Bioteknologi dengan Menggunakan Mikroorganisme

Pada umumnya bioteknologi menggunakan mikroorganisme karena dapat tumbuh dengan cepat, mengandung protein yang cukup tinggi, dapat menggunakan produk-produk sisa sebagai substratnya misalnya dari limbah dapat menghasilkan produk yang tidak toksik dan reaksi biokimianya dapat dikontrol oleh enzim organisme itu sendiri. Bioteknologi dengan menggunakan mikroorganisme dapat menghasilkan makanan dan minuman, penghasil obat, pembasmi hama tanaman, pengolah limbah, pemisah logam dari bijih logam.

1. Industri Pangan

Proses fermentasi dari suatu organisme dapat mengubah suatu makanan dan minuman. Ingatlah kembali pelajaran Metabolisme, proses fermentasi merupakan perubahan enzimatik secara anaerob dari suatu senyawa organik dan menjadi produk organik yang lebih sederhana. Mengapa mikroorganisme dijadikan sebagai sumber makanan? Hal tersebut disebabkan mikroorganisme dapat tumbuh menjadi dua kali lipat dan juga massa mikroba minimal mengandung 40% protein dan memiliki kandungan vitamin dan mineral yang tinggi. Beberapa jenis mikroorganisme dalam produk makanan dan minuman adalah sebagai berikut:

a. Pembuatan Tape

Tape merupakan makanan hasil fermentasi yang mengandung alkohol. Makanan ini dibuat dari beras ketan ataupun singkong dengan jamur Endomycopsis fibuligera, Rhizopus oryzae, ataupun Saccharomyces cereviceae sebagai ragi. Ragi tersebut tersusun oleh tepung beras, air tebu, bawang merah dan putih, kayu manis. Sebelum membuat tape perlu diperhatikan untuk menghasilkan kualitas yang bagus, warnanya menarik, rasanya manis dan strukturnya lembut dengan menggunakan cara antara lain:

a. bahan dasar singkong atau beras ketan memiliki kualitas baik;
b. memperhitungkan macam dan banyak ragi yang digunakan;
c. memilih cara pemasakan bahan dasar (ditanak atau direbus);
d. memilih cara menyimpan tape (dengan plastik atau daun);
e memperhatikan keadaan lingkungan pada saat menyimpannya.

Adakalanya pembuatan tape ketan dilanjutkan yang akhirnya akan menghasilan brem, baik untuk diminum atau untuk kue.

b. Pembuatan Tempe

Tempe adalah makanan yang populer di negara kita. Meskipun merupakan makanan yang sederhana, tetapi tempe mempunyai atau mengandung sumber protein nabati yang cukup tinggi. Tempe terbuat dari kedelai dengan bantuan jamur Rhizopus sp. Jamur ini akan mengubah protein kompleks kacang kedelai yang sukar dicerna menjadi protein sederhana yang mudah dicerna karena adanya perubahan-perubahan kimia pada protein, lemak, dan karbohidrat. Selama proses fermentasi kedelai menjadi tempe, akan dihasilkan antibiotika yang akan mencegah penyakit perut seperti diare.

c. Pembuatan Oncom

Pernahkan Anda makan oncom? Oncom merupakan makanan yang dikenal di kawasan Jawa Barat. Oncom terbuat dari ampas tahu, yaitu ampas kedelai dengan bantuan jamur Neurospora sitophila. Jamur ini dapat menghasilkan zat warna merah atau oranye yang merupakan pewarna alami. Neurospora dapat mengeluarkan enzim amilase, lipase protease yang aktif selama proses fermentasi. Selain itu, juga dapat menguraikan bahan-bahan dinding sel ampas kacang kedelai, singkong, atau kelapa. Fermentasi ini juga menyebabkan terbentuknya sedikit alkohol dan berbagai ester yang beraroma sedap.

d. Pembuatan Kecap

Kecap terbuat dari kacang kedelai berwarna hitam. Untuk mempercepat fermentasi biasanya dicampurkan sumber karbohidrat atau energi yang berbentuk tepung beras atau nasi, sedangkan warna larutan kecap yang terjadi, tergantung pada waktu.

Perendaman kedelai dilakukan dalam larutan garam, maka pembuatan kecap dinamakan fermentasi garam. Fermentasi pada proses pembuatan kecap dengan menggunakan jamur Aspergillus wentii dan Rhizopus sp. Coba Anda perhatikan beberapa kecap di pasaran, ada yang kental, ada pula yang encer. Kecap yang kental karena banyak ditambahkan gula merah, gula aren, atau gula kelapa, sedangkan kecap yang encer dikarenakan mengandung lebih banyak garam. Ada juga kecap ikan, kecap udang, dan sebagainya. Itu bisa dilakukan karena selama proses pembuatan ada penambahan sari ikan ataupun sari udang ke dalamnya.

e. Pembuatan Asinan Sayur

Asinan sayuran merupakan sayuran yang diawetkan dengan jalan fermentasi asam. Bakteri yang digunakan adalah Lactobacillus sp., Streptococcus sp., dan Pediococcus. Mikroorganisme tersebut mengubah zat gula yang terdapat dalam sayuran menjadi asam laktat. Asam laktat yang terbentuk dapat membatasi pertumbuhan mikroorganisme lain dan memberikan rasa khas pada sayuran yang difermentasi atau sering dikenal dengan nama ‘acar’.

Bagaimana cara membuat asinan sayuran? Untuk mengetahuinya lakukan percobaan berikut ini:

Tujuan : Membuat asinan sayuran
Alat dan Bahan :

1. Kubis segar
2. Pisau
3. Stoples atau wadah yang bersih
4. Garam dan air

Cara Kerja :
1. Sediakan kubis segar sekitar 1-2 kg, rajang/iris-iris menjadi kecil dan tempatkan ke dalam tempat bersih yang ditutup misalnya stoples.

2. Tambahkan air bersih secukupnya ke dalam stoples, sampai menggenangi permukaan kubis.

3. Tambahkan garam dapur 2,5%, aduk hingga rata.

4. Bagian atas tempat ditutup dengan lembaran plastik yang diikat hingga tidak ada lubang untuk udara luar memasukinya.

5. Setelah 3 – 5 hari, ukurlah nilai derajat keasaman dengan menggunakan kertas pH. Jika sudah asam berarti proses tersebut sudah selesai dan siap digunakan. Dapat juga ditambahkan bumbu sesuai
dengan selera.

Catatan :
Jika derajat keasamannya sudah sesuai, berarti prosesnya berjalan dengan baik dan di dalam tempat didapatkan banyak asam organik, khususnya asam laktat yang dapat dipergunakan untuk pengawetan bahan makanan, sayuran, atau buah-buahan. Cobalah Anda membuat asinan dengan menggunakan buah misalnya mentimun!

f. Pembuatan Roti

Jika Anda makan roti atau donat, pernahkah Anda berpikir bila pembuatan roti atau donat itu sebenarnya juga melalui proses fermentasi? Proses fermentasi ini dibantu dengan bantuan yeast atau khamir yaitu sejenis jamur. Jika Anda mempunyai kesempatan memperhatikan pembuatan roti atau donat, maka adonan tepung akan mengembang. Mengapa bisa mengembang?

Yeast yang ditambahkan pada adonan tepung akan menjadikan proses fermentasi, yaitu akan menghasilkan gas karbon dioksida dan alkohol. Gas karbon dioksida tersebut dapat berguna untuk mengembangkan roti, sedangkan alkohol dibiarkan menguap. Selanjutnya, akan terlihat jika adonan tersebut dioven akan tampak lebih mengembang dan ukurannya membesar, hal ini dikarenakan gas akan mengembang jika temperatur tinggi. Hasilnya seperti yang Anda lihat roti akan berwarna kekuningan dan lembut, tetapi jika tidak beruntung roti akan keras dan padat (bantat), coba Anda pikirkan!

g. Pembuatan Keju

Pada umumnya keju disukai banyak orang. Keju dibuat dari air susu yang diasamkan dengan memasukkan bakteri, yaitu Lactobacillus bulgarius dan Streptococcus thermophillus. Untuk mengubah gula susu (laktosa) menjadi asam susu (asam laktat) susu dipanaskan terlebih dahulu pada suhu tertentu dengan maksud untuk membunuh bakteri yang berbahaya agar berhasil dalam proses pembuatannya. Selanjutnya, ditambahkan campuran enzim yang mengandung renin untuk menggumpalkan susu sehingga terbentuk lapisan, yaitu berupa cairan susu yang harus dibuang, sedangkan bagian yang padat diperas dan dipadatkan. Enzim tersebut akan menambah aroma dan rasa, juga akan mencerna protein dan lemak menjadi asam amino.

Pada umumnya keju dapat dikelompokkan menurut kepadatannya yang dihasilkan dalam proses pemasakan. Keju menjadi keras apabila kelembabannya kecil dan pemampatannya besar. Jika masa inkubasinya semakin lama, maka keasamannya makin tinggi sehingga cita rasanya makin tajam. Misalnya, keju romano, parmesan sebagai keju sangat keras, keju cheddar, swiss sebagai keju keras yang berperan Propioniobacterium sp., keju roqueorforti yang berperan Pennicilium reguerforti sebagai keju setengah lunak, keju camemberti sebagai keju lunak yang berperan Pennicilium camemberti.

h. Pembuatan Yoghurt

Yoghurt merupakan minuman yang terbuat dari air susu. Apabila dibandingkan dengan susu biasa, yoghurt dapat memberikan efek pengobatan terhadap lambung dan usus yang terluka. Selain itu, yoghurt dapat menurunkan kadar kolesterol dalam darah sehingga mencegah penyumbatan di pembuluh darah.

Dalam proses pembuatannya, air susu dipanaskan terlebih dahulu agar tidak terkontaminasi bakteri yang lain. Setelah dingin, ke dalam air susu dimasukkan bakteri Lactobacillus bulgaricus dan Streptococcus termophillus. Susu dibiarkan selama 4-6 jam pada suhu 38^oC – 44^o C atau selama 12 jam pada suhu 32^oC. Pada masa inkubasi akan dihasilkan asam laktat, asam inilah yang membuat yoghurt berasa asam, dapat juga ditambahkan dengan buah, kacang, atau rasa lain yang diinginkan.

Yoghurt mengandung jutaan bakteri menguntungkan sehingga sanggup menekan bakteri yang merugikan dalam saluran pencernaan, yoghurt juga lebih mudah dicerna dibandingkan susu biasa.

Beberapa jenis makanan hasil fermentasi dapat Anda lihat pada Tabel berikut ini!

Tabel Makanan Hasil Fermentasi

i. Minuman Beralkohol

Coba Anda sebutkan minuman yang beralkohol! Anggur dan bir merupakan sebagian dari contohnya. Mikroorganisme yang digunakan adalah khamir dari genus Saccharomyces. Minuman yang sangat terkenal yaitu anggur sebenarnya adalah buah anggur yang sudah mengandung gula sehingga dapat digunakan secara langsung oleh ragi selama proses fermentasi. Pada proses pembuatan minuman ini sudah tidak diperlukan tambahan gula lagi, apabila ingin menambah cita rasa dapat ditambahkan buah-buahan dan gula secukupnya.

Bakteri yang digunakan adalah bakteri yang bersifat asam laktat karena buah anggur mengandung asam malat yang tinggi. Bakteri tersebut akan mengubah asam malat menjadi asam laktat yang lemah dan proses ini disebut fermentasi malolaktat sehingga hasil minumannya memiliki rasa yang lebih baik dan sedikit asam. Coba Anda perhatikan proses pembuatannya pada Gambar berikut ini!

Proses pembuatan minuman anggur

Bir sebenarnya merupakan produk yang berasal dari tepung biji padi-padian yang difermentasi oleh ragi. Hanya ragi tersebut tidak bisa menggunakan tepung itu secara langsung. Cara pembuatannya, yaitu biji padi-padian dibiarkan untuk berkecambah terlebih dahulu, kemudian dikeringkan lalu digiling, hasilnya disebut dengan malt yang berupa glukosa dan maltosa, dan proses perubahan tersebut dinamakan dengan malting. Selanjutnya baru difermentasi oleh ragi menjadi etanol dan karbondioksida.

j. Protein Sel Tunggal (PST)

Mengingat jumlah penduduk yang semakin meningkat dan masalah penyediaan bahan pangan yang semakin berkurang terasa adanya ketidakseimbangan antara hasil pertanian dan kebutuhan, bahkan sumber protein yang belum mencapai sasaran sehingga diperlukan cara baru melalui teknologi dengan hasil teknoprotein yang dinamanakan Protein Sel Tunggal (PST).

Protein sel tunggal merupakan protein yang dihasilkan oleh mikroorganisme misalnya ganggang, bakteri dan berada di dalam sel mikroorganisme tersebut. Mikroorganisme tersebut memiliki protein yang beratnya mencapai 80% dari berat total sel. Jika mikroorganisme tersebut memiliki kemampuan reproduksi yang sangat cepat, maka akan dihasilkan protein dalam jumlah yang banyak dalam waktu yang singkat.

Protein sel tunggal

Contohnya :
a. Ganggang hijau Chlorella. Ganggang ini hidup di air tawar yang menghasilkan protein yang dapat dimanfaatkan untuk makanan tambahan.

b. Ganggang Spirulina juga merupakan sumber protein sel tunggal.

c. Bakteri Methylophillus methylotrophus, bakteri ini memilik kandungan protein, yaitu asam nukleat (asam inti) yang tinggi yang sulit dicerna, dapat diolah dan digunakan sebagai makanan ternak.

Jenis mikroba penghasil PST

Di bidang medis, penerapan bioteknologi di masa lalu dibuktikan antara lain dengan penemuan vaksin, antibiotik, dan insulin walaupun masih dalam jumlah yang terbatas akibat proses fermentasi yang tidak sempurna.

a.    Pembuatan vaksin

Pembuatan vaksin dilakukan melalui rekayasa genetika. Vaksin dibuat dengan mengisolasi gen yang mengkode antigen dari mikrobia yang bersangkutan. Gen tersebut disisipkan pada plasmid yang sama tetapi telah dilemahkan. Mikrobia yang telah disisipi gen tersebut akan membentuk antigen murni. Jika antigen ini disuntikkan pada tubuh manusia, sistem kekebalan tubuh akan membentuk antibodi yang berfungsi melawan antigen yang masuk ke dalam tubuh.
Selain bioteknologi modern, ada juga produk bioteknologi konvensional di bidang kesehatan yaitu antibiotik.

B. pembuatan antibiotik

Antibiotik merupakan zat kimia yang dihasilkan oleh mikroorganisme terutama bakteri dan jamur yang dapat menghambat pertumbuhan atau membunuh bakteri atau mikroorganisme yang lain. Dengan demikian, antibiotik digunakan untuk melawan infeksi bakteri atau jamur.

 Pembuatan antibiotik ini harus dalam lingkungan steril agar terhindar dari kontaminasi yang mungkin terjadi, sehingga pertumbuhan mikroorganisme yang diinginkan dapat optimal dan menghasilkan produk yang optimal juga. Antibiotik ini pertama kali ditemukan oleh Alexander Fleming yang diberi nama Penicilin yang dihasilkan oleh Penicillium. Jamur ini hidup dengan menyerap makanan dari lingkungan yang digunakan untuk metabolisme, bahkan dapat menghasilkan zat yang disekresikan ke lingkungannya dan dapat membunuh mikroorganisme lain. Beberapa kelompok dari antibiotik adalah sebagai berikut.

1) Penicilin
Penicilin ini dapat menghambat infeksi dengan mencegah terbentuknya dinding sel bakteri sehingga tidak membahayakan sel manusia. Jadi, apabila Anda sakit disebabkan oleh bakteri atau virus, maka penggunaan antibiotik ini tidak ada gunanya.

Komponen utama penicilin adalah penisilin G yang dapat diubah menjadi bentuk-bentuk lain. Penicilin G terdegradasi oleh asam lambung sehingga lebih baik penicilin diberikan melalui suntikan. Ada juga jenis penicilin yang tidak dipengaruhi oleh asam lambung, dapat berupa sirup atau tablet.

2) Tetrasiklin
Perlu Anda ketahui tetrasiklin dihasilkan dari bakteri Streptomycin aureofaciens. Tetrasiklin mengikat kalsium dan diakumulasi dalam tulang dan gigi yang sedang berkembang. Tetrasiklin aktif melawan bakteri yang memiliki larutan yang sama dengan penicilin.

3) Sefalosporin
Sefalosporin dihasilkan oleh jamur Cephalosporium. Sefalosporin yang terbaru sangat efektif untuk melawan bakteri yang resisten terhadap penicilin.

4) Eritromisin
Eritromisin bermanfaat untuk melawan bakteri yang resisten terhadap penicilin atau dapat digunakan untuk pasien yang alergi terhadap penicilin.

C. Pembuatan Hormon Insulin

Insulin adalah hormon yang mengubah glukosa menjadi glikogen, dan berfungsi mengatur kadar gula darah bersama hormon glukagon. Kekurangan insulin karena cacat genetik pada pankreas, menyebabkan seseorang menderita diabetes melitus (kencing manis) yang berdampak sangat luas terhadap kesehatan, mulai kebutaan hingga impotensi.

Sebelum ditemukan teknik sintesis insulin, hormon ini hanya bisa diperoleh dari ekstraksi pankreas babi atau sapi, dan sangat sedikit insulin bisa diperoleh. Setelah ditemukan teknik sintesis insulin di bidang bioteknologi inilah, harga insulin bisa ditekan dengan sangat drastis sehingga bisa membantu para penderita diabetes melitus.

Langsung saja perhatikan gambar berikut:

1. Pada proses pembuatan insulin ini, langkah pertama adalah mengisolasi plasmid dari E. coli. Plasmid adalah salah satu bahan genetik bakteri yang berupa untaian DNA berbentuk lingkaran kecil. Selain plasmid, bakteri juga memiliki kromosom. Keunikan plasmid ini adalah: ia bisa keluar-masuk ‘tubuh’ bakteri, dan bahkan sering dipertukarkan antar bakteri.

2. Pada langkah kedua ini plasmid yang telah diisolir dipotong pada segmen tertentu menggunakan enzim restriksi endonuklease. Sementara itu DNA yang di isolasi dari sel pankreas dipotong pada suatu segmen untuk mengambil segmen pengkode insulin. Pemotongan dilakukan dengan enzim yang sama.

3. DNA kode insulin tersebut disambungkan pada plasmid menggunakan bantuan enzim DNA ligase. Hasilnya adalah kombinasi DNA kode insulin dengan plasmid bakteri yang disebut DNA rekombinan.

4. DNA rekombinan yang terbentuk disisipkan kembali ke sel bakteri.

5. Bila bakteri E. coli berbiak, maka akan dihasilkan koloni bakteri yang memiliki DNA rekombinan.

Membuat strain murni DNA rekombinan

Setelah tumbuh membentuk koloni, bakteri yang mengandung DNA rekombinan diidentifikasi menggunakan probe. Probe adalah rantai RNA atau rantai tunggal DNA yang diberi label bahan radioaktif atau bahan fluorescent dan dapat berpasangan dengan basa nitrogen tertentu dari DNA rekombinan. Pada langkah pembuatan insulin ini probe yang digunakan adalah ARNd dari gen pengkode insulin pankreas manusia.

Untuk memilih koloni bakteri mana yang mengandung DNA rekombinan, caranya adalah menempatkan bakteri pada kertas filter lalu disinari dengan ultraviolet. Bakteri yang memiliki DNA rekombinan dan telah diberi probe akan tampak bersinar. Nah, bakteri yang bersinar inilah yang kemudian diisolasi untuk membuat strain murni DNA rekombinan. Dalam metabolismenya, bakteri ini akan memproduksi hormon insulin.