Taksonomi Mikroba

Read Also

Ringkasan

Mikroba sangat beragam dalam hal ukuran, bentuk, fisiologi, dan cara hidup. Pokok bahasan ini akan mengenalkan prinsip-prinsip umum dan menyajikan ringkasan skema klasifikasi terbaru. Pada bahasan berikutnya, berbagai kelompok mikroba akan dijelaskan lebih rinci.

Kompetensi

Setelah membaca pokok bahasan ini Saudara diharapkan dapat:

1. menjelaskan logika dibalik ilmu taksonomi
2. menjelaskan tiga domain organisme (Bacteria, Archaea, and Eucarya)
3. menjelaskan arti kata spesies dan dasar penggolongan organisme ke dalam spesies
4. menjelaskan cara organisme digolongkan
5. menjelaskan beragam karakteristik yang digunakan dalam taksonomi dan menerangkan mengapa asam nukleat mungkin indikator filogeni dan keterkaitan mikroba
6. menjelaskan skema klasifikasi yang digunakan dalam Bergey's Manual of Systematic Bacteriology
7. menjelaskan sifat dinamis taksonomi bakteri dan tipe data baru yang mendukung perubahan pengklasifikasian organisme

Konsep-konsep penting yang dipelajari dalam pokok bahasan ini meliputi:

1. Agar supaya dapat memahami keragam organisme, perlu untuk mengelompokan organisme yang sama dan mengorganisasikan kelompok ini dalam penataan hirarki tanpa tumpang tindih. Taksonomi adalah ilmu yang mengkaji klasifikasi biologis.
2. Kelompok prokariotik (archaeobacteria dan eubacteria) muncul pertama kali, kemudian kelompok eukarot.; organisme tersebut dikelompokkan dalam dalam tiga domain: Eubacteria (Bacteria), Archaea, and Eucarya. Ketiga domain ini berbeda satu sama lain dalam urutan rRNA dan banyak karakter yang lain.
3. Kelompok taksonomik dasar adalah spesies, yang ditentukan baik dalam hal reproduksi seksual maupun kemiripan umum..
4. Klasifikasi didasarkan atas analisis huhungan evolusi (klasifikasi filogenetik atau filetik) atau kemiripan (klasifikasi fenetik). Hasil analisis ini seringkali diringkas dalam diagram mirip pohon yang disebut dendogram.
5. Karakteristik fisiologis, metabolik, ekologis, genetik, dan molekuler secara keseluruhan berguna dalam taksonomi karena semua mencerminkan organisasi dan aktivitas genom..Urutam asam nukleat diduga merupakan indikator filogeni dan hubungan mikroba terbaik.
6. Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology edisi pertama adalah fenotipik dan membagi bakteria berdasarkan atas karakter yang mudah ditentukan seperti bentuk, sifat pewarnaan Gram, hubungan oksigen, dan motilitas.  Edisi keduanya, dengan lima volume dan 30 seksinya, diorganisasikan secara filogenetik dan membagi prokariot ke dalam dua domain dan sekurang-kurangnya 14 kingdom.
7. Taksonomi bakteri berubah sangat cepat sejak masuknya data baru, khususnya data yang diperoleh menggunakan teknik molekuler seperti komparasi struktur RNA ribosomal dan urutan kromosom. Hal ini akan mengarah ke klasifikasi fiogenetik baru..

Garis Besar Pokok Bahasan

1. Pendahuluan Umum dan Ringkasan
1. Taksonomi adalah ilmu klasifikasi biologis
1. Klasifikasi adalah penataan organisme ke dalam kelompok-kelompok (taksa)
2. Nomenklatur adalah pemberian nama untuk kelompok-kelompok taksonomi
3. Identifikasi adalah  penentuan isolat tertentu pada takson tertentu
2. Peranan taksonomi mikroba
1. Memungkinkan ilmuwan mengorganisasikan sejumlah besar pengetahuaannya
2. Memungkinkan ilmuwan membuat prediksi dan kerangka hipotesis tentang organisme
3. Menempatkan organisme dalam kelompok-kelompok bermakna dengan memberi nama secara tepat, jadi akan mempermudah komunikasi ilmiah.
4. Penting untuk identifikasi mikroorganisme secara tepat.
3. Sistematik adalah kajian ilmiah organisme dengan tujuan akhir untuk mengkarakterisasi dan menempatkan organisme dengan cara yang teratur
4. Taksonomi mikroba saat ini sedang memasuki perode perubahan besar yang disebabkan oleh penggunaan teknik molekuler
2. Evolusi dan Keragaman Mikroba
1. Bumi berumur kira-kira 4,6 milyar tahun dan sisa-sisa fosil sel prokariotik berumur 3,5-3,8 milyar tahun terdapat dalam stromatolit dan batuan sedimen.
1. Stromatolit adalah batuan berlapis yang dibentuk dari penggabungan sedimen mineral menjadi hamparan mikroba (microbial mats)
2. Prokariot pertama mungkin bersifat anaerob.
3. Sianobakteri aerobik mungkin muncul 2,5-3,0 milyar tahun yang lalu.
2. Hasil penelitan Carl Woese dan kawan-kawan menyarankan bahwa organisme dibagi dalam tiga domain:
1. Eukaria-meliputi seluruh organisme eukariotik
2. Bakteria-terdiri dari organisme prokariotik yang mempunyai rRNA bakterial and lipid membran terutama berupa diasil gliserol eter.
3. Archaea-terdiri dari organisme prokariotik yang mempunyai rRNA archaeal dan lipid membran terutama berupada isoprenoid gliseral dieter atau turunan diglesrol tetraeter.
3. Sel eukariotik modern yang muncul kurang lebih 1,4 milyar tahun yang lalu berasal dari prokariot.
1. Hipotesis I: perkembangan kloroplast dan mitokondria merupakan pelipatan (invaginasi) membran plasma dan kemudian membentuk ruang- ruang (compartmentalization) dengan fungsi tertentu.
2. Hipotesis II (hipotesis endosimbiotik) menyarankan sebagai berikut:
1. Proses pertama pembentukan sel eukariot adalah pembentuk nukleus (mungkin fusi bakteri dan archaea  purba)
2. Kloroplast dibentuk ketika bakteri fotosintetik yang hidup bebas bersimbiosis dengan sel eukariotik primitif (sianobakteria dan proklron disarankan sebagai kandidat yang paling kuat).
3. Mitokondria mungkin terbentuk melalui proses yang sama (tetua Agrobacterium, Rhizobium, dan riketsia menjadi kandidatnya)
3. Hopotesis endosimbiotik mendapat dukungan kuat dari penemuan sianobakterium yang berendosimbiotik dengan protista biflagelata (Cyanophora paradoxa); sianobakterium berfungsi sebagai chloroplast Cyanophora paradoxa; endosimbiotik ini kernal sebagai sianel (cyanelle)
3. Tingkatan Taksonomi (Taxonomic Ranks)
1. Tingkatan taksonomi (dari bawah ke atas) adalah: spesies, genus, famili, ordo, klas, dan kerajaan (kingdom); Namun, ahli mikrobiologi seringkali menggunakan nama seksi (suatu pengelompokan yang kurang formal) yang bersifat deskriptif untuk kelompok-kelompok organisme tertentu, seperti metanogen, purple bacteria, bakteri asam laktat, dan lain-lain.
2. Kelompok taksonomi dasar adalah spesies
1. Spesies prokariotik tidak didefinikan atas dasar kecocokan (compatibility) reproduktif seksual (sebagaimana pada organisme tingkat tinggi) tetapi didasarkan atas perbedaan fenotipik dan genotipik; spesien prokariotik adalah koleksi galur (strain) yang mempunyai banyak kesamaan sifat yang stabil dan berbeda secara nyata dengan sekurang-kurang beberapa kelompok galur lain.
2. Galur adalah populasi organisme yang dapat dibedakan dari sekurang-kurang beberapa pupulasi lain dalam suatu kategori taksonomik, galur dianggap berasal dari organisme tunggal atau isolat kultur tunggal.
1. Biovar – berbeda secara biokimiawi atau fisiologis
2. Morfovar – berbeda secara morfologi
3. Serovar – berbeda sifat antigenik
3. Galur tipe (Type strain) adalah galur suatu spesies yang dikaji pertama kali (yang paling rinci dikarakterisasi), galur ini tidak harus anggota yang paling mewakili.
4. Genus adalah kelompok spesies (satu atau lebih) yang telah ditentukan dengan sangat baik yang secara jelas terpisah (berbeda) dari genera lain.
3. Dalam sistem nomenklatur binomial yang diajukan oleh Carl von Linne (Carolus Linnaeus), huruf pertama nama genus ditulis dengan huruf besar dan epitet spesifik ditulis dengan huruf kecil pada huruf pertamanya (e.g., Escherichia coli); dalam artikel ilmiah, huruf pertama genus dapat disingkat penulisan penulisan setelah digunakan setelah ditulis lengkap pada penulisan sebelumnya. (contoh, E. coli).
4. Sistem Klasifikasi
1. Klasifikasi Alami (Natural classification) – penataan organisme ke dalam kelompok-kelompok yang anggota-anggotanya mempnyai banyak kesamaan sifat dan mencerminkan sebanyak mungkin sifat biologis organsme.
2. Sistem (Phenetic systems) adalah mengelompokkan organisme didasarkan atas kesamaan secara keseluruhan:  
1. Seringkali berupa suatu sistem alami yang didasarkan atas kesamaan karakter.
2. Tidak tergantung pada analisis filogenetik
3. Menggunakan “unweighted traits”
4. Sistem terbaik jika membandingkan sebanyak mungkin sifat (attributes).
3. Taksomi Numerik (Numerical taxonomy):  
1. Informasi sifat suatu organisme dikonversikan ke bentuk yang sesuai untuk analisis numerk dan dibandingkan menggunakan komputer
2. Ada atau tidaknya sekuran-kurangnya 50 (sebaiknya beberapa ratus) karakater dibandingkan; karakter tersebut di antaranya karakter morfologi, biokimiawi, dan fisiologi)
3. Koefisien asosiasi ditentukan di antara karakter-karakter yang dimiliki oleh dua organisme
1. Koefisien kesesuaian sederhana (Simple matching coefficient) – proporsi yang sesuai (match) baik untuk karakter yang ada maupun tidak ada.
2. Koefisien Jaccard (Jaccard coefficient) – mengabaikan karakter-karakter yang tidak ada pada kedua organisme
3. Nilai-nilai tersebut diatur untuk membentuk matriks kesamaan  (similarity matrix); organisme dengan kesamaan tinggi dikelompokkan bersama dalam fenon (phenons)
4. Perbedaan (significance) fenon tidak selalu jelas terlihat tetapi fenon dengan kesamaan 80% seringkali dianggap satu spesies (bakteri).  
4. Menggunakan  unweighted traits
5. Sistem terbaik jika membandingkan sebanyak mungkin karakter  (attributes) 

4. Sistem filogeneti (filetik) {Phylogenetic (phyletic)-pengelompokan organisme didasarkan pada hubungan evolusioner
1. Untuk prokariot adalah sulit untuk mengetahui hubungan evolusi karena kekurangan catatan fosil yang baik.
2. Pembandingan langsung materi genetik dan produk gen seperti rRNA dan protein dapat digunakan untuk mengatasi kesulitan tersebut di atas.

5. Karakter utama yang digunakan dalam taksonomi
1. Karakter klasik (Classical characteristics)
1. Karakter morfolofi (Morphological characteristics)- mudah untuk dianalisis, stabil secara genetis, variasi tidak besar terhadap perubahan lingkungan; seringkali menjadi indikasi yang baik untuk hubungan filogenetik.
2. Karakter fisiologis dan metabolik (Physiological and metabolic characteristics)- berkaitan langsung dengan enzim dan protein transport (produk gen) dan oleh karenanya secara tidak langsung menunjukkan perbandingan genom mikroba.
3. Karakter ekologi (Ecological characteristics) – meliputi pola siklus hidup, hubungan simbiotik, patogenitas,  preferensi habitat, dan kebutuhan pertumbuhan.
4. Analisis genetik (Genetic analysis) – meliputi kajian pertukaran gen kromosomal melalui konjugasi dan transformasi; proses ini jarang terjadi antar genera; harus hati-hati untuk mengindari kesalahan yang disebabkan adanya karakter dari plasmid.
2. Karakter Molekuler (Molecular characteristics)
1. Pembandingan protein (Comparison of proteins)-berguna sebab merefleksikan informasi genetik organisme, analisisnya melalui:

                                                                               a.      Penentuan urutan asam amino protein

                                                                              b.      Perbandingan mobilitas elektroforesis

                                                                               c.      Penentuan reaktivitas silang imunologis (immunological cross-reactivity)

                                                                              d.      Perbandingan sifat enzimatis

                                                      2.            Komposisi basa asam nukleat  

                                                                               a.      Kandungan G+C dapat ditentukan atas dasar suhu leleh (Tm) –suhu (panas) yang mengakibatkan untai ganda molekul DNA memisah)

                                                                              b.      Secara taksomi berguna karena variasi dalam genus biasanya kurang dari 10% tetapi variasi di antara genera jauh lebih besar, berkisar 25-80%

                                                      3.            Hibridisasi asam nukleat (Nucleic acid hybridization)

                                                                               a.      Menentukan tingkat homologi urutan

                                                                              b.      Suhu inkubasi mempengaruhi tingkat homologi urutan yang diperlukan untuk membentuk hibrid stabil

                                                      4.            Penentuan urutan asam nukleat (Nucleic acid sequencing)

                                                                               a.      Gen rRNA adalah paling ideal untuk perbandingan sebab urutan basa gennya mengandung urutan yang stabil secara evolusioner (lestari) dan urutan bervariasi

                                                                              b.      Sekarang ini, genom prokariotik lengkap telah ditentukan; perbandingan langsung urutan genom lengkap akan menjadi sangat penting dapam taksonomi prokariotik

6. Penilaian filogeni mikroba (Assessing Microbial Phylogeny)
1. Kronometer molekuler (Molecular chronometers)- asumsi bahwa laju perubahan adalah konstan merupakan asumsi yang tidak tepat; mungkin asumsi yang tepat, laju perubahan gen tertentu adalah konstan
2. Pohon filogenetik (Phylogenetic trees)

                                                      1.      membuat percabangan yang menghubungkan titik (nodes), yang merupakn unit taksonomi, seperti spesies atau gen; akar pohon merupakan titik yang bertindak sebagai tetua (nenek moyang) untuk seluruh organisme yang sedang dianalisis.

                                                      2.      dibuat dengan membandingkan urutan molekuler dan perbedaan dinyatakan sebagai jarak evolusioner; kemudian organisme dikelompokkan untuk menentukan tingkat hubungan; atau tingkat hubungan dapat diduga dengan analisis parsimony yang mengasumsikan bahwa perubahan evolusioner organisme tertentu terjadi sepanjang jalur terpendek dengan perubahan paling sedikit terhadap tetuanya.

3. rRNA, DNA, dan protein sebagai indikator filogeni

                                                      1.      Koefisien asosiasi (Association coefficients) dari kajian rRNA adalah suatu ukuran tingkat hubungan (relatedness)

                                                      2.      Urutan penanda oligonukleotida (Oligonucleotide signature sequences) terdapat di sebagian besar atau seluruh anggota kelompok filogenetik tertentu dan jarang atau tidak pernah ada di dalam kelompok lain bahkan yang dekat sekali pun; berguna pada tingkat kingdom atau domain.

                                                      3.      Kajian kesamaan DNA jauh lebih efektif pada tingkat genus dan spesies

                                                      4.      Urutan protein kurang dipengaruhi oleh perbedaan kandung G+C pada organisme tertentu

                                                      5.      Analisis tiga tipe molekult tidak selalu menghasilkan pohon evolusi yang sama.

4. Taksonomi polifasik (Polyphasic taxonomy)

                                                      1.      Menggunakan kisaran luas informasi fenotipik dan genotipik untuk mengembangkan skema taksonomi

                                                      2.      Teknik dan informasi yang digunakan tergantung pada tingkat resolusi taksonomi yang diinginkan (contoh, teknik serologis baik untuk mengidentifikasi galur, tetapi tidak baik untuk tingkat genera atau spesies.

VII.      Pengelompokan utama kehidupan (The Major Divisions of Life)

1. Domain

                                          1.            Woese dan kawan-kawan menggunakan kajian rRNA untuk mengelompokkan seluruh organisme ke dalam tiga domain.

                                                                   a.      Bakteri – meliputi sebagian besar prokariot; dinding sel mengandung asam muramik; lipid membran mengandung asam lemak rantai lurus yang diikatkan oleh ikatan ESTER.

                                                                  b.      Archaea – prokariot yang kekurangan asam muramik, mempunyai lipid yang mengandung rantai alifatik bercabang yang dihubungkan oleh ikatan ETER, kekurangan timidin pada tangan T molekul tRNA, mempunyai RNA polimerase jelas (distinctive), dan mempunyai ribosom dengan komposisi dan bentuk berbeda dengan yang terdapat di bakteri

                                                                   c.      Eukaria – mempunyai yang struktur organ yang dilapisi oleh membran yang lebih kompleks.

                                          2.            Beberapa pohon filogenetik berbeda telah diusulkan yang menghubungkan domain utama; beberapa pohon yang diusulkan tidak medukung pola tiga domain.

                                          3.            Salah satu kesulitan dalam mengkonstruksi suatu pohon filogenetik adalah transfer gen horisontal yang sering terjadi secara luas; pohon yang lebih benar, mungkin menyerupai jejaring dengan banyak percabangan lateral yang menghubungan bermacam-macam anak cabang (trunks)

                       B.      Kingdom

                                          1.            Sistem lima kingdom yang diusulkan oleh Whittaker, yang pada awal diterima secara luas, adalah:   

                                                                   a.            Hewan-eukariot multiseluer dan tidak berdinding sel dan  nutrisi ingestive. 

                                                                  b.            Tumbuhan-eukariot multiseluler berdinding sel dan nutrisi fotoautotropik (photoautotrophic nutrition)

                                                                   c.            Jamur (Fungi)-eukariot multiseluler dan uniseluler berdinding sel dan nutrisi absorptif (absorptive nutrition)

                                                                  d.            Protista-eukariot uniseluler dengan bermacam-macam mekanisme nutrisi

                                                                   e.            Monera (Prokariot)-seluruh organisme prokariotik

                                          2.            Banyak ahli biologi tidak menerima sistem Whittaker system, terutama disebabkan sistem tersebut tidak membedakan bakteri dan archaea

                                          3.            Beberapa sistem alternatif telah disarankan, seperti sistem enam kingdom dan dua kerajaan (empire), delapan kingdom

8. Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology

                            A.      Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology edisi pertama- terutama adalah fenetik (phenetic)

                                          1.      Terdiri dari 33 seksi (sections) dalam empat volume  

                                          2.      Masing-masing seksi terdiri dari bakteri yang mempunyai kesamaan karakter yang secara mudah dapat ditentukan (contoh, morfologi, reaksi gram, hubungan oksigen) dan memuat judul yang menggambarkan sifat-sifat atau memberikan nama daerah bakteri

                             B.      Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology edisi kedua

                                          1.      Lebih banyak filogenetik daripada fenetik

                                          2.      Terdiri dari lima volume

9. Survei filogenetik dan keragaman prokariot

                            A.      Volume 1 (of 2nd edition of Bergey’s Manual): The Archaea, Genera bakteri fototropik dan dekat percabangan dengan archaea

                                          1.      Archaea-dibagi dua phyla

                                                       a.      Crenarchaeota- phylum yang beragam terdiri dari organisme termofilik dan hipertermofilik dan juga beberapa organisme yang tumbuh di laut pada suhu rendah sebagai picoplankton

                                                      b.      Euryarchaeota- terdiri dari terutama prokariot metanogenik dan halofilik dan uga prokariot termofilik, pereduksi sulfur

                                          2.      Bakteri

                                                       a.      Aquificae - phylum yang terdiri dari bakteri autotropik yang menggunakan hidrogen sebagai sumber energi; sebagian besar adalah bakteri termofilik

                                                      b.      Thermatogae - phylum yang terdiri dari bakteri gram negatip, fermentatif termofilik, anaerobik.; mempunyai asam lemak yang tidak umum

                                                       c.      Deinococcus-Thermus – phylum ini meliputi bakteri dengan resistensi luar biasa terhadap radiasi dan organisme termofilik

                                                      d.      Chloroflexi – phylum ini terdiri dari bakteri yang seringkali disebut bakteri nonsulfur hijau; beberapa melakukan fotosintesis anoksigenik (anoxygenic), sedangkan yang lain bakteri respiratori dan bergerak secara gliding; mempunyai peptidoglikan yang tidak biasa dan tidak mempunyai liposakarida dalam membran luarnya

                                                       e.      Cyanobacteria-phylum yang terdiri dari bakteri fotosintetik oksigenik

                                                       f.      Chlorobi- phylum ini terdiri dari bakteri fotosintetik anoksigenik yang dikenal sebagai bakteri sulfur hijau

                       B.      Volume 2: Proteobacteria – hanya satu phylum disebut Proteobacteria, yang terdiri dari banyak ragam bakteri gram negatip.

                       C.      Volume 3: Bakteri gram positip dengan kandung G+C rendah – hanya satu philum disebut Firmicutes; seluruhnya mempunyai kandungan G+C 50%; kecuali mycoplasma, yang tidak mempunyai dinding sel, seluruhnya adalah gram positip; meliputi genera yang menghasilkan endospora

                      D.      Volume 4: Bakteri gram positip dengan kandungan G+C tinggi – mencakup phylum Actinobacteria; mempunyai kandungan G+C 50-55%; meliputi bakteri  filamentous (actinomycetes) and bakteri dengan dinding sel yang tidak biasa (mycobacteria)

                       E.      Volume 5: Planctomycetes, Spriocheates, Fibrobacteres, Bacteroidetes, dan Fusobacteria- campuran dari berbagai jenis kelompok filogenetik dengan percabangan dekat yang tidak harus berhubungan satu sama lain walaupun seluruhnya gram negatip.

                                    1.      Planctomycetes - phylum terdiri dari bakteri dengan sifat tidak biasa, termasuk dinding sel yang tidak mempunyai peptidoglika dan sel dengan nukleoid yang diselimuti membran; membelah dengan bertunas dan membentuk tonjolan (appendages) yang disebut stalks

                                    2.      Chlamydiae - phylum terdiri dari patogen intraseluler obligat yang mempunyai siklus hidup unik; patogen ini tidak mempunyai peptidoglikan.

                                    3.      Spirochaetes- phylum terdiri dari bakteri berbentuk heliks dengan morfologi dan motilitas unik

                                    4.      Bacteroides- phylum yang terdiri dari sejumlah bakteri penting secara ekologis.