Plasmid Bakteri – Artikel Lengkap Karakteristik Molekular Plasmid

Postingan ini dirangkum dari buku “Molecular Genetics of Bacteria” by Snyder

Mengenal DNA Plasmid Pada Bakteri

Pengertian Plasmid Pada Bakteri

Plasmid adalah DNA ekstrakromosomal pada bakteri (dan beberapa jenis yeast). Umumnya plasmid berukuran kecil dan berbentuk sirkuler (Gambar 1). DNA pada plasmid mampu direplikasi sendiri (autonomous replication). Jumlah dan ukuran plasmid dalam sel bakteri bervariasi tergantung jenis plasmid bakteri yang dimiliki mikroorganisme tersebut.

Umumnya gen yang terdapat dalam plasmid bukan gen-gen yang esensial bagi pertumbuhan bakteri atau mikroorganisme pemiliknya. Contoh gen yang terdapat dalam plasmid adalah gen-gen resistensi terhadap antibiotik, dan ada pula plasmid F, yakni plasmid yang bertanggung jawab terhadap kemampuan sel melakukan konjugasi.
Berapa plasmid memiliki multicloning site, yakni area dengan banyak urutan basa yang mampu dikenali oleh enzim restriksi, hingga bermanfaat dalam dunia bioteknologi modern, terutama dalam penelitian yang melibatkan bakteri.

Beberapa karakteristik dan pemanfaatan plasmid akan dijelaskan lebih lanjut dalam artikel Plasmid Bakteri ini.

Karakteristik Umum Plasmid Bakteri

Ukuran Plasmid lebih Kecil Dibanding Kromosom Sirkuler Utama Bakteri

Plasmid, seperti yang telah diketahui, memiliki ukuran yang lebih kecil dibandingkan kromosom bakteri. Perbandingan konkretnya adalah gambar dibawah ini.
Gambar ini menunjukkan peta dari kromosom dan plasmid dari bakteri Celeribacter indicus P73T yang diteliti oleh Cao et al. pada artikel ilmiahnya yang diterbitkan 2014 lalu.
Pada gambar ini menunjukkan bahwa jika dibanding dengan kromosom yang memiliki jumlah pasangan basa hingga 4,53 Mbp (Mega base pair), terlihat superior dibanding plasmid yang berukuran kecil. Plasmid terbesar saja, pP73A hanya memiliki sekitar 0,155 Mbp, jumlah tersebut sekitar 3% dari jumlah pasangan basa dari kromosom sirkuler bakteri tersebut.
Gambar 2. Perbandingan ukuran Kromosom dan plasmid bakteri. Kesamaan warna menunjukkan presentase homologi pasangan basa, kadang menunjukkan fungsi dari gen-gen tertentu.

Fungsi Plasmid dan Penamaannya

Fungsi plasmid adalah sebagai pembawa sifat non-esensial bagi pertumbuhan bakteri. Esensial disini berarti berperan secara langsung dalam metabolisme dan segala aktivitas biologis yang menyokong pertumbuhan bakteri.

Umumnya plasmid memiliki gen-gen pembawa sifat resisten terhadap antibiotik. Antibiotik sendiri, seperti yang Anda tahu, tidak selalu ada dalam lingkungan, hingga keberadaan gen-gen tersebut tidak esensial.

Bacaan lanjutan  Transformasi DNA Bakteri - Konsep Dasar dan Teknik Transformasi DNA

Fungsi plasmid juga merupakan faktor penentu nomenklatur atau penamaan plasmid.

Plasmid Ti contohnya, yang diberi nama sesuai kemampuan plasmid tersebut menginduksi tumor pada tumbuhan, membentuk crown gal sedangkan pSym adalah gen yang bertanggung jawab dalam proses pembentukan bintil akar spesies bakteri Rhizobium pada legum-leguman.

[ Note: p berarti plasmid ]

Contoh fungsi plasmid sekaligus penamaannya disajikan dalam Tabel 1 berikut.

Tabel 1  Penamaan plasmid berdasarkan gen yang dibawa oleh masing-masing plasmid

Penamaan Berdasarkan Nama Konstruktor Peta Gen Plasmid

 Penamaan plasmid yang kedua adalah berdasarkan nama konstruktor yang memaparkan fungsi-fungsi gen-gen pada plasmid tertentu.
Formulasinya adalah sebagai berikut:

[Huruf depan nama konstruktor] [Nomor derivat dari plasmid tersebut]

Contohnya adalah plasmid pATW38 yang dikonstruksi oleh Prof. Aris T. Wahyudi, pengampu matakuliah Genetika Mikrob di Departemen Biologi IPB. Atau pBR322, sebuah plasmid derivat ke-322 dari plasmid ColE1 yang dikonstruksi oleh Bolivar dan Roddrigues.

Gambar 3   plasmid pBR322 adalah plasmid kloning vektor yang penamaannya berdasarkan para konstruktor yang memetakan gen pada plasmid ini yakni Bolivar dan Rodriguez

Macam-macam Struktur Plasmid Pada Mikrob

Umumnya struktur plasmid bakteri adalah sirkuler (lingkaran tertutup) double stranded. Jadi, misalnya Anda melakukan pemetaaan plasmid dari gen A, maka setelah seluruh gen berhasil Anda petakan, Anda akan menemukan kembali gen A.
Namun ada pula plasmid yang memiliki struktur linear (double stranded lurus) seperti yang ditemukan pada Streptomyces and Borrelia.
Gambar 4  Struktur plasmid linear

Pembentukan Supercoiling Pada Plasmid dan Purifikasi Plasmid dengan Memanfaatkan Fenomena Tersebut.

Pembentukan supercoiling bertujuan memudahkan pengepakan materi genetik dalam bentuk sirkuler seperti pada plasmid bakteri.
Supercoiling pada plasmid dapat Anda bayangkan sebagai karet gelang yang memuntir. Atau kabel telepon yang saling melilit. Akibatnya, sama dengan lilitan kabel telepon yang membuat panjang kabel tersebut berkurang, panjang DNA juga lebih kompak hingga dapat terkemas secara efisien dalam sel.
Supercoiling terbentuk akibat DNA-DNA pada plasmid terikat oleh ikatan kovalen, hingga bagian DNA sirkuler tersebut berdekatan dan memuntir. Fenomena ikatan kovalent ini disebut sebagai covalently closed circular plasmid. 
 
Supercoiling pada plasmid tersebut dapat dibuka dengan enzim topoisomerase yang memuat potongan pada salah satu strand double helix plasmid supercoiling hingga plasmid tersebut terelaksasi dan kembali membentu DNA sirkuler biasa (Gambar 5.)
Gambar 6  DNA supercoiling pada plasmid dan relaksasinya akibat terbentuknya nick pada salah strand dari struktur double strand DNA tersebut. (Sumber Gambar: http://bs.kaist.ac.kr)
Tujuan relaksasi plasmid supercoiling tersebut adalah untuk memudahkan enzim DNA polimerase mereplikasi DNA plasmid yang mengalami supercoling.

[ artikel untuk bacaan lebih lanjut: DNA Topology ]

Supercoiling dan Purifikasi Plasmid

Plasmid umumnya dapat diisolasi dan dipurifikasi dengan metode gradient density menggunakan EtBr-CsCl. Prinsip utama dari metode ini adalah EtBr yang tidak mampu berikatan dengan baik pada DNA plasmid supercoiling. Akibatnya, pada saat campuran ekstraksi sampel dan EtBr disentrufugasi, DNA plasmid yang mengalami supercoiling akan terletak dibawah DNA yang linear atau sirkuler yang mengalami nick (Gambar 7.)
Gambar 7 Purifikasi plasmid
Perbedaan ini terjadi karena DNA plasmid yang mengalami supercoiling memiliki Buoyant density lebih tinggi dibandingkan DNA plasmid sirkuler atau nick yang banyak berikatan dengan EtBr.

Jenis-jenis Replikasi Pada Plasmid Bakteri

Replikasi Plasmid Bakteri: Replikasi Tetha (ϴ)

Replikasi DNA plasmid umumnya disebut replikasi tetha, karena saat direplikasi, plasmid mengalami penggelembungan pada suatu titik hingga nampak seperti lambang uppercase theta (ϴ) (Gambar 8.)
Gambar 8  Replikasi tetha pada plasmid bakteri
Bacaan lanjutan  Cara Mencegah Bakteri Patogen Dengan Quorum Quenching

Proses replikasi DNA plasmid dimulai pada situs khusus pada plasmid yang disebut oriV (origin of replication, V berarti vegetative growth).

Replikasi theta plasmid dimulai dengan membukanya lilitan double strand DNA plasmid pada oriV yang dilanjutkan oleh pembuatan primer oleh RNA polimerase pada oriV tersebut. Selanjutnya, DNA polimerase III mulai menyintesis untai baru DNA plasmid.

Replikasi DNA plasmid bisa berjalan dua arah (bidirectional) dan satu arah unidirectional.

Mekanisme replikasi plasmid tersebut sebagai berikut:

Replikasi Theta Plamid Unidirectional

Pada proses replikasi plasmid unidirectional, replication fork membuka utas ganda DNA plasmid pada satu arah saja.
Proses replikasi theta plasmid: Unidirectional
Proses penambahan basa berlangsung dengan arah 3′ ke 5′ oleh DNA polimerase berlangsung hingga DNA plasmid rampung direplikasi dan masing-masing copy baru dari plasmid terlepas.

Proses Replikasi Theta Plasmid Bidirectional.

Gambar 9  Replikasi plasmid bidirectional
Pada replikasi plasmid bidirectional, arah pembukaan replication fork berjalan dua arah berlawanan. Setelah masing-masing replication fork bertemu pada suatu titik, maka masing-masing plasmid baru memisah dan menyelesaikan proses replikasinya menjadi dua plasmid baru yang utuh.

Replikasi Plasmid: Rolling Circle Replication

Rolling circle replication berlangsung dalam dua tahap berikut:
  1. Replikasi secara utuh yang terjadi pada satu utas DNA plasmid induk, setelah utas tersebut lengkap direplikasi, satu utas induk lain terlepas
  2. Utas yang terlepas direplikasi menjadi DNA plasmid utuh secara otonom dari pasangan awalnya

Mekanisme Rolling Circle Replication

Biomolekul yang Terlibat Dalam Replikasi Rolling Circle

Molekul-molekul yang terlibat dalam proses ini antara lain:

  1. Rep protein: Protein yang memiliki fungsi membuka utas ganda plasmid dan menstabilkan pembukaan itu dengan mengikat asam amino tirosinnya pada ujung fosfat DNA plasmid (5′)
  2. DNA Pol II: Enzim yang menyintesis untai baru DNA plasmid
  3. Enzim ligase: Melengkapi proses sintesis DNA plasmid pada akhir tahap dua
Sedangkan mekanisme pembentukan plasmid baru dengan replikasi Rolling Circle antara lain:
  1. Rep mengenali area pada plasmid yang disebut sebagai Double Strand Origin (DSO) dan membuka utas ganda DNA plasmid
  2. Karena area DSO adalah urutan basa yang palindromik, seringkali terbentuk formasi cruciform yang mirip salib akibat perpasangan basa dari bagian inverted repeat
  3. Rep protein tetap menempel pada area tersebut dengan menstabilkan pembukaan. Hal ini terjadi karena asam amino tirosin pada protein Rep membentuk ikatan kovalen dengan ujung fosfat DNA plasmid (5′)
  4. DNA Pol III memulai replikasi dengan menambahkan basa baru dan mengikatkan gugus fosfat asam amino baru pada gugus hidroksil DNA plasmid lama yang bebas dan proses ini berlangsung hingga utas tersebut berhasil direplikasi
  5. Setelah DNA Pol III menyelesaikan replikasi utas tersebut, protein Rep membuat nick baru dan melepas utas tunggal DNA plasmid yang belum direplikasi. Nick yang terbentuk kemudian diligasi oleh DNA ligase dan membentuk plasmid baru yang utuh
  6. Pada utas yang belum direplikasi, ujung bebas utas DNA yang terlepas tersebut dibentuk DNA sirkuler baru oleh protein Rep dengan mentransfer gugus fosfat DNA yang berikatan dengan tirosin pada awal proses ini dengan gugus hidroksil pada ujung bebas utas DNA tersebut
  7. Pada utas tunggal sirkuler tersebut, proses replikasi dimulai dengan pembentukan primer oleh RNA polimerase dan dilanjutkan dengan DNA Pol III yang menyintesis utas baru berdasarkan basa yang menyusun utas tadi
  8. Setelah plasmid tersebut rampung direplikasi, primer dihilangkan oleh RNA polimerase dan terbentuklah plasmid utuh. Proses ini menghasilkan dua plasmid baru, sama dengan replikasi theta
Bacaan lanjutan  Mengenal Transposon (Transposable Element) Pada Bakteri

Plasmid Host Range: Alasan Mengapa Tidak Semua Bakteri Memiliki Jenis Plasmid yang Sama

Origin of Replication: Alasan Mengapa Tak Semua Plasmid Bisa Direplikasi Oleh Bakteri

Jika Anda melakukan transformasi gen berupa plasmid pada isolat bakteri milik Anda, namun setelah beberapa kali peremajaan plasmid tersebut hilang, maka ada satu hal yang perlu Anda curigai: plasmid host range!
Plasmid host range ditentkan oleh sekuens yang disebut origin of replication region. Plasmid seperti pBR322, pET dab pUC yang diderivatkan dari plasmid CoIE1, yang berasal dari E.coli hanya mampu direplikasi oleh bakteri yang berkerabat dekat dengan E.coli seperti Salmonella dan Klebsiella. Kasus ini sering disebut Narrow host range.
Kasus kedua adalah Broad host range, pada plasmid jenis ini, sekelompok bakteri dengan jumlah kelompok besar mampu mereplikasi plasmid dengan sifat ini.Contohnya adalah plasmid RK2 yang mampu direplikasi oleh hampir seluruh bakteri Gram positif, namun plasmid yang memiiliki ori dari plasmid ini dapat pula direplikasi pada kelompok bakteri Gram negatif.

Plasmid Copy Number: Rata-rata Jumlah Sejenis Plasmid Dalam Sel

Ada dua kemungkinan jumlah plasmid dalam sel. High copy number bila sejenis plasmid memiliki jumlah plasmid lebih dari 20 serta low copy number jika sejenis plasmid meniliki plasmid sedikit, seperti plasmid F yang hanya ada satu pada sel host-nya.
Contoh copy number beberapa plasmid bisa Anda baca pada tabel berikut:

Regulasi Copy Number Pada Plasmid

Regulasi copy number pada plasmid dapat diregulasi oleh protein dan countertranscribed RNA (ctRNA) atau keduanya.

Kontrol plasmid copy number yang paling umum adalah regulasi copy number yang melibatkan protein Rop dan ctRNA, RNA II. Model dengan regulasi ctRNA dan protein ini dipelajari pada plasmid pColE1. Perhatikan dua  peta plasmid pColE1 berikut:

Peta plasmid penyandi Collicin: ada gen penyandi rop protein yang berfungsi mengontrol copy number plasmid disana

Pada bagian lain plasmid tersebut juga ada region pengkode ctRNA yakni RNA I yang berfungsi sebagai pengontrol copy number dan RNA II yang digunakan sebagai pembuat primer untuk mereplikasi plasmid tersebut.

Perhatikan gambar diatas!

Jika copy number dari plasmid hampir dicapai, maka rop protein akan disintesis. Fungsinya begini,

Jika Anda perhatikan, bahwa RNA I dan RNA II adalah dua RNA yang berasal dari sekuens yang sama. Jadi, jika keduanya berdekatan, maka RNA I cenderung berikatan lemah dengan RNA II membentuk kissing complex. 

Keberadaan kissing complex tersebut akan mengganggu proses replikasi plasmid karena RNA II yang membentuk hibrid dengan sekuens DNA ori, merupakan bahan pembuat primer oleh enzim RNAse H untuk replikasi DNA plasmid.

Protein rop akan memperkuat ikatan kissing complex hingga replikasi plasmid akan terhenti total karena RNA I dan RNA II membentuk RNA utas ganda, dan tak ada hibrid RNA-DNA yang dibutuhkan untuk membuat primer replikasi plasmid ini.

Inkompabilitas Plasmid

Inkompabilitas dan Kontrol Replikasi Plasmid

Incoming search terms:

  • fungsi plasmid
  • Fungsi plasmid pada bakteri
  • plasmid adalah
  • plasmid bakteri
  • plasmid pada bakteri
  • fungsi plasmid bakteri
  • pengertian plasmid
  • fungsi dari plasmid
  • fungsi plasmid pada sel prokariotik
  • fungsi plasmid dalam bakteri
author
Author: 
Laila Karomah yang lebih sering berpetualang di dunia maya sebagai evilgenius, merupakan mahasiswi Mikrobiologi Institut Pertanian Bogor. Bidang yang digemari oleh pegiat IT otodidak ini adalah mikrobiologi kesehatan, mikrobiologi lingkungan, bioteknologi mikrob, dan enzimologi.
  1. author

    Evrina Budiastuti3 years ago

    Salam kenal mbak, sejak dulu saya selalu kagum dengan biologi apalagi sampai tingkat mikro karena semakin membuka Maha Besarnya kekuasaan Allah

    Reply
  2. author

    Lay Namikaze3 years ago

    Wah ada mbak Evrina..
    hehe iya mbak.. dari hal sekecil bakteri, banyak misteri alam yg terungkap..

    Reply
  3. author

    LAK4 weeks ago

    referensinya mana ya?

    Reply
    • author
      Author

      Lai Karomah3 weeks ago

      Postingan ini dirangkum dari buku “Molecular Genetics of Bacteria” by Snyder

      Reply

Leave a reply "Plasmid Bakteri – Artikel Lengkap Karakteristik Molekular Plasmid"

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.