MEKANISME PRODUKSI ENZIM BETALAKTAMASE BAKTERI GRAM POSITIF DAN GRAM NEGATIF
Present in Bali Dance 2011 – Bali Dental Science & Exhibition, 17 September 2011 in Ballroom Inna Grand Bali Beach
Mieke Hemiawati Satari NIP. 19530320 198002 2 001
FAKULTAS KEDOKTERAN GIGI UNIVERSITAS PADJADJARAN BANDUNG 2011
MEKANISME PRODUKSI ENZIM BETALAKTAMASE BAKTERI GRAM POSITIF DAN GRAM NEGATIF
Mieke Hemiawati Satari Bagian Oral Biologi Microbiologi Fakultas Kedokteran Gigi Universitas Padjadjaran
Abstrak Bakteri Gram positif maupun Gram negatif menghasilkan enzim betalaktamase yang diproduksi secara ekstraseluler. Produksi enzim betalaktamase ini berbeda antara bakteri Gram positif yang bersifat induksi dan Gram negatif yang bersifat kontitutif. Produksi enzim betaktamase pada bakteri Gram positif berlangsung sangat lambat, sintesis mencapai puncaknya setelah 2-2,5 jam setelah proses induksi dan bertahan pada fase tertentu yaitu stasioner selama 1-3 jam.Produksi enzim betalaktamase mencapai empat kali lebih banyak dibandingkan dengan enzim betalaktamase yang dihasilkan oleh bakteri Gram negatif yang bersifat konstitutif. Produksi enzim betalaktamase yang bersifat konstitutif hanya mencapai produksi basal. Secara genetik produksi enzim betalaktamase ini di perantarai oleh gen enzim pembentuk enzim betalaktamae yang membentuk suatu operon. Gen ini dikode baik di kromosom maupun diplasmid baik pada bakteri Gram positif maupun Gram negatif. Gen pembentuk enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif mengandung tiga gen yaitu blaZ (gen struktur), blaI (gen repressor) dan blaRI (gen regulator). Ketiga gen ini memiliki dua promoter, sedangkan pada Gram negatif dikenal ampG (gen penghantar sinyal), ampC (gen sruktur), ampR, ampD dan ampE (protein regulator). Gen ini membentuk suatu operon dengan satu promoter. Gen gen inilah yang berperan pada pembentukkan enzim betalaktamase.
Kata kunci: enzim betalaktamase, bakteri Gram positif, bakteri Gram negatif. MECHANISM OF BETALAKTAMASE ENZYME PRODUCTION IN GRAM POSITIVE AND NEGATIVE
Abstract Both Gram positive and negative bacteria produce betalactamase enzyme extracellularly. This betalactamase enzyme production is different between Gram positive bacteria which is inductive in nature and Gram negative bacteria which is constitutive. The production of betalactamase enzyme in Gram positive bacteria is very slow with the synthesis peak reached after 2-2.5 hours of the induction process. The product is then maintained in a certain phase, i.e. stationary phase, for 1-3 hours. The production of betalactamase enzyme in these bacteria is four time higher than the betalactamase enzyme produced by Gram negative bacteria that use constitutive way of production. The betalactamase enzyme production through constitutive way only reaches basal production. Genetically, this betalactamase enzyme production is mediated by the the betalactamase enzyme forming genes that form an operon. These genes are coded both in chromosomes and plasmids of Gram positive and negative bacteria. The betalactamase enzyme forming genes in Gram positive bacteria include three genes, i.e. blaZ (structural gene),blaI (repressor gene) and blaRI (regulator gene). These three genes have two promoters. In Gram negative bacteria, ampG (transmitter gene), ampC (structural gene), amp R, ampD and ampE (regulator protein). These genes form an operon with one promotor. These genes are the ones that play a role in betalactamase enzyme formation. Keywords: betalactamase enzyme, Gram positive bacteria, Gram negative bacteria.
PRAKATA Bismillahirrahmannirrahiim Puji syukur ke hadirat Allah SWT, penulis dapat menyelesaikan naskah ilmiah ini dan dipresentasikan di Bali Dance 2011-Bali. Saya ucapkan terimakasih kepada Prof. Dr. Eky S. Soeria Soemantri, drg.,Sp. Ort, sebagai Dekan Fakultas Kedokteran Gigi Universitas Padjadjaran untuk menyediakan kesempatan untuk melakukan naskan dan staf akademik, Murnisari Darjan, drg.,M.Kes sebagai Kepala Departemen Oral Biologi, dan panitia Bali Dance 2011 – Bali Dental Science & Exhibition, 17 September 2011 in Ballroom Inna Grand Bali Beach. Semoga Tuhan memberkati kalian semua atas dukungan dan bantuan. Dan untuk Alloh SWT yang membuat segala sesuatu mungkin. Semoga naskah ini bermanfaat bagi kita semua.
Bandung, September 2011
Penulis
DAFTAR ISI
Hal ABSTRAK …………………………………………………………………………………………………….................
i
ABSTRACT ……………………………………………………………………………………………………...............
ii
PRAKATA .......................................................................................................................
ii
DAFTAR ISI ......................................................................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................................
v
BAB I
PENDAHULUAN .....................................................................................
1
BAB II
PERANAN GEN STRUKTUR, GEN REGULATOR DAN GEN RESPRESOR PADA BETA- LAKTAMASE ..........................................................................
3
BAB III
MEKANISME PRODUKSI ENZIM BETALAKTAMASE ...................................
6
BAB IV
KESIMPULAN ..............................................................................................
9
BAB V
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................
10
DAFTAR GAMBAR No Gambar
Teks
Hal
3.1
Mekanisme induksi betalaktamase pada E. coli
6
3.2
Mekanisme regulasi induksi betalaktam S.aureus
8
BAB I PENDAHULUAN
Enzim betalaktamase adalah suatu enzim yang dihasilkan secara ektraseluluer bakteri oleh beberapa bakteri baik Gram positif maupun Gram negative. Enzim ini akan berdifusi disekitar sel bakteri, sehingga akan menghambat kerja antibiotik yang jauh dari tempat infeksi.
Enzim ini memiliki kemampuan untuk menginaktivasi golongan antibiotik
betalaktam yaitu dengan memecahkan cincin betalaktam sehingga bakteri ini tidak dapat berikatan dengan reseptor pada membrane bakteri sehingga bakteri ini akan tetap hidup.(1) Secara genetik enzim ini dikode oleh gen yang terletak baik di kromosom maupun di plasmid. Pada bakteri Gram positif enzim betalaktamase ini dihasilkan secara induksi, proses ini berlangsung sangat lambat, sintesis betalaktamase mencapai puncaknya setelah 2-2,5jam setelah induksi dan bertahan pada suatu fase tertentu yaitu stationer selam 1-3 jam. Produksi enzim ini mencapai empat kali lebih banyak dibandingkan dengan yang dihasilkan oleh bakteri Gram negatif yang bersifat konstitutif. Produksi enzim betalaktamase yang bersifat konstitutif hanya menghasilkan produknya secara basal. (2,3). Produksi enzim betalaktamase diatur oleh gen yang terdiri dari gen struktur yang mengkode enzim betalakamase,gen regulator yang mengkode protein yang meregulasi produksi enzim betalaktamase dan gen repressor yang menghentikan produksi enzim betalaktamase.(4,5) Pada beberapa bakteri seperti S.aureus , enzim betalaktamase yang dihasilkan tergantung dari galur, kondisi dan kultur pertumbuhan. Ada kalanya enzim yang dihasilkan hanya 10%-60% yang di sekresikan ke media sedang sebagian produk terikat pada
membran luar dari bakteri tersebut hingga sukar dipurifikasi, sedangkan enzim betalaktamase yang ada pada media akan menghambat kerja antibiotik yang terdapat jauh dari tempat infeksi. Dalam kondisi optimal satu molekul enzim ini akan menginaktifasi 100.000 molekul cincin betalaktam setiap menitnya. (6,7,8) Enzim betalaktamase mempunyai kemampuan menghidrolisis penisilin G, ampisilin, amoksilin dan karboksi penisilin, sedangkan untuk golongan isozaksolil seperti oksasilin,kloksasilin dan nafsilin menjadi tidak efektif demikian pula terhadap cephalosporin.(1,9)
BAB II
PERANAN GEN STRUKTUR, GEN REGULATOR DAN GEN RESPRESOR PADA BETA- LAKTAMASE
Enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif dikode oleh gen yang berlokasi baik di kromosom maupun di plasmid, sedangkan pada gram negatif berlokasi lebih banyak di plasmid. Gen yang berperan pada sintesis enzim betalaktamase terdiri dari blaZ yang mengekspresikan enzim betalaktamase yang sebagian besar disekresikan ke media ekstraselluler meskipun sepertiganya melekat pada dinding sel. Produksi enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif terjadi karena adanya proses induksi dari antibiotik betalaktam sedangkan pada bakteri Gram negatif enzim betalaktamase yang dihasilkan secara terus menerus tanpa adanya induksi(10). Selain blaZ ada beberapa gen yang akan meregulasi sintesis betalaktamase pada bakteri Gram positif yang diwakili oleh S. aureus dalam hal ini setidaknya ada tiga gen yang terlibat dalam pengaturan sintesis betalaktamase pada S. aureus yaitu 1) blaI – gen yang berfungsi sebagai regulator yang mengatur transkripsi; 2) blaRI – gen yang diperlukan pada proses induksi yang bertanggung jawab pada penghantaran sinyal; dan 3) bla R2: yang dapat mengatur penekanan ekspresi gen betalaktamase dan berfungsi meningkatkan fungsi antibiotik. Namun menurut beberapa peneliti lokasi blaR2 di kromosom belum diketahui dengan pasti dan tidak berkait dengan blaZ, blaRI dan blaI.(11-14) Rowland dan Dyke15 telah berhasil melakukan sekuensing gen yang berperan pada pembentukan enzim betalaktamase pada Tn 552 S. aureus yang mengandung tiga gen yaitu bla Z, blaRI dan blaI. Ketiga gen ini memiliki dua promoter yaitu satu promoter yang dimiliki oleh blaZ dan satu promoter
bagi blaRI dan blaI. Ketiga gen ini memiliki
spesifitas ekspresi enzim betalaktamase yang bersifat induksi. Secara skematis gen blaI
terletak pada ujung 5’ dari bla RI dan saling tumpang tindih.4 Data menunjukan bahwa blaI memiliki fungsi yang mengatur proses transkripsi dari blaZ. BlaR ini merupakan suatu gen yang berikatan dengan suatu operator yang terletak antara blaI dan blaZ, sedangkan blaRI berfungsi untuk mentransmisikan sinyal tentang keberadaan suatu molekul betalaktam pada permukaan luar ke komponen gen yang mengatur ekpresi betalaktamase. 5 Proses sintesis enzim betalaktamase pada bakteri Gram positif bersifat induktif, pertama kali diketahui pada Bacillus licheniformis yang kemudian diasumsikan mempunyai persamaan dengan yang terjadi pada S. aureus15. Bennet dan Chopra5 menyatakan bahwa proses induksi ntibiotic betalaktam pada S. aureus diperkirakan sama dengan proses induksi betalaktam pada B. licheniformis dan E. coli Pada bakteri Gram negatif mekanisme proses induksi enzim betalaktamase pada E. coli terjadi bila senyawa betalaktam sebagai penginduksi berinteraksi dengan protein pengikat penisilin (PBP) hingga mengakibatkan gangguan tahap akhir sintesis peptidoglikan. Induksi menstimulasi AmpG (protein penghantar sinyal) sehingga terjadi peningkatan konsentrasi prazat dinding sel dalam ruang periplasma. Akumulasi pra zat tersebut merupakan sinyal bagi terjadinya proses transkripsi dari ampC (gen sruktur). Keadaan ini menimbulkan interaksi AmpG dengan AmpR (protein regulator), sehingga AmpR berfungsi sebagai yang menstimulasi ekspresi gen ampC yang mengkode betalaktamase. Dalam keadaan tidak terjadi induksi, maka AmpD (protein regulator) berikatan dengan AmpE (protein regulator) dan mempertahankan AmpR sebagai protein yang menghambat ekspresi AmpC, sehingga tidak menghasilkan betalaktamase. Bila fungsi AmpD terganggu karena mutasi pada gennya, maka akan mengganggu keseimbangan AmpG dan AmpD yang mengakibatkan AmpR tetap berfungsi sebagai preservative yang sifatnya permanen sehingga terjadi ekpresi kontitutif yang tinggi dari ampC. Dengan demikian maka didapat suatu model yang sederhana sistim pengatur sintesis betalaktamase pada S. aureus yang bersifat induksi yaitu antibiotik betalaktam berikatan
dengan BlaRI dan suatu sinyal akan ditransmisikan ke BlaI sehingga tidak lagi berikatan dengan operator, maka terjadilah proses transkripsi dari bla Z.16
BAB III
MEKANISME PRODUKSI ENZIM BETALAKTAMASE
Mekanisme proses induksi pada umumnya bakteri Gram negatif dapat digambarkan pada skema berikut ini dengan menganalisa proses induksi pada E. coli.
Gambar 3.1 Mekanisme induksi betalaktamase pada E. coli Dikutip dari: Bennet dan Chopra.5 Keterangan gambar BL
: Betalaktamase
PBP
: Protein Pengikat Penisilin
ampC : Gen struktur betalaktamase ampR : Gen yang berperan sebagai regulator ampG : Gen yang bertanggung jawab terhadap transmisi sinyal 0
ampD : Gen yang meregulasi ekspresi betalaktamase pada proses transkripsi ampE : Gen yang berfungsi untuk meningkatkan repressor Tentang perbedaan antara proses induksi yang terjadi pada E. coli dengan S. aureus dinyatakan oleh Smith dan Murray17 bahwa pada E. coli sinyal induksi baru ditransmisikan karena adanya prazat yang terkumpul dalam ruang periplasmik, sedangkan yang terjadi pada S. aureus yaitu rangsangan induksi senyawa betalaktam yang diterima reseptor pada membran luar akan langsung ditranmisikan. Pada S. aureus terdapat beberapa protein pengatur sistim induksi, yaitu: BlaI mempunyai fungsi sama dengan AmpR yaitu sebagai regulator yang mengatur transkripsi. BlaRI mempunyai fungsi sama dengan AmpG, protein ini diperlukan pada proses induksi, bertanggung jawab sebagai penghantar signal. BlaR2 berfungsi sebagai AmpD yang menjebabkan penekanan ekspresi gen betalaktamase dan juga berfungsi sebagai AmpE untuk meningkatkan represor.18 Seorang peneliti, Kernodle13 memberikan suatu ilustrasi proses induksi betalaktam pada S. aureus terhadap produksi enzim betalaktamase yang dikode oleh gen blaZ dan produksi PBP2a hingga menyebabkan terjadinya metisilin resisten S.aureus yang dikode oleh gen mecA. Pengaturan proses induksi betalaktamase diawali dengan pengikatan betalaktam terhadap domain pada membran dari suatu PBP, kemudian ditransduksikan sebagai sinyal dikode oleh blaRI yang mengarah pada degradasi represor blaI sehingga blaZ dapat ditranskripsi. Mekanisme BlaRI dapat memberikan sinyal sehingga menimbulkan penurunan stimulasi terhadap represor belum jelas. Namun ada beberapa pendapat bahwa degradasi terjadi pada represor disebabkan adanya perubahan konformasi dari BlaRI sebagai akibat pengikatan oleh betalaktam yang mengaktivasi suatu protease dalam domain yang diduga sebagai suatu ruang periplasma (mekanisme 1).
Alternatif lainya, gen bla R2 akan mengkode suatu protein yang dapat menyebabkan terjadinya inaktivasi represor dimana kompleks BlaRI dapat mengaktivasi hingga terjadi induksi (mekanisme 2). PBP2a dengan afinitas rendah terhadap antibiotik betalaktam yang dikode oleh mecA diproduksi sesuai dengan mekanisme produksi enzim betalaktamase. Hal ini dapat terjadi karena terdapat homologi antara mecI dan blaI, mecRI dan blaRI, dan promotor dari blaZ dan mec A. Homologi ini cukup kuat sehingga blaI dapat berfungsi sebagai represor dalam keadaan induksi normal maupun menghasilkan sejumlah PBP 2a secara konstitutif karena kerusakan mecI. Mutasi pada gen regulator (blaI dan mecI) dapat menimbulkan beberapa mutan yang nantinya akan mempengaruhi sistim regulasi dari yang bersifat indukif menjadi konstitutif. Mekanisme regulasi induksi betalaktam dapat dilukiskan dengan diagram sebagai berikut:
Gambar 3.2 Mekanisme regulasi induksi betalaktam S.aureus Dikutip dari: Kernodle.13 Keterangan gambar: BlaZ
: gen struktur enzim betalaktamse
blaRI : gen yang mengatur transmisi sinyal blaR2 : gen yang menginaktivasi represor
blaI
: gen yang menekan proses transkripsi blaZ
mecA : gen struktur PBP2a mecRl : gen anti represor mecl
: gen repressor
BAB IV
KESIMPULAN
Enzim betalaktamase adalah suatu enzim yang diproduksi secara ekstraselluler baik oleh bakteri Gram positif maupun Gram negatif. Enzim ini berfungsi untuk menginaktivasi antibiotic betalaktam dengan memecah cincin betalaktam, sehingga antibiotic ini tidak dapat berikatan dengan reseptor paoada bakteri. Produksi enzim betalaktamase pada Gram positif bersifat induksi yaitu bakteri tersebut akan menghasilkan enzim betalaktamase bila adanya induksi dari antibiotik betalaktam, sedangkan pada Gram negatif produksinya bersifat konstitutif yaitu enzim ini terus menerus diproduksi pada kadar basal. Produksi enzim ini diregulasi oleh gen yang berperan sebagai regulator, repressor dan gen struktur. Mekanisme produksi enzim betalaktamase ini memiliki kemiripan dengan mekanisme produksi gen mecA yang menyebabkan terjadinya MRSA
BAB V
DAFTAR PUSTAKA
1.Lamont
JR,Burne
RA,Lantz
MS,Leblanc
DJ.Oral
Microbiology
and
Immunology.Washington DC:ASM Press;2006. p380-5 2. Koboyashi M,Zhu Y,Nichols N, Lampen O.A second regulatory encoding a penicillin binding protein reguired for induction of betalactamase . J of Bacteriology, Sep 1987;169(9): 3873-76 3. Dyke KGH. Betalactamase of Staphylococcus aureus. In Hamilton JMT and Miller eds: Betalactamses. Published by Oxord University Press, 1986 291-307 4. Smith MC, Murray BE. Sequence analysis of betalactamase repressor fro S aureus and hybridization studies with two beta-lactamase producing of Enterococcus faecalis. J.Antimcrobial Agents and Chemotherapy, Oct 1992 ; 12(9): 2265-9 5. Bennet PN and Chopra J. Moleculer basis of betalactamase induction in bacteria. J. Antimicrobial Agents and Chemotherapy . Sept 1993; 13(6) :153-8 6. Istiantoro YH. Farmakokinetik inhibitor betalaktamase. Simposium Perkembangan Baru dalam menanggulangi Resistensi bakteri, 1998; 1-4 7. James CE, Mahendran KR, Molitor A, Bolla JM,Besonov AN, Winterhalter M,Pagges JM. How Betalactam Enter bacteria.Editor Fatourou. Porthmouth United Kindom . May 2009 8.
Tenover FC .Mechanisms of Antibacterial Resistance in bacteria . The American
Journal of Medicine.2006 Vol 119(6A) S3-S10.
9. Brook I. The role of Betalactamase producing bacteria in mixed infections. BMC Infectious diseases . BioMed Central . Georgetown University School of Medicine, Washington DC.October 2009. 10. Leung SFF, Rives JT, Jorgensen . Modeling back bone with Ala-Ala and Ala-Alapeptides . Bio Med Chem Lett ;Feb 2009; 19(4) 1236-9 11. Murray BE . Betalactamase producing Gram positif. J. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, April 2002 ; 873-9 13. Kernodle DJ. Mechanism of Resistance to Betalactam Antibiotic in Gram positive. American Society for Microbiology .2002; 609-23 14. Dyke KGH,Cole M. Inhibition of Betalactamase. J Antimicobial Agent and Chemotherapy. March 2000 9(5): 289-99 15. Rowland SJ and Dyke KGH. In 552 a Novel Transposable element from S. aureus . J Molecul Microbiologi. 1999 ;4:961-75 16. Gregory PD,Lewis RA,Dyke KGH,Curnock SP. Studies of Represor betalactamase synthesis of S. aureus , Moleculer Microbiology, 1997, 24(5):1025-37 17. Smith MC,Murray BE. Sequence analysis of betalactamase repressor from S aureus and hybridization studies with two betalactamase producing E. faecalis.J. Antimicrobial Agent and Chemotherapy 2000 : 12(9) 2265-9 18. Hamilton JMT . Betalactamase. Oxford. Published by Oxford University Press. 2000 P I-23
