Lac Operon di E. Coli
Diperlukan untuk pengangkutan dan metabolisme laktosa pada Escherichia Coli (E. coli). Operon laktosa atau lac operon terdiri dari tiga gen struktural yaitu lacZ, lacY, dan lacA yang menyandikan protein yang terlibat dalam metabolisme laktosa serta beberapa gen regulatory.
Apa itu lac operon?
Operon didefinisikan sebagai unit fungsional DNA yang berisi
sekelompok gen di bawah kendali promotor yang sama. Lac operon pada E. coli
mengandung tiga gen struktural, selain gen pengatur.
Gen struktural meliputi: lacZ – yang mengkodekan enzim,
β-galactosidase; lacY – yang mengkodekan enzim, permease laktosa; dan lacA –
yang mengkodekan enzim, laktosa transasetilase.
Promotor tunggal bertanggung jawab atas transkripsi ketiga
gen ini, yang menghasilkan satu mRNA untuk diterjemahkan menjadi tiga enzim
berbeda. Dari enzim ini, β-galaktosidase mengubah laktosa menjadi glukosa dan
galaktosa; E. coli membutuhkan β-galaktosidase dan laktosa permease untuk
memanfaatkan laktosa dengan baik untuk pertumbuhan.
Gen pengatur operon lac meliputi: lad (lac repressor) yang
berisi urutan promotor dan terminatornya sendiri; lacP (promotor) yang secara
sederhana dapat digambarkan sebagai situs pengikatan polimerase RNA; dan lacO
(operator) yang merupakan tempat pengikatan represor.
Represor lac, yang dihasilkan dari gen lacl, mengatur
transkripsi operon lac. Represor berikatan dengan operator lac untuk menghambat
transkripsinya. Di sisi lain, pembentukan kompleks represor-operator dicegah oleh
penginduksi, yang dalam hal ini adalah laktosa.
Dengan kata lain, ketika laktosa hadir dalam sistem,
represor mengalami perubahan konformasi, yang menghasilkan pengurangan afinitas
pengikatannya untuk operator lac. Akibatnya, represor terlepas dari operon dan
memfasilitasi inisiasi transkripsi gen. Oleh karena itu, ketika E. coli tumbuh
pada sumber selain laktosa, seperti sumber berbasis karbon, gen ini tidak
ditranskripsi, menyebabkan konsentrasi enzim ini sangat rendah di dalam sel.
Sebaliknya, keberadaan laktosa sangat meningkatkan sintesis enzim ini.
Selain sistem kompleks represor-operator, terdapat sistem
kontrol tambahan pada E. coli untuk mengontrol ekspresi gen lac operon. Sistem
tambahan ini disebut represi katabolit. Sistem kontrol khusus ini didasarkan
pada tingkat pemanfaatan glukosa oleh sel.
Dengan kata lain, ketika glukosa dan laktosa ada dalam sel,
transkripsi gen operon lac tidak dimulai sampai semua molekul glukosa habis.
Ketika konsentrasi glukosa seluler tinggi, katabolit glukosa (produk pemecahan
glukosa) mencegah konversi ATP menjadi cAMP, yang merupakan prasyarat untuk
inisiasi transkripsi operon lac. Dengan demikian, metabolisme glukosa juga
mengatur ekspresi gen operon lac dengan memodulasi konsentrasi seluler cAMP.
Keuntungan dan kerugian dari operon lac
Sistem operon lac dari E. coli telah digunakan secara luas
baik untuk tujuan percobaan maupun industri. Gen lacZ, yang mengkodekan
β-galactosidase, paling banyak digunakan sebagai gen reporter dalam sistem
prokariotik dan eukariotik. Ini dianggap sebagai sistem pelapor yang paling
kuat dan andal untuk melacak dan memantau produk gen lacZ.
Uji reporter lacZ didasarkan pada kemampuan β-galactosidase
untuk memecah substrat X-gal yang tidak berwarna menjadi galaktosa dan produk
yang tidak larut yang berwarna biru. Pengujian ini dapat digunakan untuk
memvisualisasikan sel yang mengekspresikan gen reporter baik secara konstitutif
maupun induksi.
Namun, meskipun merupakan sistem reporter serbaguna, ia
memiliki banyak keterbatasan. Misalnya, sistem ini cocok untuk analisis
kualitatif ekspresi gen, namun kuantifikasi produk yang sebenarnya memerlukan
prosedur eksperimental lebih lanjut, seperti pemanenan sel dan persiapan lisat.
Ini membuat sistem tidak cocok untuk penyaringan throughput tinggi. Selain itu,
promotor lacZ berukuran sangat besar, sehingga plasmid yang mengandung fusi
lacZ seringkali sangat besar dan rentan terhadap penghapusan.
Selain gen lacZ, promotor E. coli lac juga telah digunakan
secara luas untuk tujuan penelitian. Selain menginduksi ekspresi gen homolog
dalam operon lac, ini juga digunakan untuk menginduksi ekspresi gen asing yang
dikloning dalam vektor hilir ke promotor lac.
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG), sebuah molekul
tiruan dari metabolit laktosa, digunakan sebagai penginduksi untuk memulai
transkripsi gen melalui promotor lac.
Namun, kelemahan utama dari sistem ini adalah kebocoran yang
melekat. Promotor ini mempertahankan tingkat dasar ekspresi gen bahkan tanpa
adanya penginduksi. Ini membuat sistem ini tidak cocok untuk banyak kondisi
eksperimental, terutama jika gen yang diinginkan memiliki efek toksik pada sel.
Sources
https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/lac-operon
https://www.nature.com/scitable/content/the-lactose-operon-of-escherichia-coli-7005
No comments