View
229
Download
2
Category
Preview:
Citation preview
Prof. (R).Dr. IKA MARISKA SOEDHARMA
METABOLIT SEKUNDER
1. Industri farmasi : obat, pewarnaMis : aspirin dan salicylate
1. Bumbu penyedap makanan2. Kosmetik : minyak wangi3 A i ik b3. Anti mikroba4. Bioinsektisida, biofungisida5. Obat tradisional
Metabolit sekunder - End product (Caspek, 1921) - Natural product (Croteau et al., 2000)
FUNGSI DALAM TANAMAN
1. Antraktan untuk serangga/hewan lainnya : polinasi2. Melindungi dari stress lingkungan3. Mekanisme pertahanan dari serangan hama, penyakit,
herbivora,molusca & vertebrata (phytoalexins)
METABOLIT SEKUNDER
4. Zat pengatur tumbuh5. Meningkatkan kemampuan tanaman dalam bersaing
dengan tanaman lain (alelopati) mis : monoterpenoid6. Penyimpan & sistim transport nitrogen7. Proteksi terhadap ultra violet (Wink, 1987)
Bourgard et al., (2001) : peran penting pada tanamanuntuk adaptasi terhadap lingkungan
METABOLIT SEKUNDER(Robins, 1994 dan Mann, 1995)
• Tidak disintesa secara terusmenerus tetapi hanya padatingkat pertumbuhan danperkembangan tertentu
atau
• Selama periode stress biotikkarena kurang nutrisi ataufaktor abiotik
1. Disimpan dalam biji dan organ penyimpan
2. Mempunyai peran penting untukmetabolisme primer (fotosintesa + respirasi) (terlibat dalam prosesfisiologis utama dengan mekanismeyang sudah diketahui pasti)
3 Volume besar
Essential&
selalu tersedia3. Volume besar
4. Nilai rendah kecuali mesoinositol, ß‐caroten karena untuk ektrasi, isolasi dan pemurnian sulit
5. Untuk bahan mentah makanan, produk nabati, asam lemak (sabun, deterjen), dan karbohidrat.
6. Tersedia banyak di pasar
(terlibat dalamproses fisiologis
utama)
1. Disintesa pada tingkat pertumbuhan tertentu atau adanyastress
2. Disintesa pada sel tertentu dan pada group taksonomitertentu
3. Tidak berperan penting dalam metabolisma primer tapiuntuk kelangsungan hidup dihabitatnya (peran ekologi)untuk kelangsungan hidup dihabitatnya (peran ekologi)
4. Konsentrasi kecil dan persediaan terbatas
5. Nilai ekonomi tinggi
6. Umumnya struktur lebih kompleks sulit disintesis
7. Sulit ditemukan dipasar baru ±15% dari spesiestanaman yang sudah diisolasi
FOTOSINTESA
Penangkapan dan pengumpulan cahaya : klorofil
ATP + NADPH
2. GELAP : asimilasi O2
Reduksi Pentosa Fosfat (siklus Calvin) RUBP
CO2 Fruktosa‐6 P atau Piruvat Malat (C4)
k P UDP l k f k 6 P
FOTOSINTESA …
a. Sukrosa P UDP glukosa + fruktosa 6 PSukrosa P sukrosa + P
b. NDP-D-9-glukosa+Fruktosa Sukrosa+ NDP
Sukrosa D‐glukosa + D‐fruktosa
C3
CO2 – Rubisco
RUBP
C4 (1966)CO2 – PEPC
Anatomi KRAN 2
(mesofil + bundle sheet)
Malat, aspartat, oxaloacetat
FOTOSINTESA
3 PGA
Calvin
Hexosafosfat
p
(mesofil)
3 PGA
Hexosafosfat
(Bundle Sheet)
KARBOHIDRAT FOTOSINTESAPenyimpanan : pati + fruktanSukrosa : transport glukosa, fruktosa- Monosakarida :
glukosa, manosa, arabinosa, xylosa, fruktosa, rhamnosa, galaksana
- Oligosakarida : disusun dari 2 – 5 sakarida (glukosa),
METABOLISME PRIMER :Sukrosa pada tebu bitsukrosa, trehalose, raffinosa, starchyoset
- Polisakarida:Selulosa, amilosa, amilopektin
(BM tinggi) Poligalakturonase, glukomanan, xylans
glikosa, kitin
‐ Sukrosa pada tebu, bit
‐ 3 enzim yang berperan(SPS, SS, Invertase)
JalurMalonat asetat
Karbohidrat
Glikolisis
Asam Fosfoenol Piruvat
Asam Piruvat
Asetil co‐A
CO2 + H2O
Jalur Pentosa FosfatAsam Sikhimat
JalurAsam Shikimat
Senyawa Aromatik
Asam Sitrat(siklus asam)
AsamAmino
Erythrosin‐4‐P
Alkaloid
Asam SinamatJalurMevalonat asetat
Malonit Co‐A
SteroidKarotenoid
Asam Lemak
Poliasetilen
Poliketida
Senyawa Aromatik
Golongan flavonoid
Gambar 1. Jalur biosintesa pada tanaman
Terpenoid
UNTUK MENINGKATKAN PRODUKSI DANAKUMULASI METABOLIT SEKUNDER
Seleksi gen yang berperan atau pohon induk
Seleksi sel
Manipulasi lingkungan
Mutasi
Rekayasa genetik
JALUR METABOLIT SEKUNDER(diluar biosintesa sukrosa + protein)
1. Malonat asetat
2. Mevalonat asetat
3. Asam shikimat
(1885 tanaman Illicum religliosum)
CO2 + H2O Klorofil sukrosa Pentosa fosfat glukosa 6‐fosfat
fruktosa 6‐fosfat
PREKUSOR METABOLIT SEKUNDER
1. Eritrosa‐4‐fosfat
2. PEP
Prekusor dan produk primer dari glukosa-6-fosfat
Senyawa Aromatikberasal dari
Asam Korismik T i t f ti i PAL ( d k khi
Jalur asam shikimat
Asam Korismik(prekusor)
Triptofan, tirosin, PAL (produk akhirasam shikimat)
‐ Auksin a.l. 2,4-D : Trigger sintesis metabolit sekunder seperti fitoaleksinFitoaleksin : anti mikroba (Deverall, 1982)
- PAL Cinnamic acid-Tirosin p = coumaric acid
‐ Tirosin sumber cincin utama Quinon
Hidroksi Benzoat (senyawa antara)
‐ PAL : fenol, lignin, fitoaleksin (dopamin, asam klorogenik, asam shikimik)
Respirasi, sintesa IAA, fisik
Ca, B (1,3), glukanase
Fitoaleksin(senyawa anti mikroba yang disintesa dan diakumulasi pada tanaman sebagairespon terhadap infeksi mikroorganisma)
PAL = enzim yang berperan dalam produksi molekul dasar komponen organik yang berhubungan dengan ketahanan terhadap penyakit
As. Co. A :
1. Titik awal elaborasi metabolit sekunder
2. Kunci perombakan hidrat arang, lemak, protein
Asam palmitat (metabolit primer derivatif metabolitsekunder dari jalur asam malonat (selain asam lainnya)
A l t l t k bi i t t idAsam mevalonat : senyawa awal untuk biosintesa terpenoid& steroid
PAL asam sinamat asam ß‐coumarat
TIROSIN
(umumnya komponen aromatik)
• Pada tanaman tinggi dan jamur
• Asetil Co.A Malonyl Co.A poliketida
• Orsellinic acid (>pada jamur), derivatif phloroglucinol
Jalur Acetat Mevalonat1. Essential oil2. Squalent3. Monoterpenoid4. Mentol5. Korosinoid6. Streoid7. Terpenoid8. Sapogenin9. Geraniol10 ABA GA3
Jalur Asam Shikimat1. Asam Sinamat Fenol2. Asam benzoik3. Lignin4. Koumarin5. Tanin6. Asam amino benzoik7. Quinon
Benzenoid berasal dari 2 jalur10. ABA, GA3 1. Asam shikimat
2. Acetat mevalonat
• Terpenoid : isoprenoid (5 unit carbon), mis: peppermitM. piperita, spermintM. psicata
• Monoterpenoid (C10) : volatile essence (herbs + spices)
PiruvatGliseraldehyde IPP (prekussor) terpenoid (>25.000)
JALUR ASETAT MALONAT
1. Asam lemakLaurat, Miristat, Palmitat, Stearat,Oleat,Linoleat dan Linolenik
2. Poliasetilen3. Gliserid4. Fosfolipid5. Glikolipid
Pada berbagai tanaman :Jarak pagar, kelapa sawit, kelapa, jagung, kacang tanah, zaitun, bungamatahari, kedelai, wijen, kapas, coklat, alpukat
: (kultur kalus, sel & akar rambut = KAT)
1. Bonner Aireguin (1950): Biosintesa karet dari kalusGuayule
2. Tulecke + Nickell (1956)
KULTUR JARINGAN METABOLIT SEKUNDER YANG BANYAK DIKENAL
KOMERSIAL (1983)
1. Mitsui Petrochemical IND: skala industri
• Shikonin dari kultur sel Lithospermumerithorhizon (anti bakteri, zat pewarna, kosmetik untuk luka dll) Kultur akar
Lithospermum erithorhizonkosmetik, untuk luka dll). Kultur akarrambut bioreaktor 20.000 ml
• Sikonin dari alam dari akar pada saattanaman umur 5 – 7 tahun (1‐2 %) melaluikultur jaringan = 12 – 15%
2…
2. Ginsenoida dari akar ginsengSaponin + Ginsenoida. Nitro Denko Comp. (1991) Bioreaktor 20.000 l (kultur akar)
3. Vinblastine + Vincristine dari Catharanthus roseusAlkaloid untuk leukimia
4. Ajmalicine dari Rauvolvia sp anti hipertensi Rauvolvia sp
Clove
Cengkeh
HASILKELTI BIOLOGI SEL DAN JARINGAN
Artemisia
1. Alkaloid – Rauvolvia serpentina2. Atropine – Hyoscymus niger3. Caffeine – Coffea arabica4. Cocaine – Erythorxylon coca5. Nikotin – Nicotiana tabacum6. Quinine – Cinchona officinalis7. Scopolamine – N. niger8. Vinblastine – Catharanthus roseus
•Alkaloid – 12.000 senyawa organik
SELEKSI SEL
1. Visual terutama pigmen
2. Analisis kimia : RIA
3. Ukuran/agregat sel
1. Pertumbuhan sel dengan biosintesa sejalan(pada seluruh pertumbuhan), mis: Nikotin dari tembakauAnthosianin dari kultur sel Haplopapus gracilis
Morinda sp
Nitotiana tabacum
Anthraquinon dariMorinda sp
2. Pembentukan pada pertumbuhan sel meningkatMis : Shikonin dari kultur kalus Lithospermum sp
3...
Haplopapus gracilis
Lithospermum erithorhizon
3. Kurva produksi diphasic danproduksi tertinggal(pertumbuhan monoton) dibelakang kurva pertumbuhan
mis :
Diosgenin dari kultur selDioscorea deltiodea
4. a. Diferensiasi morfologimis :
Pada kultur kalus Atropa belladona(alkaloid) terbentuk saat kalusmembentuk akar
Atropa belladona
4. b. Diferensiasi morfologiDatura innoxia alkaloid bagiandari akar (hyoscyamine, scopolamine) Datura innoxia
Linsdsey + Yeomann (1983) : Diferensiasi ada 2
Linsdsey + Yeomann (1983) : Diferensiasi ada 2
1. Terjadi perubahan bentuk + struktur + fungsi dariindividu sel sitodiferensiasi
2. Perubahan dalam organisasi selPembentukan struktur morfologi yang dapat dikenal
BERBAGAI FAKTORPRODUKSI METABOLIT SEKUNDER
Formulasi media
Faktor Fisik
G ti lGenotipa sel
• Logam berat, elicitor, sinar UV
Stress
Precusor
Elicitor :Toksin,filtrat dari mikroba
1. Frekuensi pemberian2. Fase pertumbuhan sel3. Periode pemberian
Elicitor glucan a.l. phenyl propanoid- CHS kunci biosintesa isoplavonoid- CHI kunci biosintesa phenylpropanoid
• 1) Kultur harus mempunyai enzim untukbiotransformasi
• 2) Hasil akhir harus dibentuk lebih cepatdibanding metabolit lain
) l h d l l d k• 3) Sel harus dapat mentolelir adanya prekusor
Murah, cepat + mudah membentuk senyawa akhir(dihindarkan perkusor untuk metabolit primer)
(Steele & Constabel, 1974)
Ketersediaan enzim (tidak ada/terbatas
Hambatan dalam sistem transportasi
(Bohm, 1981)
prekusor ke sel target
Keterbatasan prekusor
Modifikasi dari prekusor menjadi produk lebih berhargayang digunakan untuk industri farmasi, kimia dengan
menggunakan biokatalistik (Pros, 1990)
1. Sudah dikenal (solasodin, diosgenin dll.)
2. Senyawa baru (tidak ada dalam tanaman)
3. Biotransformasi (tidak ada/ada dalam tanaman)
• Mulai 1980 : Kultur akar dengan A. rhizogenes
1. Pertumbuhan lebih cepat2. Produksi metabolit sekunder lebih
stabil3. Lebih mudah untuk memanipulasi4. Kemungkinan dapat berfotosintesa
baik untuk produksi metabolitsekunder
5. Tanpa zat pengatur tumbuhk
CIRI KAT :Derajat percabangan lateraltinggiK t b h i
KEUNTUNGAN DENGAN KAT
eksogen6. Resistensi tinggi terhadap
kontaminasi7. Derajat percabangan tinggi
Kurva tumbuh menyerupaikultur suspensiTidak terpengaruhgeotropismeStabil dalam produksimetabolit sekunder
Hamill et al., 1986 + Tappi, 1996
• Agrobaterium (plasmid T‐DNA + Vir.)
‐ Untuk induksi Tumor Ti
‐ Untuk induksi akar Ri : pRi = T‐DNA + vir region
TL d TR
Kultur AkarRambut …
T‐DNA = TL dan TR(Hunter, 1990)
• Vir (35 kb, 60 peran) : efisiensi transformasi
• TL + TR TL untuk determinasi fenotipa akar & memelihara akar rambut
TL + TR = Inisiasi akar vigorous
Triptophan monooksigenaseIndol acetamide hidrolase
Isopenteniladenosin
• TL : iaa M (tms 1) iaa H (tms 2) IAA
• TR : ip t : Isopentenil pirofosfatAdenosin monofosfat SITOKININ
• Strain yang banyak dipakai : pRi A4, pri Hri, pri 1855, pri 8196, LBA 9457, AT (c15834 dan 07.2001)
Strategi Produksi Metabolit Sekunder dengan KAT
Tanaman
Seleksi
KAT(Eksplan)
RegenerasiVarietas/regeneran
• KAT• Produksi• Pertumbuhan
Skala besar(Bioreaktor)
• Regeneran• Produksi• PertumbuhanMikropropagasi
(Lapang)
Regenerasi
Produksi metabolitSekunder
untuk Produksi Metabolit Sekunder(PERBAIKAN)
1. Variasi seleksiKAT kalus (radiasi) variasi suspensi sel
sel tunggal seleksi KAT (lini baru)
T f i2. Transformasi3. Biotransformasi (+prekusor)4. Elisitasi : biotik (Co + Cad) + abiotik5. Regeneran : pRi6. Pohon induk : produksi tinggi
TANTANGANPRODUKSI METABOLIT SEKUNDER
(Whitaker & Hashimoto, 1985)
1. Mendapatkan varian + sistim kultur untuk produksitinggi
2 Mengembangkan bioreaktor yang tepat agar2. Mengembangkan bioreaktor yang tepat agarkemampuan genetis + biokimia sel dapatdieksploitasi
1. Warna bunga : modifikasi warna
a. Flavonoid, betalain, carotinoid
antisensing gen chalcone (petunia, ros, gerbera,
ti k i t)carnation, krisant)
b. Golden rice :
Precusor geranyl diP ß‐carotene phytoene synthase
2…
2. Sintesa lignin
• Industri kertas : dipisahkan lignin dari selulosa (selulosalebih berharga
• Lignin untuk memudahkan ekstraksi
3. Industri Farmasi
Terutama dari golongan alkaloidg g
Mis : Attropa belladona (Yun et al., 1992)
Gen H6H dari Hyoscyamus niger Hyoscyamine
scopolamine
Penguasaan : Biopathway
• Tanaman menghasilkan senyawa organik (tidakberhubungan langsung dengan proses produksimetabolit primer) untuk pertumbuhan & perkembangan
metabolit sekunder.• Fungsi ekologi (ketahanan terhadap faktor biotuk +
penarik polinator dan menyebarkan biji) + untukberinteraksi dengan lingkungan (keuntungankompetitif) dengan species lain.
• “Natural product” (3 komponen besar) : terpenoid & steroid, alkaloid dan phenolic (phennyl propanoids).
• Terpenoid (5 karbon) : dari jalur mevalonat + asetatatau jalur piruvat (gliseroldehid 3-P). Umumnya toksikh bi idherbisida.
• Alkaloid dari asam amino. Proteksi tanaman dariherbivora + senyawa berguna untuk industri farmasi.
• Phenol berasal dari phenyl 1 propanoid, phenyl.
• Fenol dari asam shikimat :
mis :
a. Tanin, flavonoid, lignin + fenolsederhana proteksi terhadapherbivora + patogen
PENDEKATANBIOTEKNOLOGIherbivora + patogen
b. Flavomoid: pigmen, alelopati(mempengaruhi pertumbuhantanaman lain)
BIOTEKNOLOGI
PENDEKATANBIOTEKNOLOGI
Konsentrasi metabolismeMis : insektisida alami
Hasil untuk industri farmasi, Parfum, kosmetik, insektisida
yang bernilai ekonomi tinggiSeleksi mutan pada sisten sistem regulatorSeleksi mutan pada sisten sistem regulatorMencegah inhibitor untuk produk targetMeningkatkan aktifitas enzimModifikasi lintasan yang adaManipulasi gen regulatorMengurangi reaksi/lintasan yang sudah ada
Recommended