8 µm × 2,0-3,0 µm.
- Susunan selnya kebanyakan tunggal atau berpasangan; B. subtilis jarang membentuk rantai. Sel-selnya motil dengan flagela peritrichous.
- Meskipun B. subtilis awalnya dianggap aerob obligat, tetapi berdasarkan temuan yang lebih baru, ini diketahui sebagai anaerob fakultatif.
- Kebanyakan strain B. subtilis tidak berkapsul, tetapi beberapa strain menghasilkan kapsul yang tersusun dari asam poliglutamat atau polisakarida.
- Produksi asam poli-γ-glutamat oleh B. subtilis terjadi selama fase stasioner pertumbuhan.
- Dinding sel sel B. subtilis terdiri dari unit peptidoglikan dengan jenis ikatan yang paling umum adalah meso-diaminopimelic acid.
- Ikatan silang terbentuk dalam bentuk ikatan peptida antara asam diamino pada posisi 3 dari satu subunit dan D-alanin pada posisi 4 dari subunit peptida tetangga.
- Di bawah dinding sel adalah membran sel yang terdiri dari lipid bilayer dan struktur protein yang menentukan fluiditas membran.
- Sitoplasma terdiri dari kromosom melingkar, mitokondria, dan kloroplas yang didistribusikan ke seluruh sel.
- Protein pembentuk filamen hadir di sepanjang sumbu sel yang lebih panjang yang mendorong DNA yang baru direplikasi setelah pembelahan sel.
- Genom B. subtilis panjangnya 4214810 bp dengan sekitar 4000 gen penyandi protein. Kandungan G+ C bakteri tersebut berkisar antara 40-45%.
Karakteristik Kultur Bacillus subtilis
- Morfologi koloni B. subtilis sangat bervariasi, di dalam dan di antara galur-galur yang dapat memberikan penampilan kultur campuran selama pertumbuhan pada media buatan.
- Terlepas dari keragamannya, koloni spesies Bacillus dapat dikenali dengan mudah pada cawan agar.
- Pertumbuhan pada media sederhana seperti agar nutrisi dapat menyebabkan pertumbuhan bakteri yang berkerumun melalui plate. Hal ini dapat dihindari dengan meningkatkan kandungan agar-agar pada media.
- Spesies Bacillus biasanya memiliki kebutuhan nutrisi sederhana yang memungkinkan pertumbuhannya dalam media non-selektif sederhana seperti Nutrient Agar.
- Suhu optimum untuk pertumbuhan B. subtilis adalah 28-30°C dengan suhu minimum 5-20°C dan suhu maksimum 45-55°C.
- Isolat B. subtilis dari sampel makanan optimal pada suhu 20-25°C, sedangkan dari sampel klinis tumbuh baik pada suhu 35°C.
- Pertumbuhan B. subtilis dapat dilihat dalam kisaran pH 5,5 hingga 8,5, tetapi pertumbuhan beberapa galur mungkin terbatas bahkan dalam kisaran tersebut.
- Pertumbuhan B. subtilis dapat terjadi pada media minimal dengan glukosa dan garam amonium sebagai satu-satunya sumber karbon dan nitrogen, masing-masing.
- Sebagian besar strain dapat mentolerir 7% NaCl dalam medium, tetapi beberapa dapat mentolerir hingga 10% NaCl.
- Dalam kultur cair, LB broth biasanya digunakan untuk kultur B. subtilis. Pertumbuhan diamati dalam bentuk kekeruhan, dan sel-sel mulai menetap saat pertumbuhan berhenti.
Berikut ini adalah beberapa ciri kultur B. subtilis pada media kultur yang berbeda:
1. Bacillus subtilis dalam Nutrient Agar
- Koloni B. subtilis pada media agar berbentuk bulat sampai tidak beraturan. Isolat yang diperoleh dari sampel tanah cenderung membentuk pertumbuhan berkerumun di seluruh pelat.
- Ukuran koloni juga bervariasi dengan diameter antara 2-3 mm karena kultur yang lebih muda cenderung lebih besar dan koloni yang lebih tua mengecil ukurannya.
- Koloni memiliki margin yang bervariasi dari bergelombang hingga fimbriate. Koloninya buram dengan permukaan yang kusam atau bahkan berkerut.
- Warna koloni sebagian besar putih tetapi dapat berkisar antara krem dan coklat. Beberapa strain menghasilkan pigmen yang bervariasi seperti krem, kuning, oranye, merah muda, dan merah hingga coklat dan hitam tergantung pada sumber atau sampelnya.
- Pigmen ini sering terlihat pada agar kentang atau media agar yang mengandung glukosa.
- Strain yang menghasilkan pigmen coklat atau hitam sebelumnya disebut Bacillus subtilis var aterrimus, sedangkan yang menghasilkan pigmen hitam kecoklatan pada media yang mengandung tirosin bernama B. subtilis var niger.
2. Bacillus subtilis dalam Agar Blood
- B. subtilis membentuk koloni berwarna abu-abu atau putih yang berbentuk bulat, buram, pipih, dan kering pada agar darah yang ditambah 5% darah kelinci.
- Koloni berukuran sedang (berdiameter antara 3-4 mm) yang sering mengering di permukaan saat kultur mengering.
- Sebagian besar strain B. subtilis menunjukkan -hemolisis berupa pembersihan media dengan hemolisis sel darah merah. Ini lebih sering terjadi pada B. subtilis yang diperoleh dari sampel klinis daripada dari sampel lingkungan.
3. Bacillus subtilis dalam Tryptic Soy Agar
- Koloni B. subtilis berwarna putih hingga krem diperoleh pada Tryptic Soy Agar. Koloni berbentuk lingkaran atau tidak beraturan tergantung pada strain dan kondisi pertumbuhan.
- Koloni memiliki margin yang tidak teratur, dan sebagian besar rata. Permukaannya buram dan berlendir.
- Pada agar-agar ini, pertumbuhan optimal terjadi pada suhu 35°C dalam kondisi aerobik. Beberapa spesies mungkin anaerobik fakultatif dan mungkin tumbuh lebih baik pada sekitar 2% CO2.
Karakteristik Biokimia Bacillus subtilis
Karakteristik biokimia B. subtilis dapat ditabulasikan sebagai berikut:
S.N | Biochemical Characteristics | Bacillus subtilis |
1. | Capsule | Most strains are non-capsulated, but some might contain a polyglutamic capsule. |
2. | Shape | Rod |
3. | Gram Staining | Gram-Positive |
4. | Catalase | Positive (+) |
5. | Oxidase | Variable |
6. | Citrate | Positive (+) |
7. | Methyl Red (MR) | Negative (-) |
8. | Voges Proskauer (VR) | Positive (+) |
9. | OF (Oxidative-Fermentative) | Facultative Heterofermentative |
10. | Coagulase | Positive (+) |
11. | DNase | Negative (-) |
12. | Urease | Negative (-) |
13. | Gas | Negative (-) |
14. | H2S | Negative (-) |
15. | Hemolysis | β-hemolytic |
16. | Motility | Motile with peritrichous flagella |
17. | Nitrate Reduction | Positive (+) |
18. | Gelatin Hydrolysis | Positive (+) |
19. | Pigment Production | Positive (+) |
20. | Indole | Negative (-) |
21. | TSIA (Triple Sugar Iron Agar) | Alkali/Alkali (Red/ Red) |
22. | Spore | Endospore-forming |
Fermentasi
S.N | Substrate | Bacillus subtilis |
1. | Adonitol | Negative (-) |
2. | Arabinose | Positive (+) |
3. | Cellobiose | Positive (+) |
4. | Dulcitol | Negative (-) |
5. | Fructose | Positive (+) |
6. | Galactose | Positive (+) |
7. | Glucose | Positive (+) |
8. | Glycerol | Positive (+) |
9. | Glycogen | Positive (+) |
10. | Hippurate | Negative (-) |
11. | Inulin | Positive (+) |
12. | Inositol | Positive (+) |
13. | Lactose | Positive (+) |
14. | Malonate | Positive (+) |
15. | Maltose | Positive (+) |
16. | Mannitol | Positive (+) |
17. | Mannose | Positive (+) |
18. | Melibiose | Variable |
19. | Pyruvate | Negative (-) |
20. | Raffinose | Positive (+) |
21. | Rhamnose | Negative (-) |
22. | Ribose | Positive (+) |
23. | Salicin | Positive (+) |
24. | Sorbitol | Positive (+) |
25. | Starch | Positive (+) |
26. | Sucrose | Positive (+) |
27. | Trehalose | Positive (+) |
28 | Xylose | Positive (+) |
Reaksi Enzimatik
S.N | Enzymes | Bacillus subtilis |
1. | Acetoin | Positive (+) |
2. | Acetate Utilization | Positive (+) |
3. | Tyrosine Hydrolysis | Negative (-) |
4. | Lecithinase | Negative (-) |
5. | Casein Hydrolysis | Positive (+) |
6. | Esculin Hydrolysis | Positive (+) |
7. | Lysine | Negative (-) |
8. | Ornithine Decarboxylase | Negative (-) |
9. | Phenylalanine Deaminase | Negative (-) |
B. subtilis dapat menguraikan pektin dan polisakarida yang berasal dari tumbuhan. Dekstran dan levan terbentuk ekstraseluler dari sukrosa selama degradasi karbohidrat.
Faktor Virulensi Bacillus subtilis
- Bacillus subtilis tersebar di mana-mana dan ditemukan di berbagai wilayah lingkungan seperti udara, air, tanah, dan bahkan permukaan tubuh hewan dan manusia.
- Kemampuan bakteri untuk mengikat dan menjajah berbagai bagian tubuh manusia dan hewan menunjukkan kemungkinan faktor virulensi bakteri.
- Namun, penelitian yang berbeda telah menunjukkan bahwa kolonisasi permukaan tubuh manusia tidak melibatkan mekanisme berbeda yang mungkin terlibat dalam produksi penyakit.
- Faktor virulensi yang mungkin dari B. subtilis adalah produksi toksin karena bakteri menghasilkan enzim lecithinase yang telah terbukti terlibat dalam keracunan makanan.
- Selain itu, B. subtilis juga menghasilkan toksin ekstraseluler yang disebut subtilisin yang merupakan senyawa protein yang mampu menyebabkan reaksi alergi pada beberapa individu.
- Reaksi-reaksi ini sering diamati pada individu dengan gangguan kekebalan ketika mereka terpapar racun tersebut secara teratur.
- Kasus alergi dan reaksi hipersensitivitas, termasuk dermatitis dan gangguan pernapasan, sering diamati setelah penggunaan produk cucian yang dibuat dengan toksin tersebut.
- Virulensi B. subtilis, serta toksin B. subtilis, relatif rendah dan diperkirakan bahwa bakteri tidak menghasilkan enzim atau toksin dalam jumlah yang signifikan.
Peran Bacillus subtilis pada penyakit hewan dan tumbuhan
- Bacillus subtilis telah diisolasi dari berbagai kasus aborsi bovine dan ovine, tetapi belum terlibat sebagai agen penyebab infeksi tersebut.
- Selain itu, B. subtilis telah dikaitkan dengan kasus mastitis sapi, tetapi jumlah kasus mastitis yang disebabkan oleh B. subtilis rendah jika dibandingkan dengan spesies lain.
- B. subtilis juga telah terbukti mampu menginfeksi dan menyebabkan kematian larva nyamuk instar ke-2.
- Kemampuan B. subtilis menyebabkan infeksi pada serangga menunjukkan potensi penggunaan B. subtilis sebagai agen biokontrol.
- B. subtilis tidak dianggap sebagai patogen tanaman, tetapi ada beberapa laporan mengenai keterlibatan B. subtilis dalam busuk lunak siung bawang putih.
- Berdasarkan laporan, diasumsikan bahwa B. subtilis mungkin terlibat dalam ulkreas kanker terbuka lebar pada pohon maple.
- Terjadinya B. subtilis baik pada hewan maupun tumbuhan cukup terbatas dan bukan merupakan agen penyebab utama.
Penggunaan industri / Aplikasi Bacillus subtilis
- Penggunaan spesies Bacillus sebagai mikroorganisme industri pekerja keras telah dilakukan selama ribuan tahun dengan aplikasi dalam mikrobiologi terapan.
- Tingkat pertumbuhan bakteri yang tinggi, siklus fermentasi yang pendek, dan kapasitas untuk mensekresi protein dan enzim ekstraseluler memungkinkan penggunaan Bacillus subtilis di berbagai industri.
- B. subtilis adalah salah satu dari sedikit spesies Bacillus yang dianggap “Generally Regarded as Safe” (GRAS) oleh Food and Drug Administration.
- Pengembangan dan eksploitasi B. subtilis dimungkinkan oleh informasi yang tersedia tentang biokimia dan genetika organisme.
Berikut ini adalah aplikasi industri B. subtilis dan produknya:
1. Enzim
- Diperkirakan bahwa Bacillus menyumbang sekitar 50% dari total enzim industri penting di dunia.
- Di antara semua spesies Bacillus, B. subtilis adalah spesies yang paling penting untuk aplikasi industri.
- Protease serin alkali (subtilisin) yang diproduksi oleh B. subtilis terutama digunakan dalam produksi deterjen rumah tangga.
- Organisme dan enzim alkalofilik dapat digunakan dalam produksi enzim tugas berat dengan toleransi alkali yang tinggi.
- Selain itu, B. subtilis netral menghasilkan protease yang merupakan zinc metalloproteinase dan memiliki aplikasi dalam modifikasi protein susu, kontrol nitrogen, ekstraksi mash dan penghilangan kabut dingin di industri pembuatan bir.
- Amilase dapat digunakan dalam sejumlah proses industri seperti makanan, fermentasi, tekstil dan industri kertas.
- -amilase memotong ikatan -1,4 internal secara internal untuk menghasilkan untaian karbohidrat yang lebih pendek yang kemudian dapat digunakan di berbagai industri.
- Demikian pula, β-amilase juga penting secara industri karena mereka beroperasi untuk menghilangkan unit maltosa secara eksternal.
- B. subtilis juga menghasilkan isomerase glukosa yang penting dalam tahap akhir pengolahan pati menjadi pemanis. Enzim ini penting untuk konversi sirup glukosa menjadi sirup jagung fruktosa tinggi.
- Enzim lain seperti selulase, kitinase, dan tannase juga memiliki kepentingan industri dalam industri kertas dan tekstil.
- B. subtilis adalah salah satu produsen protease basa yang paling kuat yang memiliki kisaran pH basa dan termostabilitas yang baik. Protease alkali digunakan dalam produksi deterjen dan dalam mengurangi, menghilangkan bulu, dan pemulihan perak dari film sinar-X.
- Varian enzim B. subtilis telah disiapkan secara komersial melalui rekayasa protein untuk menghasilkan enzim dengan kinerja yang lebih baik.
2. Antibiotik
- Spesies B. subtilis yang berbeda menghasilkan berbagai kelas antibiotik yang efektif melawan bakteri Gram-positif dan Gram-negatif yang berbeda. Senyawa diproduksi selama tahap awal sporulasi.
- B. subtilis juga telah digunakan untuk mengangkut kelompok gen biosintetik bacitracin dari spesies Bacillus lain seperti B. licheniformis untuk menghasilkan senyawa yang lebih efisien.
- B. subtilis menghasilkan senyawa antimikroba lain seperti subtilin, bacilysin, subsporin, lipooligopeptida, dan rhizocticins.
- Surfaktin antibiotik lipopeptida juga diproduksi oleh B. subtilis yang memiliki potensi aktivitas antitumor, antivirus, antibakteri, dan hipokolesterolemia.
3. Nukleotida purin
- Nukleotida dan nukleosida purin memiliki aplikasi di berbagai industri seperti obat-obatan dan sebagai penambah rasa.
- B. subtilis menghasilkan nukleosida dengan fosforilasi kimia berikutnya. Dalam beberapa kasus, mutan B. subtilis digunakan untuk menghasilkan inosin yang dengan mudah melewati membran sel ke dalam media ekstraseluler.
- Selain inosin, B. subtilis juga digunakan untuk produksi nukleotida lain seperti guanosin, riboflavin, dan asam folat.
4. Vitamin
- Beberapa galur B. subtilis dapat digunakan untuk produksi terbatas beberapa vitamin melalui fermentasi.
- Proses seperti kloning riboflavin, cobalamin, dan biosintesis biotin dimanfaatkan untuk memproduksi vitamin secara komersial.
- Pada B. subtilis, deregulasi sintesis purin dan mutasi pada flavokinase-flavin adenine dinucleotide synthetase diperlukan untuk menghasilkan riboflavin dari B. subtilis.
- Teknik DNA rekombinan, bersama dengan strategi fermentasi, digunakan untuk mengembangkan kadar riboflavin yang penting secara komersial dalam B. subtilis.
5. Asam poli-γ-glutamat
- Asam -poliglutamat adalah homopoliamida anionik alami yang terdiri dari unit asam D- dan L-glutamat yang dihubungkan oleh ikatan amida.
- Asam adalah senyawa yang larut dalam air, dapat dimakan, dan dapat terurai secara hayati dengan aplikasi di berbagai industri seperti makanan, kosmetik, dan bidang medis.
- Asam poli-γ-glutamat dan turunannya digunakan sebagai pengental, humektan, krioprotektan, pembawa obat dan penyerap logam berat.
- Selain itu, juga dapat digunakan untuk pengolahan air limbah sebagai flokulan biopolimer serta aditif pakan ternak.
6. D-Ribosa
- D-Ribose sering digunakan sebagai penambah rasa dalam berbagai produk industri seperti kosmetik, farmasi, makanan dan pakan ternak.
- Ini juga memiliki aplikasi dalam pengobatan iskemia miokard dan nyeri otot.
- Beberapa strain B. subtilis dapat menghasilkan D-ribosa melalui fermentasi yang dapat ditingkatkan dengan menerapkan teknologi rekayasa genetika.
No comments