Kuliah 9 PERTUMBUHAN & PEMBELAHAN SEL FARMASI – UHAMKA 2013 Priyo Wahyudi

PERTUMBUHAN & PEMBELAHAN SEL a. Bentuk sel b. Pemanjangan, pembelahan c. Faktor-faktor yang mempengaruhi pertumbuhan (oksigen, nutrisi, pH, temperatur, osmolaritas)

Figure 27.0 Bacteria on the point of a pin

Bacterial Morphology Macroscopic/ Colonial morphology Colony’s characteristics: Colony’s Shape, Size, Edge/ Margin, Chromogenesis/ pigmentation, Opacity, Elevation, Surface, Consistency, Emulsifiability, Odor Observed on an agar plate Microscopic morphology Cellular morphology: Cell’s Shape, Size, Arrangement, Ultra-structure Observed under the microscope

Colonial Morphology Shape Edge Elevation Size Chromogenesis Opacity Surface Consistency Emulsifiability Odor

Shape Edge Elevation

Bacillus subtilis Colony shape and size: irregular Margin (edge): undulate (wavy) Elevation: umbonate Color: white, dull Texture: dry (or rough).

Staphylococcus aureus Colony shape and size: circular Margin (edge): entire Elevation: corvex Color: yellow Texture: butyrous (buttery)

Bentuk Sel Bakteri 1. Bulat /Coccus

Bentuk Sel Bakteri 2. Batang / Basil

Bentuk Sel Bakteri 3. Spiral

Figure 27.3 The most common shapes of prokaryotes * * * rod-like (bacillus or bacilli) spherical (coccus or cocci) helical (spirillum or spirilla)

Bentuk Sel Bakteri

Bentuk Sel Bakteri Bacillus: * Rod-shaped Coccus: * Sphere-shaped Spirillum: * Spiral-shaped

Bacteria Arrangements Diplo – paired cells  diplococci Strepto – chained cells  streptococci Staphylo – clustered cells  staphylococci

Pertumbuhan Bakteri Binary Fission Kurva Pertumbuhan Bakteri Pengukuran Pertumbuhan Pengukuran Masa Sel Pengukuran Jumlah Sel Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan pH Suhu Aw Oksigen

Binary Fission

Binary Fission

Binary Fission

Kurva Pertumbuhan Bakteri Stasioner Eksponensial (Logaritmik) Kematian Jumlah sel hidup Lag Waktu

Kurva Pertumbuhan Bakteri 1. Fase Lag Merupakan fase adaptasi bagi mikroba yang berada pada lingkungan baru. Terjadi sesaat setelah inokulasi sel mikroba ke dalam medium yang baru. Jumlah selnya belum berubah, karena belum terjadi perbanyakan/pembelahan sel. Namun demikian, sel melakukan pertumbuhan (perbesaran) baik ukuran dan volume, mensintesis ensim, protein dan peningkatan aktivitas metabolik, dll yang diperlukan untuk tahap pembelahan sel. Lama fase lag tergantung : jumlah inokulum, waktu recover dari kerusakan fisik atau shock saat transfer, waktu yang diperlukan untuk mensintesis koensim esensial atau faktor pembelahan sel, waktu yang diperlukan untuk mensintesis enzim baru (inducible) yang diperlukan untuk memetabolis substrat yang ada di medium.

Kurva Pertumbuhan Bakteri 2. Fase Eksponensial / Logaritmik Fase eksponensial / logaritmik merupakan fase dimana sel bakteri membelah diri (binary fission) dengan berlipat ganda dalam waktu yang cepat sehingga membentuk pola eksponensial (geometric progression). Sel akan membelah diri dengan laju yang cepat tergantung pada komposisi medium pertumbuhan dan kondisi inkubasi. Geometric progression: 1, 2, 4, 8, dst. Atau 20, 21, 22, 23.........2n ( n = jumlah generasi). Hal tersebut dinamakan pertumbuhan eksponensial. 

Kurva Pertumbuhan Bakteri 3. Fase Stasioner Pertumbuhan eksponensial tidak dapat berlanjut pada kultur batch (sistem tertutup, spt: pada tabung). Pertumbuhan populasi sel dibatasi oleh: Berkurangnya nutrien Akumulasi produk akhir atau metabolit yang bersifat inhibitor Berkurangnya ruang "biological space" Selama fase stasioner jumlah populasi sel tetap (jumlah sel yang mati sama dengan jumlah sel yang baru membelah) Pada fase stasioner ini bakteri mulai menghasilkan metabolit sekunder dan membentuk spora

Kurva Pertumbuhan Bakteri 4. Fase Kematian Jika inkubasi dilanjutkan setelah fase stasioner yang terjadi adalah fase kematian, dimana jumlah sel yang hidup berkurang dengan cepat. Hal ini disebabkan oleh keterbatasan 3 faktor tadi (makanan, metabolit sekunder dan keterbatasan ruan) Kematian sel terjadi secara eksponensial juga pada fase ini.

Pengukuran Pertumbuhan Bakteri Pengukuran Masa Sel Pengukuran Langsung Pengukuran fisik: berat kering atau berat basah dari volume sel setelah sentrifugasi. Pengukuran kimiawi: beberapa sifat kimiawi komponen sel seperti total N, total protein, atau total DNA. Pengukuran kekeruhan (turbiditas) terhadap suspensi sel. Turbiditas atau OD (optical density) suspensi sel berkaitan langsung dengan massa sel ataupun jumlah sel. Makin besar massa sel/jumlah sel makin keruh (OD nya besar). Pengukuran Tidak langsung Pengukuran aktivitas kimiawi seperti laju konsumsi atau produksi O2 production or consumption, produksi CO2 dll

Pengukuran Pertumbuhan Bakteri Penghitungan Jumlah Sel Penghitungan mikroskopis langsung menggunakan counting chambers. Sel mati tidak dapat dibedakan dengan yang hidup. Penghitungan langsung menggunakan Electronic counting chambers. Dengan alat ini penghitungan jumlah dan ukuran distribusi sel dapat dilakukan dengan cepat Penghitungan tidak langsung melalui teknik viable cell counts (plate counts). Teknik ini dilakukan dengan menuang plating out (spreading) sampel pada permukaan medium agar. Sampel dapat dilarutkan dengan tingkat pengenceran yang memungkinkan terhitungnya koloni bakteri yang tumbuh pada medium agar. Jumlah bakteri yang tumbuh pada medium agar dihitung dan disebut sebagai colony forming unit (cfu).

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri 1. pH pH atau konsentrasi ion hidrogen [H+] pada lingkungan alamiah berkisar antara 0,5 (pd tanah asam) sampai 10,5 (pada tanah kapur). Kisaran pH dimana mikroba dapat tumbuh dikenal dengan istilah tiga titik kardinal pH : pH minimum, pH dimana di bawah nilai tersebut mikroba tidak dapat tumbuh pH maximum, pH dimana di atas nilai tersebut mikroba tidak dapat tumbuh pH optimum, pH dimana mikroba tumbuh paling baik

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri 1. pH Pertumbuhan bakteri akan meningkat pada rentang pH minimum ke optimum, namun akan menurun setelah melewati nilai pH optimum menuju ke maksimum, yang merefleksikan pengaruh pH terhadap reaksi enzimatis.

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri 1. pH Sebagian besar pH optimum bakteri adalah pada pH netral (7,0). Pengelompokan mikroba berdasarkan pH optimumnya: Acidofil: mikroba dengan pH optimum di bawah pH 7,0 Neutrofil: mikroba dengan pH optimum pada pH netral (7,0) Alkalifil: mikroba dengan pH optimum di atas pH 7,0 Laju pertumbuhan relatif Nilai pH 7 1 12 Acidofil Neutrofil Alkalifil

Mikroorganisme pH Minimum pH Optimum pH Maximum Thiobacillus thiooxidans 0.5 2.0-2.8 4.0-6.0 Sulfolobus acidocaldarius 1.0 2.0-3.0 5.0 Bacillus acidocaldarius 2.0 4.0 6.0 Zymomonas lindneri 3.5 5.5-6.0 7.5 Lactobacillus acidophilus 4.0-4.6 5.8-6.6 6.8 Staphylococcus aureus 4.2 7.0-7.5 9.3 Escherichia coli 4.4 6.0-7.0 9.0 Clostridium sporogenes 5.0-5.8 6.0-7.6 8.5-9.0 Erwinia caratovora 5.6 7.1 Pseudomonas aeruginosa 6.6-7.0 8.0 Thiobacillus novellus 5.7 7.0 Streptococcus pneumoniae 6.5 7.8 8.3 Nitrobacter sp 6.6 7.6-8.6 10.0

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri 2. Suhu Suhu pada lingkungan alamiah berkisar antara suhu di bawah 0oC (pd daerah kutub) sampai > 100oC (sumber air panas). Kisaran suhu dimana mikroba dapat tumbuh dikenal dengan istilah tiga titik kardinal suhu : Suhu minimum, suhu dimana di bawah nilai tersebut mikroba tidak dapat tumbuh Suhu maximum, suhu dimana di atas nilai tersebut mikroba tidak dapat tumbuh Suhu optimum, suhu dimana mikroba tumbuh paling baik Pertumbuhan bakteri akan meningkat pada rentang suhu minimum ke optimum, namun akan menurun setelah melewati nilai suhu optimum menuju ke maksimum, yang merefleksikan pengaruh suhu terhadap reaksi enzimatis.

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri 2. Suhu Pengelompokan mikroba berdasarkan suhu optimumnya: Psikrofil: mikroba dengan suhu optimum antara 10 – 15oC Mesofil: mikroba dengan suhu optimum antara 27 – 37oC Termofil: mikroba dengan suhu optimum antara 45 – 70oC Hipertermofil: mikroba dengan suhu optimum antara 80 – 115oC

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri 3. Aktivitas air (Aw) Air adalah komponen utama sel Keberadaan air menjadi faktor kritis yang mempengaruhi pertumbuhan sel Keberadaan air untuk kebutuhan sel tergantung pada keberadaannya di atmosfer (dikenal dgn kelembaban relatif) atau keberadaannya dalam substrat (dikenal dgn water activity). Aktivitas air (Aw) dari H2O murni nilainya 1.0 (100% air). Aktivitas air dipengaruhi oleh adanya zat terlarut sperti garam atau gula yang terlarut di dalam air. Makin tinggi konsentrasi zat terlarut dalam air, nilai Aktivitas air (Aw) makin rendah. Mikroorganisme hidup pd kisaran Aw antara 1.0 sampai 0.7. Aw darah manusia = 0.99; air laut = 0.98; syrup = 0.90.

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri 3. Aktivitas air (Aw) Zat terlarut yang umum di alam ini adalah garam NaCl. Mikroorganisme yang membutuhkan garam NaCl untuk pertumbuhannya disebut mikroba halofilik. Mild halofilik membutuhkan 1-6% garam, halofilik sedang membutuhkan 6-15% garam; ekstrem halofilik membutuhkan 15-30% NaCl Bakteri yang dapat tumbuh pd konsentrasi garam yang sedang, namun tumbuh lebih baik bila tidak ada NaCl, disebut halotoleran. Istilah Osmofilik dan Osmotoleran diberikan pada mikroorganisme yang dapat hidup di lingkungan yang berkadar gula tinggi. Istilah Xerofilik diberikan pada mikroorganisme yang hidup di lingkungan kering (gurun pasir, tepung). Konsep penurunan Aw merupakan salah satu cara untuk mencegah pertumbuhan bakteri diaplikasikan pada proses pengawetan makanan dengan cara pengeringan (sinar matahari atau evaporasi) atau dengan penambahan gula atau garam dalam konsentrasi tinggi.

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri 3. Aktivitas air (Aw) Osmolaritas ditentukan oleh konsentrasi bahan terlarut (solute) di lingkungan Osmolaritas berbanding terbalik dengan water activity (Aw), dimana makin tinggi konsentrasi bahan terlarut (solute) berarti makin tinggi osmolaritas, makin rendah Aw Keterangan: (a) bakteri nonhalofil spt E. coli atau Pseudomonas. (b) bakteri halotoleran spt Staphylococcus aureus, (c) ekstrim halofil spt Halococcus.

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri 4. Oksigen Obligat aerob: membutuhkan O2 bebas untuk pertumbuhannya; O2 digunakan sebagai aseptor elektron terakhir pada respirasi aerobik. Obligate anaerob (aerofob): tidak membutuhkan O2 untuk tumbuhnya. O2 bersifat toksik dan dapat membunuh atau menghambat pertumbuhan. Prokariot obligate anaerob hidup secara fermentarif, respirasi anaerobik, bacterial photosynthesis, atau secara methanogenesis. Fakultatif anaerob (fakultatif aerob): mikroba yang dapat menggnti metabolisme antara aerobik dan anaerobik. Pada kondisi anerobik (no O2) mereka tumbuh secara fermentasi atau respirasi anaerobik, tetapi bila ada O2 mereka dapat beralih ke respirasi aerobik. Aerotoleran anaerob : bakteri yang ekslusif anaeroik (metabolisme fermentatif) namun mereka tidak begitu sensitif dengan adanya O2. Mereka akan tetap bertahan dengan tumbuh secara fermentatif saat tidak ada atau ada Oksigen.

Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri   Faktor yang mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri 4. Oksigen   Environment Group Aerobic Anaerobic O2 Effect Obligate Aerobe Growth No growth Required (utilized for aerobic respiration) Microaerophile Growth if level not too high Required but at levels below 0.2 atm Obligate Anaerobe Toxic Facultative Anaerobe (Facultative Aerobe) Not required for growth but utilized when available Aerotolerant Anaerobe Not required and not utilized