Saccharomyces cerevisiae dalam Penelitian Biologi dan Aplikasinya

Ragi adalah jamur eukariotik uniseluler dan saat ini ada 1500 spesies ragi. Beberapa spesies seperti Candida albicans adalah patogen oportunistik, yang dapat menyebabkan infeksi pada manusia, sementara beberapa spesies, seperti Saccharomyces cerevisiae, berguna bagi manusia.

Apa itu Saccharomyces cerevisiae?

Saccharomyces cerevisiae, yang dikenal sebagai ragi roti atau ragi bir, adalah spesies ragi yang awalnya dianggap diisolasi dari kulit buah anggur. Ini adalah salah satu organisme eukariotik seluler tunggal yang paling banyak dipelajari.

Sel S. cerevisiae berbentuk bulat telur, berdiameter sekitar 5-10um. S. cerevisiae dapat berkembang biak dengan cara seksual dan aseksual (budding). Spesies ragi ini suka memakan gula seperti glukosa, maltosa, dan trehalosa. Mereka dapat menghasilkan energi (ATP) dengan respirasi aerobik dan dapat beralih ke respirasi anaerobik tanpa adanya oksigen.

Dalam respirasi anaerobik, ia mengalami fermentasi dan menghasilkan alkohol dan CO₂ dengan memakan gula seperti sukrosa dan trihalosa. Sifat gula fermentasi S. cerevisiae ini menjadikannya bahan utama dalam industri pembuatan kue dan anggur.

Apa itu fermentasi alkohol?

Fermentasi alkohol (fermentasi etanol) dilakukan oleh Saccharomyces cerevisiae dan beberapa ikan (ikan mas). Dalam kondisi anaerobik, S. cerevisiae mengkonsumsi gula seperti glukosa, fruktosa, dan sukrosa untuk menghasilkan energi, etanol dan karbon dioksida dilepaskan sebagai produk sampingan dalam prosesnya.

Saccharomyces cerevisiae dalam Penelitian Biologi dan Aplikasinya — Saccharomyces cerevisiae di bawah mikroskop

Peran S. cerevisiae dalam penelitian biologi

Sama seperti E. coli, S. cerevisiae (ragi pembuat roti atau penyeduh) telah digunakan sebagai model populer untuk penelitian biologi. Ini dianggap sebagai organisme eukariotik uniseluler pertama yang seluruh genomnya diurutkan pada tahun 1996 oleh Goffeau et all.

Sifat dari S. cerevisiae yang membuatnya menjadi model populer dalam studi penelitian

1. S. cerevisiae ini adalah spesies ragi uniseluler sederhana dengan organel sel yang terikat membran seperti organisme eukariotik lainnya.

2. S. cerevisiae memiliki ukuran genom sekitar 12 Mbp.

3. Seperti manusia, S. cerevisiae memiliki materi genetik (DNA) yang dikemas ke dalam kromosom. Itu dapat mentolerir berbagai kondisi lingkungan. Seperti organisme eukariotik, ia memiliki organel sel yang terikat membran seperti mitokondria, aparatus Golgi, nukleus, dll. Oleh karena itu, ia dapat menjadi model yang bagus untuk mempelajari kelainan terkait mitokondria tertentu dan juga membantu untuk memahami jalur biologis pada manusia.

4. Hanya setelah mempelajari ragi, para ilmuwan telah menemukan bahwa gen diterjemahkan menjadi protein, dan setiap protein memiliki fungsi khusus di dalam tubuh.

5. Manipulasi genetik dapat dengan mudah dilakukan pada organisme eukariotik bersel tunggal ini dibandingkan dengan organisme model kompleks lainnya seperti tikus dan ikan zebra.

6. Sekitar 23% gen yang terlibat dalam penyakit manusia adalah ortolog dari genom ragi.

7. Mutasi gen ini dapat dengan mudah membantu peneliti mengetahui fungsi gen ini pada manusia.

8. Banyak obat baru telah ditemukan dengan menggunakan S. cerevisiae sebagai model.

9. Proses pembelahan sel mereka mirip dengan manusia, yang membuat mereka menjadi model yang sempurna untuk penelitian kanker.

10. S. cerevisiae dapat dengan mudah ditanam di laboratorium karena kebutuhan nutrisinya sederhana. Hal ini dapat tumbuh dalam media cair atau agar-agar, yang mengandung glukosa atau dekstrosa sebagai sumber karbon dan beberapa garam sebagai sumber nitrogen.

11. Pembelahan sel pada ragi hampir mirip dengan manusia. Gen yang bertanggung jawab untuk pembelahan sel pada manusia memiliki ortolog dalam genom ragi.

12. S. cerevisiae dapat bertindak sebagai alat yang ampuh untuk memiliki pengetahuan yang lebih baik tentang penyakit manusia.

13. Di bawah Proyek Penghapusan Genom Saccharomyces, sekitar 6000 gen S. cerevisiae dimutasi untuk mengetahui fungsi yang tepat terkait dengan gen tertentu.

S. cerevisiae sebagai model dalam studi penelitian

S. cerevisiae adalah salah satu organisme model eukariotik bersel tunggal yang paling umum digunakan. Ini telah digunakan dalam banyak studi penelitian seperti siklus sel, apoptosis, regulasi gen, regulasi ekspresi gen, dan penyakit neurodegeneratif.

S. cerevisiae digunakan sebagai organisme model oleh Leland H. Hartwell, seorang ilmuwan Amerika yang berbagi Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran 2001 dengan Paul Nurse dan Tim Huntin untuk menemukan molekul protein yang mengontrol pembelahan (duplikasi) sel, dalam mempelajari tautan antara gen yang terlibat dalam pembelahan sel dan kanker.

Dia memilih S. cerevisiae karena sederhana, uniseluler, dan mudah dimanipulasi. Dia menemukan bahwa gen yang terlibat dalam pembelahan sel dalam ragi juga ditemukan pada manusia. Dengan studinya, ia membuktikan bahwa mutasi pada gen pengontrol siklus pembelahan sel ini dapat menyebabkan kanker pada manusia.

Contoh S. cerevisiae sebagai model dalam studi penelitian

1. Dalam Studi Neurodegeneratif

Penyakit neurodegeneratif seperti Parkinson, Alzheimer, dan Huntington terutama terjadi karena kesalahan lipatan protein, yang pada akhirnya mengarah pada agregasi protein beracun ini di sistem saraf pusat. Menggunakan S. cerevisiae sebagai model penelitian, ditemukan bahwa pada Parkinson terjadi mutasi pada –synuclein yang menyebabkan kesalahan lipatan molekul protein ini. Molekul protein -synuclein yang salah melipat berkumpul di neuron sebagai ‘badan Lewy’ dan menyebabkan kerusakan pada neuron. Temuan ini membantu ilmuwan mengeksplorasi S. cerevisiae sebagai alat untuk menemukan obat yang dapat membalikkan efek toksisitas -synuclein.

2. Dalam Penelitian Kanker

Gen seperti MSH 2 (MutS homolog 2) dan MLH 1 (MutL homolog 1) ditemukan baik pada S. cerevisiae dan manusia. Mutasi gen-gen ini dalam ragi telah menunjukkan peran gen-gen ini dalam kanker usus besar. MSH 2 adalah gen penekan tumor dan gen MLH1 membantu dalam perbaikan DNA. Mutasi pada kedua gen ini dapat menyebabkan kanker kolorektal non-poliposis herediter pada manusia.

3. Dalam Studi Penuaan

Banyak penelitian telah dilakukan pada S. cerevisiae untuk memahami gen dan jalur yang terlibat dalam penuaan. Dalam ragi, dua jenis metode telah ditemukan untuk mengukur penuaan: RLS (replicative life span) dan CLS (chronological life span).

Terlihat bahwa dengan mengurangi jumlah glukosa dan asam amino dalam medium kita dapat meningkatkan RLS dan CLS dalam ragi. Ditunjukkan bahwa pengekspresian gen SIR2 DAN FOB1 yang berlebihan meningkatkan RLS dalam ragi.

Dua mutan ragi diciptakan di mana gen sch9 dan ras2 dihilangkan dengan rekayasa genetika. Mutasi pada kedua gen ini telah menunjukkan peningkatan sepuluh kali lipat dalam rentang hidup kronologis ragi.

4. Dalam Studi Penelitian Perbaikan DNA

S. cerevisiae juga telah digunakan dalam studi penelitian mekanisme perbaikan DNA. Ditunjukkan bahwa mutasi pada gen rad52, yang bertanggung jawab untuk perbaikan kerusakan untai ganda DNA dan dalam rekombinasi homolog, dapat membuat ragi lebih rentan mati karena sinar-X dan agen kimia lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa rekombinasi selama mitosis dan meiosis sangat penting untuk perbaikan DNA yang rusak.

5. Dalam virologi

Kita semua menyadari fakta bahwa virus merupakan ancaman utama bagi manusia, tumbuhan, dan hewan. Banyak peneliti mencoba menemukan obat untuk melawan virus mematikan seperti HIV, HCV, dll. Sebagai eukariota, S. cerevisiae telah terbukti menjadi model yang bermanfaat dalam penelitian virus.

Ahli virologi memanfaatkan S. cerevisiae sebagai model untuk memahami patogenesis virus. HIV masih menjadi ancaman utama bagi kehidupan manusia. Studi penelitian berdasarkan ragi telah menunjukkan bahwa 3 protein HIV: Vpr (protein virus R), PR (protease), Rev (pengatur ekspresi protein virion) memainkan peran penting dalam patogenesisnya.

Diamati bahwa protein virus Vpr menyebabkan penekanan sistem kekebalan dengan membunuh sel T CD4+. Studi di S. cerevisiae telah menunjukkan bahwa PR terlibat dalam penghentian pertumbuhan sel dan menyebabkan hilangnya integritas membran, yang menyebabkan lisis sel

6. Dalam Mempelajari Apoptosis

S. cerevisiae telah digunakan sebagai model populer untuk mempelajari regulasi gen dan apoptosis. Fakta bahwa ragi dan manusia berbagi mesin dan pengatur yang sama yang bertanggung jawab atas kematian sel telah membuka kemungkinan baru untuk mengeksplorasi ragi sebagai alat untuk menyelidiki jalur apoptosis sel. Apoptosis adalah kematian sel terprogram yang terjadi sebagai bagian normal dari pertumbuhan dan perkembangan sel.

Aplikasi komersial S. cerevisiae

1. Di Industri Makanan

Kemampuan S. cerevisiae untuk memfermentasi gula dan mengubahnya menjadi alkohol (etanol) dan CO2 telah menjadikannya bahan utama dalam industri roti dan pembuatan anggur. Fermentasi pertama kali ditemukan oleh Louis Pasteur. Etanol yang dihasilkan sebagai produk sampingan dalam fermentasi telah digunakan secara komersial dalam pembentukan alkohol dan dalam pembuatan biofuel. Karbon dioksida yang dilepaskan sebagai hasil fermentasi bertindak sebagai agen ragi. Zat ragi dapat berupa zat apa pun yang membantu mengembangnya adonan atau adonan.

1. Di Pembuatan Roti

S. cerevisiae (ragi roti) adalah bahan utama dalam pembuatan roti dan produk roti lainnya, seperti kue, kue kering, muffin, dll. Roti dibentuk dengan mengubah gula yang dapat difermentasi menjadi alkohol dan karbon dioksida (CO₂). Adonan untuk membuat roti terdiri dari tepung terigu, air, ragi, dan garam.

Amilase yang ada dalam tepung memecah pati (amilase atau amilopektin) dan melepaskan maltosa dan sukrosa. Ragi roti yang ada dalam adonan mengandung maltase, yang memecah maltosa menjadi glukosa, yang mengalami respirasi aerobik untuk menghasilkan dua molekul asam piruvat.

Segera, ragi kehabisan oksigen dan beralih ke respirasi anaerobik untuk energi. Dalam respirasi anaerobik, ia memecah asam piruvat menjadi CO₂ dan etanol. Molekul CO₂ ini terperangkap dalam molekul gluten tepung, menghasilkan adonan yang mengembang. Adonan kemudian dipanaskan, yang membunuh ragi dan menguapkan etanol.

2. Dalam Minuman Beralkohol

Kita semua menyadari fakta bahwa saat ini alkohol telah menjadi bagian dari peradaban manusia. Tahukah kita bahwa alkohol adalah produk ragi? S. cerevisiae dapat mengubah gula (glukosa, fruktosa, dan sukrosa) yang ada dalam buah-buahan dan biji-bijian menjadi etil alkohol dan CO₂ melalui fermentasi alkohol.

Fermentasi alkohol adalah proses bioteknologi yang dapat dicapai oleh bakteri dan ragi tertentu. Tanaman bertepung seperti barley, gandum, beras, tebu, atau jagung dapat bertindak sebagai bahan baku untuk produksi alkohol. Dalam kondisi anaerobik, asam piruvat pertama-tama diubah menjadi asetaldehida, yang kemudian diubah menjadi etil alkohol dan CO₂. Beberapa spesies bakteri seperti Zymomonas mobilis juga dapat melakukan fermentasi alkohol.

3. Di Industri Anggur

Anggur terbentuk melalui fermentasi buah anggur (Vitis vinifera). Pembuatan anggur melibatkan dua proses bioteknologi utama. Yang pertama adalah fermentasi alkohol dan yang lainnya adalah fermentasi malolaktik. Dalam fermentasi alkohol, gula yang ada dalam buah-buahan seperti anggur diubah menjadi etanol dan CO₂. Setelah fermentasi alkohol, sebagian besar anggur merah mengalami fermentasi malolaktik oleh bakteri asam laktat, Oenococcus oeni. Proses ini mengubah asam malat yang terasa keras menjadi asam laktat yang lebih kental dan juga meningkatkan pH. Ini diperlukan untuk deacidification dan modifikasi rasa anggur.

4. Dalam Produksi Cokelat

Cokelat adalah salah satu makanan yang paling populer dikonsumsi oleh semua kelompok umur. Coklat juga digunakan dalam pembuatan kue, roti, dan puding. Cokelat adalah produk tanaman dan terbuat dari biji pohon kakao Theobroma. Biji kakao sebenarnya sangat pahit rasanya dan hanya setelah fermentasi biji kakao mengembangkan rasanya. Dalam fermentasi kakao, biji kakao dibiarkan utuh dengan ampasnya selama beberapa hari. Ragi (S. cerevisiae) mulai memfermentasi gula yang ada di dalam ampas yang memberikan rasa dan aroma yang luar biasa pada cokelat. Fermentasi kakao tidak hanya meningkatkan rasa cokelat tetapi juga menghilangkan tanin yang ada dalam biji, yang bertanggung jawab atas rasa pahit pada biji kakao.

5. Dalam Produksi Kopi

Jika kita seorang pecinta kopi, maka kita harus berterima kasih kepada S. cerevisiae untuk aroma dan rasa kopi yang khas. Spesies ragi ini telah digunakan sebagai starter dalam fermentasi kering biji kopi. S. cerevisiae menghasilkan enzim yang disebut pektin metil esterase yang memiliki aktivitas pektinolitik. Aktivitas pektinolitik enzim ini membantu menghilangkan lendir dari biji kopi. Strain S. cerevisiae yang digunakan dalam fermentasi kering biji kopi memiliki efek khusus pada sifat sensorik kopi.

2. Dalam Produksi Biofuel (bioetanol)

Etanol hasil fermentasi gula oleh S. cerevisiae dapat digunakan sebagai bahan bakar. Pada tahun 1826, seorang penemu Amerika bernama Samuel Morey menggunakan etanol dan terpentin sebagai biofuel di kapal. Etanol adalah alkohol tidak berwarna, yang dibuat dari fermentasi bahan biomassa. Di Amerika Serikat, biji-bijian makanan dengan kandungan gula tinggi seperti tebu, barley, sorgum, dll., digunakan sebagai bahan baku untuk membuat etanol, dan negara tersebut menggunakan etanol sebagai biofuel dengan mencampur 10% etanol dengan bensin untuk membentuk “gasohol.”

3. Di Industri Farmasi

Menjadi organisme eukariotik uniseluler, ia memiliki sifat bakteri dan manusia. Seperti bakteri, ia dapat bereplikasi dengan cepat, dan seperti organisme eukariotik lainnya, ia dapat menghasilkan protein dalam bentuk terlipat dengan benar. Protein yang dibentuk oleh S. cerevisiae mengalami proses glikosilasi, pembentukan ikatan disulfida, dan asilasi.

Semua sifat ini menjadikannya bahan utama dalam industri farmasi untuk menghasilkan protein bagi manusia. Protein yang diproduksi di S. cerevisiae disekresikan di luar, yang dapat dengan mudah dimurnikan. S. cerevisiae kini telah menjadi bagian dari industri biofarmasi bernilai jutaan dolar; produksi insulin oleh S. cerevisiae pada tahun 1987 adalah salah satu contoh produk biofarmasi. Beberapa contoh lagi biofarmasi yang diproduksi oleh S. cerevisiae adalah Insulin, albumin serum manusia, vaksin hepatitis, dll.

Apa itu biofarmasi? Biofarmasi adalah obat-obatan atau produk medis lainnya, yang diproduksi oleh atau diekstraksi dari sumber biologis seperti sel hidup atau mikroorganisme. Keuntungan menggunakan S.cerevisiae dalam produksi biofarmasi, Menjadikan eukariota itu memastikan pelipatan protein manusia yang tepat. Protein diekskresikan secara intraseluler, yang mengurangi biaya pemurnian hilir.