10/5/2010

1

Eko Heryadi

2. Penggolongan Mikrobiologi

Cells ???

10/5/2010

2

• protects the cell

• gives shape

• is made of cellulose

• A cell wall is found in plants, algae, fungi, & most bacteria.

CELL WALL

CELL MEMBRANE

• Outer covering, protective layer around ALL cells

• For cells with cell walls,the cell membrane is inside the cell wall

• Allows food, oxygen, & water into the cell & waste products out of the cell.

10/5/2010

3

CYTOPLASM

• gelatin-like inside cell membrane

• constantly flows

• Exp. protoplasm

CYTOSKELETON

• scaffolding-like structure in cytoplasm

• helps the cell maintain or change its shape

• made of protein

NUCLEUS

• Directs all cell activities

• Contains instructions for everything the cell does

• These instructions are found on a hereditary material called DNA

• Usually the largest organelle

10/5/2010

4

NUCLEAR MEMBRANE

• separates nucleus from cytoplasm

• controls movement of materials in & out of nucleus

CHROMATIN

• contains genetic code that controls cell

• made of DNA & proteins

CHLOROPLASTS

• Green organelles that make food

• found only in plant cells

10/5/2010

5

CHLOROPHYLL

• A green pigment that gives leaves & stems their color

• Captures sunlight energy that is used to produce food called glucose

• Glucose is a type of sugar

MITOCHONDRIA• Organelles that release

energy from food

• This energy is released by breaking down food into carbon dioxide

• Some muscle cells have 20,000 mitochondria

RIBOSOMES

• Make proteins

• Float freely or attached to the endoplasmic reticulum (ER)

• Ribosomes are made in the nucleolus

10/5/2010

6

ENDOPLASMIC RETICULUM

• A series of folded membranes that move materials (proteins) around in a cell

• Smooth ER – ribosomes not attached to ER

• Rough ER – ribosomes attached to ER

GOLGI BODIES (GAWL jee)

• Stacked flattened membranes

• Sort and package proteins

VACUOLES

• Temporary storage spaces

• Store food, water, waste

10/5/2010

7

LYSOSOMES (LI suh sohmz)

• The word "lysosome" is Latin for "kill body."

• The purpose of the lysosome is to digest things. They might be used to digest food or break down the cell when it dies.

• Break down food molecules, cell wastes & worn out cell parts

1- Nucleus

2- Chromosomes

3- Mitochondria

4- Ribosomes

5- Chloroplasts

6- Vacuoles

7- ER

8- Cell Membrane

Eko Heryadi

Penggolongan Mikrobiologi

10/5/2010

8

Taksonomi

• Taksonomi adalah ilmu klasifikasi biologis• Klasifikasi adalah penataan organisme ke dalam kelompok-kelompok

(taksa)• Nomenklatur adalah pemberian nama untuk kelompok-kelompok

taksonomi• Identifikasi adalah penentuan isolat tertentu pada takson tertentu• Peranan taksonomi mikroba:

– Memungkinkan ilmuwan mengorganisasikan sejumlah besar pengetahuannya– Memungkinkan ilmuwan membuat prediksi dan kerangka hipotesis tentang

organisme– Menempatkan organisme dalam kelompok-kelompok bermakna dengan

memberi nama secara tepat, jadi akan mempermudah komunikasi ilmiah.– Penting untuk identifikasi mikroorganisme secara tepat.

• Sistematik adalah kajian ilmiah organisme dengan tujuan akhir untukmengkarakterisasi dan menempatkan organisme dengan cara yang teratur

• Taksonomi mikroba saat ini sedang memasuki perode perubahan besaryang disebabkan oleh penggunaan teknik molekuler

Evolusi dan Keragaman Mikroba

• Bumi berumur kira-kira 4,6 milyar tahun dan sisa-sisa fosil sel prokariotik berumur 3,5-3,8 milyartahun terdapat dalam stromatolit dan batuansedimen– Stromatolit adalah batuan berlapis yang dibentuk dari

penggabungan sedimen mineral menjadi hamparanmikroba (microbial mats)

– Prokariot pertama mungkin bersifat anaerob.

– Sianobakteri aerobik mungkin muncul 2,5-3,0 milyartahun yang lalu.

Evolusi dan Keragaman Mikroba (lanj.)

• Hasil penelitan Carl Woese dan kawan-kawanmenyarankan bahwa organisme dibagi dalam tigadomain:– Eukaria-meliputi seluruh organisme eukariotik

– Bakteria-terdiri dari organisme prokariotik yang mempunyai rRNA bakterial and lipid membranterutama berupa diasil gliserol eter

– Archaea-terdiri dari organisme prokariotik yang mempunyai rRNA archaeal dan lipid membranterutama berupada isoprenoid gliseral dieter atauturunan digleserol tetraeter.

10/5/2010

9

Evolusi dan Keragaman Mikroba (lanj.)

Sel eukariotik modern yang muncul kurang lebih 1,4 milyar tahun yang laluberasal dari prokariot

• Hipotesis I: perkembangan kloroplast dan mitokondria merupakanpelipatan (invaginasi) membran plasma dan kemudian membentuk ruang-ruang (compartmentalization) dengan fungsi tertentu

• Hipotesis II (hipotesis endosimbiotik) menyarankan sebagai berikut:– Proses pertama pembentukan sel eukariot adalah pembentuk nukleus

(mungkin fusi bakteri dan archaea purba)– Kloroplast dibentuk ketika bakteri fotosintetik yang hidup bebas bersimbiosis

dengan sel eukariotik primitif (sianobakteria dan proklron disarankan sebagaikandidat yang paling kuat)

– Mitokondria mungkin terbentuk melalui proses yang sama (tetuaAgrobacterium, Rhizobium, dan riketsia menjadi kandidatnya)

• Hipotesis endosimbiotik mendapat dukungan kuat dari penemuansianobakterium yang berendosimbiotik dengan protista biflagelata(Cyanophora paradoxa); sianobakterium berfungsi sebagai chloroplast Cyanophora paradoxa; endosimbiotik ini kernal sebagai sianel (cyanelle)

Tingkatan Taksonomi• Tingkatan taksonomi (dari bawah ke atas) adalah: spesies, genus, famili,

ordo, klas, dan kerajaan (kingdom); Namun, ahli mikrobiologi seringkalimenggunakan nama seksi (suatu pengelompokan yang kurang formal) yang bersifat deskriptif untuk kelompok-kelompok organisme tertentu, sepertimetanogen, purple bacteria, bakteri asam laktat, dan lain-lain.

• Kelompok taksonomi dasar adalah spesies– Spesies prokariotik tidak didefinisikan atas dasar kecocokan (compatibility)

reproduktif seksual (sebagaimana pada organisme tingkat tinggi) tetapididasarkan atas perbedaan fenotipik dan genotipik; spesien prokariotik adalahkoleksi galur (strain) yang mempunyai banyak kesamaan sifat yang stabil danberbeda secara nyata dengan sekurang-kurang beberapa kelompok galur lain.

– Biovar – berbeda secara biokimiawi atau fisiologis– Morfovar – berbeda secara morfologi– Serovar – berbeda sifat antigenik– Galur tipe (Type strain) adalah galur suatu spesies yang dikaji pertama kali

(yang paling rinci dikarakterisasi), galur ini tidak harus anggota yang paling mewakil.

– Genus adalah kelompok spesies (satu atau lebih) yang telah ditentukan dengansangat baik yang secara jelas terpisah (berbeda) dari genera lain

Tingkatan Taksonomi (lanj.)

• Dalam sistem nomenklatur binomial yang diajukan oleh Carl von Linne (CarolusLinnaeus), huruf pertama nama genus ditulisdengan huruf besar dan epitet spesifik ditulisdengan huruf kecil pada huruf pertamanya(e.g., Escherichia coli); dalam artikel ilmiah, huruf pertama genus dapat disingkatpenulisan penulisan setelah digunakan setelahditulis lengkap pada penulisan sebelumnya. (contoh, E. coli)

10/5/2010

10

Tingkatan Taksonomi (lanj.)

• Sel eukariotik modern yang muncul kurang lebih 1,4 milyar tahun yang laluberasal dari prokariot– Hipotesis I: perkembangan kloroplast dan mitokondria merupakan pelipatan

(invaginasi) membran plasma dan kemudian membentuk ruang- ruang(compartmentalization) dengan fungsi tertentu

– Hipotesis II (hipotesis endosimbiotik) menyarankan sebagai berikut:• Proses pertama pembentukan sel eukariot adalah pembentuk nukleus (mungkin fusi

bakteri dan archaea purba)• Kloroplast dibentuk ketika bakteri fotosintetik yang hidup bebas bersimbiosis dengan sel

eukariotik primitif (sianobakteria dan proklron disarankan sebagai kandidat yang paling kuat)

• Mitokondria mungkin terbentuk melalui proses yang sama (tetua Agrobacterium, Rhizobium, dan riketsia menjadi kandidatnya)

• Hopotesis endosimbiotik mendapat dukungan kuat dari penemuansianobakterium yang berendosimbiotik dengan protista biflagelata(Cyanophora paradoxa); sianobakterium berfungsi sebagai chloroplast Cyanophora paradoxa; endosimbiotik ini dikenal sebagai sianel (cyanelle)

Sistem Klasifikasi

• Klasifikasi Alami (Natural classification) –– penataan organisme ke dalam kelompok-kelompok yang

anggota-anggotanya mempnyai banyak kesamaan sifat danmencerminkan sebanyak mungkin sifat biologis organsme.

• Sistem (Phenetic systems) adalah mengelompokkanorganisme didasarkan atas kesamaan secarakeseluruhan– Seringkali berupa suatu sistem alami yang didasarkan atas

kesamaan karakter– Tidak tergantung pada analisis filogenetik– Menggunakan “unweighted traits”– Sistem terbaik jika membandingkan sebanyak mungkin

sifat (attributes)

Sistem Klasifikasi (lanj.)• Taksomi Numerik (Numerical taxonomy)

– Informasi sifat suatu organisme dikonversikan ke bentuk yang sesuai untukanalisis numerk dan dibandingkan menggunakan komputer.

– Ada atau tidaknya sekuran-kurangnya 50 (sebaiknya beberapa ratus) karakaterdibandingkan; karakter tersebut di antaranya karakter morfologi, biokimiawi, dan fisiologi)

– Koefisien asosiasi ditentukan di antara karakter-karakter yang dimiliki oleh duaorganisme

• Koefisien kesesuaian sederhana (Simple matching coefficient) – proporsi yang sesuai(match) baik untuk karakter yang ada maupun tidak ada

• Koefisien Jaccard (Jaccard coefficient) – mengabaikan karakter-karakter yang tidak adapada kedua organisme

• Nilai-nilai tersebut diatur untuk membentuk matriks kesamaan (similarity matrix); organisme dengan kesamaan tinggi dikelompokkan bersama dalam fenon (phenons)

• Perbedaan (significance) fenon tidak selalu jelas terlihat tetapi fenon dengan kesamaan80% seringkali dianggap satu spesies (bakteri)

• Menggunakan unweighted traits• Sistem terbaik jika membandingkan sebanyak mungkin karakter

(attributes)

10/5/2010

11

Sistem Klasifikasi (lanj.)

• Sistem filogeneti (filetik) {Phylogenetic(phyletic)-pengelompokan organismedidasarkan pada hubungan evolusioner– Untuk prokariot adalah sulit untuk mengetahui

hubungan evolusi karena kekurangan catatan fosilyang baik

– Pembandingan langsung materi genetik danproduk gen seperti rRNA dan protein dapatdigunakan untuk mengatasi kesulitan tersebut diatas

Karakter utama yang digunakan dalamtaksonomi

• Karakter klasik (Classical characteristics)– Karakter morfologis (Morphological characteristics)- mudah

untuk dianalisis, stabil secara genetis, variasi tidak besarterhadap perubahan lingkungan; seringkali menjadi indikasiyang baik untuk hubungan filogenetik

– Karakter fisiologis dan metabolik (Physiological and metabolic characteristics)- berkaitan langsung dengan enzim dan protein transport (produk gen) dan oleh karenanya secara tidaklangsung menunjukkan perbandingan genom mikroba

– Karakter ekologis (Ecological characteristics) – meliputi polasiklus hidup, hubungan simbiotik, patogenitas, preferensihabitat, dan kebutuhan pertumbuhan

– Analisis genetik (Genetic analysis) – meliputi kajian pertukarangen kromosomal melalui konjugasi dan transformasi; proses inijarang terjadi antar genera

Karakter utama yang digunakan dalamtaksonomi (lanj.)

• Karakter Molekuler (Molecular characteristics)1. Pembandingan protein (Comparison of proteins)-berguna sebab merefleksikan

informasi genetik organisme, analisisnya melaluia. Penentuan urutan asam amino proteinb. Perbandingan mobilitas elektroforesisc. Penentuan reaktivitas silang imunologis (immunological cross-reactivity)d. Perbandingan sifat enzimatis

2. Komposisi basa asam nukleata. Kandungan G+C dapat ditentukan atas dasar suhu leleh (Tm) –suhu (panas) yang

mengakibatkan untai ganda molekul DNA memisahb. 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 urutanb. 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 bervariasib. Sekarang ini, genom prokariotik lengkap telah ditentukan; perbandingan langsung urutan

genom lengkap akan menjadi sangat penting dapam taksonomi prokariotik

10/5/2010

12

Penilaian filogeni mikroba (Assessing Microbial Phylogeny)

• Kronometer molekuler (Molecular chronometers)-– asumsi bahwa laju perubahan adalah konstan merupakan asumsi yang

tidak tepat; mungkin asumsi yang tepat, laju perubahan gen tertentuadalah konstan

• Pohon filogenetik (Phylogenetic trees)– membuat percabangan yang menghubungkan titik (nodes), yang

merupakn unit taksonomi, seperti spesies atau gen; akar pohonmerupakan titik yang bertindak sebagai tetua (nenek moyang) untukseluruh organisme yang sedang dianalisis

– dibuat dengan membandingkan urutan molekuler dan perbedaandinyatakan sebagai jarak evolusioner; kemudian organismedikelompokkan untuk menentukan tingkat hubungan; atau tingkathubungan dapat diduga dengan analisis parsimony yang mengasumsikan bahwa perubahan evolusioner organisme tertentuterjadi sepanjang jalur terpendek dengan perubahan paling sedikitterhadap tetuanya

Penilaian filogeni mikroba (Assessing Microbial Phylogeny) (Lanj.)

• rRNA, DNA, dan protein sebagai indikator filogeni– Koefisien asosiasi (Association coefficients) dari kajian rRNA adalah suatu

ukuran tingkat hubungan (relatedness)– Urutan penanda oligonukleotida (Oligonucleotide signature sequences)

terdapat di sebagian besar atau seluruh anggota kelompok filogenetik tertentudan jarang atau tidak pernah ada di dalam kelompok lain bahkan yang dekatsekali pun; berguna pada tingkat kingdom atau domain

– Kajian kesamaan DNA jauh lebih efektif pada tingkat genus dan spesies– Urutan protein kurang dipengaruhi oleh perbedaan kandung G+C pada

organisme tertentu– Analisis tiga tipe molekul tidak selalu menghasilkan pohon evolusi yang sama

• Taksonomi polifasik (Polyphasic taxonomy)– Menggunakan kisaran luas informasi fenotipik dan genotipik untuk

mengembangkan skema taksonomi– Teknik dan informasi yang digunakan tergantung pada tingkat resolusi

taksonomi yang diinginkan

Penggolongan utama Organisme

• Domain– Woese dan kawan-kawan menggunakan kajian rRNA untuk

mengelompokkan seluruh organisme ke dalam tiga domain• Bakteri – meliputi sebagian besar prokariot; dinding sel

mengandung asam muramik; lipid membran mengandung asamlemak rantai lurus yang diikatkan oleh ikatan ESTER

• Archaea – prokariot yang kekurangan asam muramik, mempunyailipid yang mengandung rantai alifatik bercabang yang dihubungkanoleh ikatan ETER, kekurangan timidin pada tangan T molekul tRNA, mempunyai RNA polimerase jelas (distinctive), dan mempunyairibosom dengan komposisi dan bentuk berbeda dengan yang terdapat di bakteri

• Eukaria – mempunyai yang struktur organ yang dilapisi olehmembran yang lebih kompleks

10/5/2010

13

Kingdom

• Sistem lima kingdom yang diusulkan oleh Whittaker, yang pada awal diterima secara luas, adalah:1. Hewan-eukariot multiseluer dan tidak berdinding sel dan

nutrisi ingestive2. Tumbuhan-eukariot multiseluler berdinding sel dan nutrisi

fotoautotropik (photoautotrophic nutrition)3. Jamur (Fungi)-eukariot multiseluler dan uniseluler berdinding

sel dan nutrisi absorptif (absorptive nutrition)4. Protista-eukariot uniseluler dengan bermacam-macam

mekanisme nutrisi5. Monera (Prokariot)-seluruh organisme prokariotik

• Banyak ahli biologi tidak menerima sistem Whittaker system, terutama disebabkan sistem tersebut tidakmembedakan bakteri dan archaea

Mikrobiologi ?

1. Archaea

2. Bakteria

3. Fungi

4. Algae

5. Protozoa

6. Virus

1. Archaea

• The archaea are quite diverse, both in morphology and physiology• They may stain gram positive or gram negative• They may be spherical, rod-shaped, spiral, lobed, plate-shaped,

irregularly shaped or pleomorphic• They may exist as single cells, aggregates or filaments• They may multiply by binary fission, budding, fragmentation, or

other mechanisms• They may be aerobic, facultatively anaerobic, or strictly anaerobic• Some are mesophiles, while others are hyperthermophiles that can

grow above 100°C• They are often found in extreme aquatic and terrestrial habitats;

recently, archaea have been found in cold environments and may constitute up to 34% of the procaryotic biomass in Antarctic surface waters; a few are symbionts in animal digestive systems

10/5/2010

14

1. Archaea (lanj.)

• Unlike bacteria, archaea lack peptidoglycan in their cell walls. They also have unusual (ether-linked) lipids in their cell membranes which are not found in any other group of organisms.

• The structure and function of the genes in archaea are surprisingly similar to the structure and function of the genes in eukaryotes, while those of eubacteria are not.

• There are major differences, too, in some of the fundamental biochemical processes of metabolism between archaea and bacteria.

• Archaea are currently classified into three groups: Crenarchaeota, Euryarchaeota, and Korarchaeota.

1. Archaea (lanj.)

• Crenarchaeota include sulfur-metabolizing hyperthermophiles and acidophiles. These are chemautotrophic anaerobes which thrive at temperatures from 70°C to 113°C in regions such hot sulfur springs, hydrothermal vents, and volcanoes.

• Euryarchaeota include a mix of methanogens (all anaerobes), extreme halophiles (mostly aerobes), and a few sulfur-metabolizing thermophiles.

• Korarchaeota is a newly recognized group

a. Phylum Crenarchaeota

• Many are extremely thermophilic, acidophilic, and sulfur-dependent– Sulfur may be used as an electron acceptor in anaerobic

respiration, or as an electron source by lithotrophs– Almost all are strict anaerobes– They grow in geothermally heated water or soils

(solfatara) that contain elemental sulfur (sulfur-rich hot springs, waters surrounding submarine volcanic activity); some (e.g., Pyrodictum spp.) can grow quite well above the boiling point of water (optimum @ 105oC)

– Some are organotrophic; others are lithotrophic– There are 69 genera; two of the better-studied genera are

Sulfolobus and Thermoproteus

10/5/2010

15

a. Phylum Crenarchaeota (lanj.)• Sulfolobus

– Stain gram negative; are aerobic, irregularly lobed, spherical bacteria– Thermoacidophiles– Cell walls lack peptidoglycan but contain lipoproteins and carbohydrates

– Oxidize sulfur to sulfuric acid; oxygen is the normal electron acceptor, but ferric iron can also be used

– Sugars and amino acids may serve as carbon and energy sources

• Thermoproteus– Long, thin, bent or branched rods– Cell wall is composed of glycoprotein– Strict anaerobes– They have temperature optima from 70-97°C and pH optima from 2.5 to

6.5– They grow in hot springs and other hot aquatic habitats that contain

elemental sulfur– They carry out anaerobic respiration using organic molecules as electron

donors and elemental sulfur as the electron acceptor; they can also grow lithotrophically using H2 and S0 as electron donors and CO or CO2 as the sole carbon source

b. Phylum EuryarchaeotaThe Methanogens• Strict anaerobes that obtain energy by converting CO2, H2, formate,

methanol, acetate, and other compounds to either methane or to methane and CO2; there are at least five orders, which differ greatly in shape, 16S rRNA sequence, cell wall chemistry and structure, membrane lipids, and other features

• Methanogens belonging to the order Methanopyrales have been suggested to be among the earliest organisms to evolve on Earth

• Methanogenesis is an unusual metabolic process and methanogenscontain several unique cofactors

• They thrive in anaerobic environments rich in organic matter, such as animal rumens and intestinal tracts, freshwater and marine sediments, swamps, marshes, hot springs, anaerobic sludge digesters, and even within anaerobic protozoa

• They are of great potential importance because methane is a clean-burning fuel and an excellent energy source

• They may be an ecological problem, however, because methane is a greenhouse gas that could contribute to global warming and also because methanogens can oxidize iron, which contributes significantly to the corrosion of iron pipes

b. Phylum Euryarchaeota (lanj.)The Halobacteria• A group of extremely halophilic organisms divided into 15 genera

– They are aerobic chemoheterotrophs with respiratory metabolism; they require complex nutrients

– Motile or nonmotile by lophotrichous flagella

• They require at least 1.5 M NaCl and have growth optima near 3-4 M NaCl (if the NaCl concentration drops below 1.5 M the cell walls disintegrate; because of this they are found in high-salinity habitats and can cause spoilage of salted foods

• Halobacterium salinarum uses four different light-utilizing rhodopsin molecules– Bacteriorhodopsin uses light energy to drive outward proton transport

for ATP synthesis; thus they carry out a type of photosynthesis that does not involve chlorophyll

– Halorhodopsin uses light energy to transport chloride ions into the cell to maintain a 4-5 M intracellular KCl concentration

– Two other rhodopsins act as photoreceptors that control flagellaractivity to position the bacterium in the water column at a location of high light intensity, but one in which the UV light is not sufficiently intense to be lethal

10/5/2010

16

b. Phylum Euryarchaeota (lanj.)The Thermoplasms• Thermoacidic organisms that lack cell walls; only two genera are know:

Thermoplasma and Picrophilus• Thermoplasma

– Frequently found in coal mine refuse, in which chemolithotrophic bacteria oxidize iron pyrite to sulfuric acid and thereby produce a hot acidic environment

– Optimum temperature for growth of 55-59°C and an optimal PH of 1 to 2– Cell membrane is strengthened by large quantities of diglycerol tetraethers,

lipopolysaccharides, and glycoproteins– Histonelike proteins stabilize their DNA; DNA-protein complex forms particles

resembling eucaryotic nucleosomes– At 59oC Thermoplasma takes the form of an irregular filament; the cells may be

flagellated and motile

• Picrophilus– Isolated from hot solfateric fields– Has an S-layer outside the plasma membrane– Irregularly shaped cocci with large cytoplasmic cavities that are not membrane

bounded– Aerobic and grows between 47°C and 65°C with an optimum of 60°C– It grows only below pH 3.5, has an optimum of pH 0.7 and will even grow at or

near pH 0

10/5/2010

17

Gram (+), Gram (-)

10/5/2010

18

10/5/2010

19