Endospora bakteri adalah salah satu bentuk pertahanan bakteri pada kondisi yang tidak nyaman bagi organisme prokariotik ini. Endospora mampu bertahan di suhu tinggi, kekeringan, ekstrim, radiasi ultraviolet, antibiotik dll. Bahkan, endospora bakteri Bacillus marismortui dilaporkan bertahan selama 25 juta tahun!
Anda bisa mempelajari struktur, fungsi, jenis, pembentukan, deteksi dan perkecambahan endospora pada artikel ini.
Rangkuman Artikel Endospora Bakteri:
Bagaimanakah endospora dapat terbentuk dan bagaimana struktur tersebut dapat melindungi bakteri pada lingkungan yang tidak kondusif? Berikut rangkumannya:
Endospora terbentuk saat dipicu kondisi tak optimal: Kekurangan nutrisi, kekeringan, terpapar panas, dan kondisi tak kondusif lain
Endospora terbentuk melalui pembelahan sel tak simetris yang diikuti oleh penebalan dinding sel dan akumulasi senyawa unik endospora
Dinding endospora yang tebal serta senyawa uniknya berfungsi sebagai pelindung bakteri dari kondisi ekstrim: Panas, kering, sinar UV, dan antibiotik
Contoh bakteri yang memiliki endospora: Bacillus substilis, Bacillus atrophaeus, B. megaterium, B. antraxis, dan B. cereus. Contoh lain: Clostridium, Epulopiscium (simbion ikan Sturgeon), dll.
Endospora dapat dihancurkan dengan cara dibakar atau diautoklaf (dipaparkan pada suhu dan tekanan tinggi)
Apa Definisi Endospora Bakteri Itu?
Endospora adalah sel bakteri yang telah mengalami diferensiasi menjadi lebih tahan terhadap panas, zat kimia berbahaya, radiasi dan keadaan lain yang dapat membunuh sel bakteri biasa. Endospora sendiri berasal dari kata endo yang berarti di dalam dan spore yang berarti spora. Hal ini disebabkan endospora bakteri terlihat berada di dalam dinding sel pada pengamatan yang dilakukan menggunakan mikroskop.
Berikut perbedaan antara sel vegetatif bakteri dan endospora:
Sel vegetatif
Endospora
Rentan terhadap suhu dan radiasi tinggi
Lebih tahan panas dan radiasi
Dinding sel cenderung tipis. Jadi, dapat diwarnai dengan mudah
Dinding sel tebal dan kedap air. Jadi, prosedur pengecatan biasa tidak dapat mewarnai endospora
Kandungan air normal sehingga enzim dan metabolisme sel dapat bekerja dengan baik
Kandungan air sangat sedikit. Akibatnya tidak ada aktivitas biologis dalam endospora (dalam kondisi dormansi)
Struktur DNA-A
Struktur DNA-B, lebih kompak dan tahan panas serta radiasi
Fungsi Endospora Bagi Bakteri
Fungsi endospora pada sel bakteri adalah sebagai survival structure (struktur dorman). Struktur berupa dinding tebal ini yang memungkinkan bakteri bertahan pada keadaan yang tidak menguntungkan. Misalnya saat kondisi lingkungan berubah menjadi tidak sesuai dan ekstrim (kekeringan, temperatur sangat rendah atau sangat tinggi) atau kekurangan nutrisi.
Endospora juga dapat memudahkan penyebaran bakteri. Ukuran endospora yang cenderung kecil dan berbobot ringan membuatnya dengan mudah terbawa angin, aliran air, bahkan dalam kotoran hewan.
Bakteri yang umumnya hidup di tanah adalah bakteri yang biasa membentuk endospora. Contoh dari bakteri yang sebagian besar anggotanya membentuk endospora adalah bakteri Bacillus dan Clostridium. Bakteri terkenal yang membentuk endospora diantaranya adalah Bacillus anthracis, bakteri penyebab antraks.
A. Pembentukan endospora pada bakteri gram positif. B. Forespore yang belum terlepas dari sel induk. (C) Hasil pengecatan endospora: Sel vegetatif berwarna hijau dan endospora berwarna hijau. (Sumber: biolibretext)
Struktur dan Jenis-jenis Endospora
Dinding endospora bakteri merupakan struktur yang tidak dapat ditembus oleh cat yang digunakan untuk mengamati sel bakteri biasa (Misalnya safranin dan methylene blue). Hal ini menyebabkan sel bakteri yang mengandung endospora biasanya nampak memiliki struktur mengkilat dalam selnya.
Sifat ini dapat diatasi dengan melakukan pemanasan saat pengecatan endospora. Pengecatan endospora akan dibahas pada section terakhir artikel ini.
Struktur Endospora dan Komponen yang Menjadi Pembeda dari Sel Vegetatif
Jika dibandingkan dengan sel non-endospora (sel vegetatif) yang nampak memiliki selapis dinding sel, endospora memiliki lebih banyak komponen yang membangun struktur endospora. Struktur endospora tersebut antara lain :
Eksosporium : dinding terluar endospora yang terdiri dari lapisan protein tipis, karbohidrat kompleks, dan lemak
Mantel : Beberapa lapis protein khusus yang membentuk mantel endospora
Korteks : Lapisan yang terdiri dari peptidoglikan
Inti (core) : Bagian yang terdiri dari dinding inti, membran sitoplasma, sitoplasma, ribosom, kromosom sirkuler dan organel vital lain
Bagian inti endospora memiliki konsistensi mirip gel karena kandungan airnya sangat sedikit. Hal ini dapat meningkatkan ketahanan molekul-molekul dalam endospora dari suhu tinggi (hingga 150 °C) dan zat kimia berbahaya seperti hidrogen peroksida.
Struktur endospora secara visual dapat dipelajari pada gambar berikut:
Gambar 1 Sebuah endospora yang diamati dengan mikroskop elektron dan bagian-bagian yang menyusun endospora bakteri Bacillus atrophaeus tersebut (Sella et al, 2014)
Bahan Kimia Unik Penyusun Endospora dan Fungsinya dalam Mekanisme Bertahan Hidup Bakteri
Selain berbeda secara struktural, sel endospora dan sel vegetatif bakteri memiliki perbedaan dalam level kimiawi. Senyawa yang hanya ditemukan dalam endospora antara lain asam dipikolinat dan small acid-soluble spore proteins (SASPs). Berikut penjelasan lengkap pengertian, struktur, dan fungsi dari penyusun endospora bakteri tersebut:
Fungsi dan Struktur Asam Dipikolinat
Struktur kompleks asam dipikolinat-kalsium pada endospora bakteri
Salah satu senyawa unik yang ditemukan dalam endospora adalah asam dipikolinat. Asam dipikolinat adalah senyawa organik yang banyak ditemukan pada endospora bakteri (sekitar 5 hingga 15% bobot kering endospora). Asam dipikolinat akan membentuk kompleks dengan ion kalsium. Kompleks Asam dipikolinat dan kalsium ini diperkirakan menyusun 10% dari berat kering endospora.
Pada awalnya diduga fungsi dari asam dipikolinat-kalsium tersebut adalah untuk mengikat dan mengumpulkan air untuk kebutuhan sang endospora bakteri tersebut. Namun, Paidhungat et al. (2001) menemukan bahwa senyawa ini ternyata tidak berpengaruh pada daya tahan endospora terhadap kekeringan, panas, dan desikasi.
Selanjutnya, Setlow et al. (2006) menemukan bahwa fungsi utama dari asam dipikolinat adalah sebagai pelindung DNA dari suhu tinggi. Senyawa ini akan menyelip diantara basa penyusun DNA dan membantu DNA bertahan dari suhu tinggi dan cekaman lingkungan lain.
Small acid-soluble spore proteins (SASPs)
Pada bagian inti dari endospora bakteri mengandung banyak protein yang disebut sebagai small acid-soluble spore proteins (SASPs). Small acid-soluble spore proteins (SASPs) adalah protein yang hanya diproduksi saat sel mengalami sporulasi.
Fungsi dari SASPs adalah melindungi molekul DNA dari kerusakan akibat radiasi, kekeringan dan suhu tinggi. SASPs mengubah struktur molekul DNA (B-DNA) menjadi lebih kompak (A-DNA) hingga tidak mengalami mutasi saat terpapar UV (Bacaan lebih lanjut: DNA Repair) dan tidak terdenaturasi saat terpapar suhu tinggi.
SASPs juga dapat berfungsi sebagai sumber karbon dan energi bagi endospora yang sedang atau akan berkecambah.
Enzim Reparasi DNA
Endospora bakteri memiliki enzim reparasi DNA. Enzim ini mampu memperbaiki DNA yang rusak selama perkecambahan. Karena sifat tahan dari mantel endospore.
Jenis-jenis Endospora Pada Bakteri Berdasarkan Letaknya
Bagan letak endospora pada sel bakteri (Source: MicrobeOnline.com)
Terdapat tiga jenis bakteri berdasarkan letaknya saat diamati menggunakan mikroskop. Berikut bagan, keterangan dan contoh bakteri yang menghasilkan spora masing-masing tipe.
Endospora terminal: Endospora yang terletak disalah satu ujung sel vegetatif bakteri. Contoh : Clostridium tertium
Endospora subterminal : Endospora yang letaknya diujung sel. Namun lebih menjorok ketengah sel. Contoh : Clostridium perfringens
Endospora sentral : Endospora yang terletak di tengah sel vegetatif. Contoh : Clostridium bifermentans
(1, 4) central endospore; (2, 3, 5) terminal endospore; (6) lateral endospore. (Sumber: Bio Libretext)
Sporulasi: Pembentukan dan Perkecambahan Endospora
Apa Saja Tahapan Pembentukan Endospora?
Endospora terbentuk pada saat sel bakteri terpapar kondisi yang tidak menyokong kehidupannya: Kekurangan nutrisi, kekeringan, kekurangan oksigen, dan suhu tinggi.
Tahapan pembentukan endospora pada sel bakteri
Proses pembentukan endospora sangat kompleks. Model organisme yang digunakan untuk mempelajari pembentukan endospora adalah bakteri Bacillus subtilis. Proses sporulasi ini membutuhkan beberapa jam untuk diselesaikan.
Berikut proses pembentukan endospora:
Sel melakukan replikasi DNA untuk menduplikasi materi genetik
Kromosom bakteri memisah dan bergerak ke arah axis
Membran sel menginvaginasi dan membagi sel menjadi dua bagian asimetris: sel induk dan forespore
DNA sel induk didegradasi dan membran selnya menelan forespore
Sel mengkoordinasi ekspresi gen spesifik dengan faktor sigma, produksi senyawa spesifik endospora
Senyawa khas endospora yang diproduksi sel induk di akumulasi di ruang antara kedua membran forespore
Pada pematangan endospora, ruang membran endospore mengalami penebalan dan membentuk korteks serta mantel endospora.
Endospora dilepaskan dari sel induk yang telah mengalami apoptosis atau kematian sel terprogram.
Penjelasan lebih dalam proses sporulasi endospora dapat dipelajari dalam section berikut:
Perubahan morfologis kunci dalam proses telah digunakan sebagai penanda untuk menentukan tahapan perkembangan. Ketika sel memulai proses pembentukan endospore, ia membelah secara asimetris (Tahap II). Ini menghasilkan penciptaan dua kompartemen, sel induk yang lebih besar dan forespore yang lebih kecil. Kedua sel ini memiliki nasib perkembangan yang berbeda.
Sistem komunikasi antar sel mengoordinasikan ekspresi gen spesifik sel melalui aktivasi sekuensial faktor sigma khusus di setiap sel. Selanjutnya (Tahap III), peptidoglikan dalam septum terdegradasi dan mengalami invaginasi oleh sel induk. Struktur ini akhirnya memisahkan forespore dan sel induk. Pada tahap ini, mulai terlihat seakan ada sel di dalam sel.
Aktivitas sel induk dan garis depan mengarah pada sintesis senyawa spesifik endospora, pembentukan korteks dan pengendapan mantel (Tahapan IV + V). Proses ini diikuti oleh dehidrasi akhir dan pematangan endospore (Tahapan VI + VII). Akhirnya, sel induk dihancurkan dalam kematian sel terprogram, dan endospora dilepaskan ke lingkungan. Endospore akan tetap tidak aktif sampai merasakan kembalinya kondisi yang lebih menguntungkan.
Apa Faktor Pemicu dan Bagaimana Endospora Bakteri Berkecambah?
Garis skematis perkecambahan nutrisi spora spesies Bacillus. Peristiwa yang tepat dalam langkah aktivasi tidak diketahui dan ditulis sebagai tanda tanya. Langkah pertama yang terlihat setelah penambahan nutrisi ke spora yang berkecambah adalah pelepasan kation monovalen yang diikat oleh senyawa unik endospora.
Proses dan tahapan perkecambahan endospora bakteri (Setlow, 2014)
Metode Deteksi dan Pengecatan Endospora: Prinsip dan Langkah-langkahnya
Metode Schaeffer-Fulton
Umumnya endospora dalam sel bakteri diketahui dengan cara pengecatan diferensial. Metode Schaeffer-Fulton adalah salah satu jenis pengecatan diferensial tersebut. Dengan metode ini, sel vegetatif dan endospora akan memiliki warna yang berbeda hingga mudah diamati.
Metode Schaeffer-Fulton melibatkan pewarna hijau malachite sebagai pewarna utama, sedangkan sebagai mordant atau counterstain, digunakan safranin merah. Pewarna hijau malakit akan dipaksa meresap kedalam dinding endospora dengan pemanasan bertahap.
Sifat pewarna ini yang mudah terlarut dalam air dan berikatan lemah pada dinding sel dan endospora akan memudahkan proses destaining. Namun karena sifat endospora yang kedap air, maka hijau malachite yang terjebak di dalam dinding endospora tidak dapat terbilas dan tetap berwarna hijau. Ilustrasi proses pengecatan endospora dengan metode Green Malachite adalah sebagai berikut.
Ilustrasi dan langkah-langkah pewarnaan endospora
Barulah endospora dan sel vegetatif dapat dibedakan dengan pewarna safranin. Pewarna ini hanya akan mewarnai dinding sel karena pada proses ini, tidak ada pemanasan. Pada saat diamati, sel yang mengandung endospora akan memiliki bercak berwarna hijau. Bercak tersebut dikelilingi oleh dinding sel yang berwarna merah.
contoh endospora pada Bacillus subtilis (Sumber: ASM Science
Menggunakan Mikrografi Phase Contrast
Endospora bakteri Paenibacillus alvei di bawah pengamatan mikroskop phase contras: Endospora nampak mengkilat dan sel vegetatif terlihat lebih gelap (Image credit: TinaEnviro) .
Pengecatan Endospora dengan Metode Moeller Termodifikasi
Hasil pengecatan Moeller termodifikasi: Endospora nampak berwarna merah dan sel vegetatif berwarna biru (Hayama et al., 2007)
Deteksi Endospora dengan Terbium Dipicolinate Photoluminescence
Cara Memusnahkan Endospora
Endospora menyebabkan beberapa bakteri patogen mampu bertahan pada kondisi ekstrem. Akibatnya, pengendalian penyakit yang disebabkan oleh bakteri berendospora seperti Antraks dan Botulisme menjadi susah diberantas dan dapat menimbulkan bahaya laten. Endospora bakteri dapat dimusnahkan dengan menggunakan sterilisasi basah bertekanan tinggi. Metode ini biasanya dilakukan dengan menggunakan autoklaf.
Contoh Bakteri yang Memiliki Endospora
Bakteri yang bisa membentuk endospora adalah bakteri-bakteri dari filum Firmicutes. Berikut beberapa genera bakteri Firmicutes yang dapat membuat endospora:
Endospora terbentuk saat bakteri menghadapi kondisi tak optimal seperti kekurangan nutrisi, kekeringan, terpapar panas, dan kondisi tak kondusif lainnya. Proses pembentukan endospora melibatkan pembelahan sel tak simetris yang diikuti oleh penebalan dinding sel dan akumulasi senyawa unik endospora. Dinding endospora yang tebal dan senyawa uniknya berfungsi sebagai pelindung bakteri dari kondisi ekstrim seperti panas, kekeringan, sinar UV, dan antibiotik.
Contoh bakteri yang memiliki endospora antara lain Bacillus substilis, Bacillus atrophaeus, B. megaterium, B. anthracis, dan B. cereus. Selain itu, ada juga contoh lain seperti Clostridium dan Epulopiscium (simbion ikan Sturgeon).
Endospora dapat dihancurkan dengan cara dibakar atau diautoklaf (dipaparkan pada suhu dan tekanan tinggi).
QnA Endospora Bakteri
Endospora bakteri adalah struktur dorman non-reproduktif bakteri. Endospora berupa sel dorman yang dikelilingi oleh dinding yang tebal dan tahan kondisi ekstrem.
Fungsi endospora pada sel bakteri adalah sebagai survival structure (struktur dorman). Struktur berupa dinding tebal ini yang memungkinkan bakteri bertahan pada keadaan yang tidak menguntungkan.
Endospora juga dapat memudahkan penyebaran bakteri. Ukuran endospora yang cenderung kecil dan berbobot ringan membuatnya dengan mudah terbawa angin, aliran air, bahkan dalam kotoran hewan.
Saat sel bakteri terpapar kondisi yang tidak menyokong kehidupannya: Kekurangan nutrisi, kekeringan, kekurangan oksigen, dan suhu tinggi. Pada kondisi ini, bakteri akan membentuk endospora yang berdinding tebal (terdiri dari 4 lapisan), tahan air (tidak mudah kehilangan air saat kekeringan), radiasi dan suhu tinggi.
Bakteri yang bisa membentuk endospora adalah beberapa genera dari Filum Firmicutes misalnya Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, dll.
Endospora dapat dimusnahkan dengan dibakar (dipaparkan pada suhu lebih dari 100 °C) atau di-autoklaf (suhu 121 °C dan tekanan tinggi).
Beberapa penelitian menyebutkan bahwa sterilisasi dengan radiasi gamma, cahaya biru (panjang gelombang 405 nm), dan sinar X dapat membunuh dan menginaktivasi endospora.
1. Karena DNA genom bakteri dilindungi oleh asam diplikonat 2. Molekul small acid-soluble protein mengubah struktur DNA menjadi lebih kompak dan tahan panas/radiasi tinggi 3. Kandungan air yang rendah. Kondisi ini memungkinkan endospora tahan panas dan kekeringan
Daftar Pustaka dan Ilustrasi
Sliemandagger, TA.; Nicholson, WL. 2001. “Role of Dipicolinic Acid in Survival of Bacillus subtilis Spores Exposed to Artificial and Solar UV Radiation”. J. Appl. and Env. Microbiol. 67 (3): 1274–1279. doi:10.1128/aem.67.3.1274-1279.2001.
Madigan, Michael T., John M. Martinko, Kelly S. Bender, Daniel H. Buckley, and David Allan Stahl. 2015. Brock Biology of Microorganisms. Fourteenth edition. Boston: Pearson.
Sandra R.B.R. Sella, Luciana P.S. Vandenberghe, Carlos Ricardo Soccol, Life cycle and spore resistance of spore-forming Bacillus atrophaeus, Microbiological Research, Volume 169, Issue 12, 2014, Pages 931-939, ISSN 0944-5013,
Moayeri M, Leppla SH, Vrentas C, Pomerantsev AP, Liu S. 2015. Anthrax Pathogenesis. Annu. Rev. Microbiol.DOI:10.1146/annurev-micro-091014-104523.
Kitt E, Steenhoff AP. 2018. Anthrax. Di dalam: The 5-Minute Pediatric Consult, 8th Edition.
Aureli P. 2016. Botulism. Di dalam: International Encyclopedia of Public Health.
Setlow P. 2014. Germination of spores of Bacillus species: what we know and do not know. Journal of bacteriology, 196(7), 1297–1305. https://doi.org/10.1128/JB.01455-13
Setlow B, Atluri S, Kitchel R, Koziol-Dube K, Setlow P. 2006. Role of dipicolinic acid in resistance and stability of spores of Bacillus subtilis with or without DNA-protective α/β-type small acid-soluble proteins. J. Bacteriol. 188(11):3740–3747.doi:10.1128/JB.00212-06.
Hayama, M., Oana, K., Kozakai, T., Umeda, S., Fujimoto, J., Ota, H., & Kawakami, Y. (2007). Proposal of a simplified technique for staining bacterial spores without applying heat–successful modification of Moeller’s method. European journal of medical research, 12(8), 356–359.
Cano, R. J., & Borucki, M. K. (1995). Revival and identification of bacterial spores in 25- to 40-million-year-old Dominican amber. Science (New York, N.Y.), 268(5213), 1060–1064. https://doi.org/10.1126/science.7538699
St Denis, T. G., Dai, T., & Hamblin, M. R. (2013). Killing bacterial spores with blue light: when innate resistance meets the power of light. Photochemistry and photobiology, 89(1), 2–4. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.2012.01233.x
Paidhungat M, Setlow B, Driks A, Setlow P. 2000. Characterization of spores of Bacillus subtilis which lack dipicolinic acid. J. Bacteriol. 182(19):5505–5512.doi:10.1128/JB.182.19.5505-5512.2000.
Terkait
Satu pemikiran pada “Endospora Bakteri: Struktur, Fungsi & Jenisnya”
Satu pemikiran pada “Endospora Bakteri: Struktur, Fungsi & Jenisnya”