Penulis: Prof. Erly Marwani Reviewer: Prof. Pingkan Adityawati ISBN: - e-ISBN: -
Sinopsis
Tumbuhan merupakan fondasi kehidupan melalui fotosintesis yang mengubah energi matahari menjadi bahan organik dan oksigen. Hasil fotosintesis selanjutnya dimanfaatkan melalui metabolisme untuk mendukung pertumbuhan, perkembangan, reproduksi, dan biosintesis berbagai metabolit bernilai. Proses ini dikendalikan secara terintegrasi oleh ekspresi gen, aktivitas enzim, hormon, prekursor metabolit, dan faktor lingkungan. Pemahaman regulasi metabolisme menjadi dasar pengembangan teknologi tumbuhan untuk mengoptimalkan pertumbuhan, propagasi, dan produksi senyawa bernilai.
Salah satu penerapan regulasi metabolisme adalah pada kultur in vitro, yaitu melalui pengaturan keseimbangan auksin dan sitokinin untuk mengarahkan pembelahan, diferensiasi, dan regenerasi tanaman. Pendekatan ini telah diterapkan pada berbagai tanaman, termasuk tanaman pangan, obat, kehutanan, serta tanaman khas ekosistem Alpin Pegunungan Jaya Wijaya. Selain propagasi, kultur in vitro dapat menghasilkan metabolit sekunder bernilai ekonomi, meskipun produksinya sering masih rendah. Kondisi tersebut mendorong penerapan rekayasa metabolisme untuk mengarahkan aliran metabolik (metabolic flux) melalui pemberian induktor dan manipulasi ekspresi gen sehingga produksi metabolit target dapat ditingkatkan.
Pengembangan rekayasa metabolisme dilakukan melalui pendekatan non-genetik maupun genetik. Pendekatan non-genetik dilakukan melalui menambahan induktor (elisitor) pada Spirogyra sp., dengan pemberian Fe²⁺ sebagai stres oksidatif. Perlakukan ini berpengaruh pada peningkatan ekspresi gen Lcy-b (lycopene β-cyclase), CrtR-b (β-carotene hydroxylase), BKT (β-carotene ketolase), tetapi menurunkan ekspresi gen Lcy-e (lycopene ε-cyclas) dalam lintasan metabolisme karotenoid, sehingga mengarahkan perubahan akumulasi β-karoten menuju peningkatan astaksantin tetapi menurunkan lutein. Perlakuan stres salinitas juga dapat meningkatkan sintesis metabolit pada alga Spirogyra sp. yang dikultur dalam airlift bioreactor. Pada kultur tersebut, kandungan lipid meningkat sebesar 66,7%, diikuti peningkatan asam lemak omega-3 (α-linolenic acid) sebesar 52,1%. Peningkatan ini berkolerasi dengan peningkatan ekspresi gen Δ-9 desaturase, Δ-12 desaturase, dan Δ-15 desaturase yang berperan dalam biosintesis asam lemak omega-3. Temuan tersebut menunjukkan bahwa induktor logam seperti Fe²⁺ dan stres abiotik salinitas tinggi dapat mengaktifkan regulasi gen dan mengarahkan lintasan metabolisme menuju peningkatan metabolit target.
Rekayasa metabolisme dengan pendekatan rekayasa genetik telah diterapkan pada tanaman obat tradisional, Andrographis paniculata (Sambiloto). Rekayasa metabolisme diterapkan dengan meningkatkan ekspresi gen HMGR1 (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase), salah satu enzim kunci pada jalur mevalonat. Gen HMGR1 dikloning ke dalam konstruk pBI121 di bawah kendali promotor kuat, CaMV 35S, dan diintroduksikan melalui transformasi yang dimediasi oleh Agrobacterium tumefaciens. Ekspresi gen HMGR1 terbukti meningkat yang menyebabkan peningkatan akumulasi prazat sintesis metabolit andrografolid, mencakup senyawa mevalonic acid (MVA), geranyl diphosphate (GPP), geranylgeranyl diphosphate (GGPP) dan juga peningkatan metabolit target, andrografolid. Hasil tersebut membuktikan bahwa manipulasi titik pembatas laju dapat meningkatkan aliran metabolik menuju senyawa target.
Walaupun rekayasa genetik terbukti dapat meningkatkan metabolit target, perubahan pada satu gen atau jalur metabolisme dapat memengaruhi metabolit lain karena metabolisme merupakan jejaring yang saling terhubung. Keterbatasan tersebut mendorong pengembangan pendekatan metabolomik untuk memahami perubahan metabolisme secara lebih menyeluruh. Metabolomik memungkinkan pengukuran ratusan hingga ribuan metabolit secara simultan sehingga dapat menggambarkan respons metabolisme terhadap faktor genetik maupun kondisi lingkungan. Melalui kombinasi analisis instrumental pendeteksi metabolit seperti GC-MS (Gas chromatography-Mass Spectrometry) dan LC-MS (Liquid chromatography-Mass Spectrometry) dengan pengolahan data spektral menggunakan pendekatan metabolomik, serta melalui pemetaan jalur metabolisme menggunakan KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genome), pendekatan metabolomik dapat mengungkap jalur metabolisme metabolit target sehingga kandidat titik regulasi yang potensial untuk direkayasa dapat terungkap.
Studi metabolomik pada kopi hijau robusta dari berbagai wilayah Jawa Barat dilakukan untuk mengungkap hubungan profil metabolit dengan asal geografis dan mengidentifikasi metabolit pembeda antarwilayah. Analisis SPME GC-MS berhasil mengidentifikasi 143 metabolit volatil pada biji kopi hijau robusta. Analisis PCA (principal component analysis) dan PLS-DA (partial least squares-discriminant analysis) dari metabolit volatil tersebut berhasil mengungkap ada sembilan metabolit pembeda (biomarka), yaitu benzaldehida, asam isovalerat, toluena, diisobutil suksinat, 1-heptena, 4-dodesena, kafeina, asam asetat, dan metil benzoat. Kesembilan metabolit tersebut berpotensi menjadi biomarka geografis kopi robusta di Jawa Barat. Analisis korelasi lebih lanjut menunjukkan bahwa suhu dan curah hujan tempat budi daya berperan penting dalam pembentukan profil metabolit yang mana peningkatan suhu dan perbedaan curah hujan antar lokasi terungkap mempengaruhi profil metabolit yang dapat berdampak pada kualitas sensori kopi.
Pemahaman keterkaitan kondisi lingkungan, profil metabolit, dan mutu kopi dapat menjadi dasar ilmiah untuk menentukan kesesuaian lokasi budidaya dan menghasilkan karakteristik kopi yang diinginkan. Dalam menghadapi perubahan iklim, profil metabolit yang responsif terhadap lingkungan berpotensi digunakan sebagai indikator biologis untuk mengevaluasi kesesuaian agroekologi. Informasi tersebut juga dapat mendukung strategi adaptasi, baik melalui pengalihan sentra budidaya ke lingkungan yang lebih sesuai maupun melalui rekayasa metabolisme untuk mempertahankan profil metabolit dan mutu kopi yang diinginkan.
Identifikasi senyawa kunci yang berasosiasi dengan mutu kopi dan penelusuran jalur biosintesisnya melalui pendekatan metabolomik dapat memperjelas mekanisme pembentukan dan regulasi metabolit. Integrasi informasi jalur metabolisme dengan analisis ekspresi gen dan aktivitas enzim diharapkan dapat mengidentifikasi titik regulasi yang dapat dijadikan dasar pengembangan rekayasa metabolisme. Pendekatan integratif tersebut berpotensi mendukung pengembangan kopi dengan mutu yang lebih baik dan konsisten serta lebih adaptif terhadap perubahan iklim.
Rangkaian penelitian tersebut menunjukkan keterkaitan yang konsisten dari pemahaman dasar regulasi metabolisme menuju rekayasa metabolisme, kemudian berkembang menjadi pendekatan metabolomik untuk memahami jejaring metabolisme secara komprehensif. Pendekatan ini diharapkan dapat menghasilkan metode evaluasi dan skrining mutu kopi yang lebih objektif, cepat, terukur, dan konsisten.
| Ukuran | B5 |
| Halaman | xii-70 |
| Cover | Doff |
Untuk akses e-book kunjungi link berikut:
https://www.itbpress.id/orasi-ilmiah/
Untuk pemesanan hubungi nomor:
- (022) 2512532 (FGB ITB)
- +62-877-8806-6848 (WhatsApp ITBPress)