Predictive microbiology: promising future research


Mikrobiologi prediktif merupakan salah satu cabang ilmu terbaru di bidang mikrobiologi pangan yang menawarkan point of view berupa tinjauan kuantitatif dari sebuah proses mikrobiologis (proses yang melibatkan mikroorganisme). Merujuk pada jurnal internasional terbaru mengenai food microbiology yang dipublikasikan oleh McMeekin dan peneliti lainnya, integrasi mikrobiologi prediktif konvensional dan futuristik menjadi penting dalam pengembangan mikrobiologi pangan di masa depan. Hal yang mendrive ini adalah bahwa pada proses mikrobiologis, reaksi yang terjadi di dalam reaktor tidak lepas dari keterlibatan enzim-enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme yang terlibat di dalamnya. Hal ini mengingat bahwa enzim merupakan molekul tersusun dari protein atau polipeptida yang merespon perubahan temperature, pH dan aktivitas air. Mikrobiologi prediktif menggunakan model matematika dan software computer untuk mendeskripsikan pengaruh faktor lingkungan tersebut pada proses mikrobiologis. Salah satu aplikasi di bidang mikrobiologi pangan dengan menggunakan pendekatan mikrobiologi prediktif, kita dapat memprediksikan perilaku patogen dan mikroba perusak makanan di bawah kondisi lingkungan yang berbeda. Tujuan utama dari model prediksi yang dilakukan di bidang mikrobiologi pangan adalah untuk memastikan keamanan dan kualitas produk pangan. Mikrobiologi prediktif telah berkembang selama 20 tahun terakhir dengan dilatarbelakangi oleh kepentingan prediksi yang akurat terhadap jangka waktu kebertahanan produk pangan.

Pada mikrobiologi prediktif konvensional, proses mikrobiologis ditekankan pada satu faktor saja, yakni variasi perubahan temperatur. Kurva laju pertumbuhan mikroba didefinisikan berdasarkan korelasinya dengan perubahan temperatur. Penelitian yang telah dilakukan ini menunjukkan adanya perubahan fisiologis mikroba terhadap perubahan suhu. Jika ditinjau lebih dalam, perubahan suhu ini melibatkan proses on-off enzim yang dihasilkan mikroorganisme sebagai metabolit sekundernya. Hal ini dikarenakan adanya aktivasi beberapa enzim pada kondisi suhu tertentu, dan non aktivasi enzim yang lain pada kondisi yang sama, sehingga menyebabkan adanya fluktuasi pertumbuhan mikroorganisme pada proses fermentasi yang terjadi.

Selama proses pertumbuhan, mikroba memproduksi enzim, yang kerja enzim tersebut bergantung pada proses foldingnya. Hal ini diperkirakan karena adanya kontrol termodinamika atau elemen kinetika yang terjadi pada saat aktivasi enzim.  Laju folding dari sebuah enzim untuk menjadi aktif diakselerasi oleh sebuah molekul kimia yang disebut chaperonin. Molekul chaperonin ini merupakan sebuah protein yang mengkondisikan lingkungan di sekitar enzim, sehingga enzim dapat melakukan folding dengan benar dan mencegah terjadinya agregasi protein penyusunnya. Agar suatu enzim dapat bekerja secara aktif, maka enzim tersebut haruslah membentuk struktur tiga dimensinya. Untuk memfolding protein atau enzim, mikroba menggunakan energi dalam bentuk ATP.

Kondisi lingkungan seperti keberadaan nutrisi, pH, temperatur dan aktivitas air sangat mempengaruhi fluktuasi pertumbuhan mikroba, apalagi jika proses yang dilakukan sampai pada skala reaktor. Dari penelitian yang dilakukan oleh Smillie et al. (2011), ia menyimpulkan bahwa keberagaman genetika yang terjadi pada manusia lebih disebabkan karena adanya faktor lingkungan yang mempengaruhi dibandingkan geografi dan filogeninya. Hal yang sama juga terjadi pada keberagaman genetika yang terjadi di mikroorganisme, yakni disebabkan karena adanya proses transfer gen dari satu mikroorganisme ke mikroorganisme lain yang didrive oleh kondisi lingkungan. Mikroorganisme dapat melakukan adaptasi terhadap kondisi lingkungannya. Hal inilah yang dimaksud oleh BassBecking pada quotes-nya yang cukup dikenal, bahwa “everything is everywhere but the environment selects”.

Ketika kita berbicara mengenai proses mikrobiologis, maka kita akan mengaitkannya dengan kerja enzim. Oleh karena itu, untuk memahami proses yang terjadi pada saat fermentasi berlangsung, kita dapat menggunakan pendekatan persamaan reaksi kinetika enzim Michaelis-menten berikut:

mich

 

 

 

(Michaelis-menten equation)

Proses folding dari protein dapat dideskripsikan secara mekanistik berdasarkan pada termodinamika reaksi kinetika enzim melalui model matematika dari laju pertumbuhan mikroba terhadap perubahan suhu. Dengan membuat persamaan atau model matematis dari laju pertumbuhan mikroba terhadap perubahan suhu, manfaat yang kita dapatkan salah satunya adalah kita bisa dengan lebih mudah memprediksi pada saat kapan reaksi biosintesis suatu senyawa yang kita inginkan terjadi selama proses fermentasi berlangsung. Oleh karena itu, pemodelan matematika menjadi hal penting dalam proses mikrobiologis sebagai upaya perhitungan yang lebih presisi.

Perkembangan mikrobiologi prediktif konvensional inilah yang mendorong para ilmuan untuk melakukan pendekatan melalui variabel lain seperti perubahan pH dan aktivitas air, terhadap laju pertumbuhan mikroba. Inilah yang disebut dengan mikrobiologi prediktif modern. Untuk berbicara lebih jauh lagi, model matematika yang digunakan dapat dikembangkan melalui pendekatan termodinamika dan dapat diaplikasikan pada tingkatan makhluk hidup yang lebih tinggi, tidak hanya pada makhluk hidup uniseluler saja, seperti pada hewan, tumbuhan, dan makhluk hidup eukariotik lainnya. Model matematika ini dapat diaplikasikan pula dalam menentukan stabilitas protein, biologi termal, teori ekologi, biogeokimia, biologi ekstremofil, dan pengaturan iklim. Pengembangan pemodelan prediktif dari proses biologis ini sangat prospektif di masa depan, karena dapat mengarahkan pada pemodelan matematis dari data empiris yang didapat pada saat melakukan eksperimen.

Dalam membuat pemodelan matematika, model yang didapatkan haruslah bersifat reproducible, yaitu dapat diulang. Artinya, model matematika yang dibuat haruslah dapat dibuktikan pada kondisi lingkungan yang sama. Untuk itu, dalam aplikasinya, terutama di bidang kebijakan keamanan produk pangan, harus dilakukan validasi yaitu dengan membandingkan prediksi model matematika dengan hasil eksperimen terkait.

Berdasarkan pemaparan dan studi literatur yang ada, mikrobiologi prediktif menjadi salah satu cabang ilmu yang menjanjikan di masa depan, selaras dengan perkembangan cabang keilmuan synthetic biology, system biology dan bioinformatics. Keempat keilmuan ini, jika dikolaborasikan pada saat melakukan riset dengan objek mikrobiologi, akan menghasilkan konklusi yang komprehensif dan terukur.

 

Shabrina Nida Al Husna

Department of Microbiology

School of Life Sciences and Technology

Institut Teknologi Bandung

 

Referensi:

McMeekin, T., J. Olley, D. Ratkowsky, R. Corkrey, T. Ross. 2013.  Predictive microbiology theory and application: Is it all about rates? Food Control 29: 290-299.

Perez-Rodriguez, Fernando, Valero, Antonio. 2013. Predictive Microbiology in Foods. Springer Briefs in Food, Health, and Nutrition, Vol. 5

Advertisements

One thought on “Predictive microbiology: promising future research

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s