Mutasi dan pertukaran gen pada bakteri: jenis mutasi, mutagen, transformasi, transduksi, dan konjugasi, serta cara resistensi antibiotik menyebar

Tim pencegahan dan pengendalian infeksi (PPI) sebuah rumah sakit memberi tahu bagian teknik bahwa dalam sebulan dua pasien di satu bangsal terinfeksi bakteri penghasil beta-laktamase spektrum luas (ESBL), satu Klebsiella pneumoniae dan satu Escherichia coli, dan laboratorium rujukan menemukan plasmid resistensi yang mirip pada keduanya (kasus rekaan untuk latihan). Teknisi lalu melihat sisa larutan antibiotik dibuang ke wastafel bangsal, dan seorang petugas berkata kebiasaan itu baik "supaya kuman di pipa ikut mati". Menurut OpenStax, gen ESBL biasanya berada pada plasmid bergerak yang juga membawa gen resistensi terhadap kelas obat lain dan dapat menyebar ke bakteri lain lewat transfer gen horizontal. Bab ini menjelaskan cara gen bakteri berubah dan berpindah, dan mengapa antibiotik encer di saluran tidak membersihkan apa pun.

Batas pembahasan

Struktur DNA, replikasi, transkripsi, translasi, dan plasmid dibahas di Bab 29 tentang DNA dan gen. Mekanisme biokimia ketahanan, toleransi biofilm, dosis disinfektan yang kurang, dan mitos rotasi disinfektan ada di Bab 13 tentang ketahanan mikroba; bab ini membahas sisi genetiknya. Sinar ultraviolet sebagai disinfektan dibahas di Bab 4, energi foton di Bab 29 · Fisika tentang cahaya sebagai partikel, dan radiasi pengion beserta dosisnya di Bab 33 · Fisika tentang fisika nuklir. Biofilm ada di Bab 5, faktor virulensi di Bab 23, rekayasa genetika di Bab 31, dan uji molekuler di Bab 32.

Sumber utamanya OpenStax Microbiology subbab 11.5 sampai 11.7 dan 14.5, ditambah 9.1, 13.2, dan glosarium. Sumber setiap klaim, angka latihan, dan penalaran editorial dicatat di peta sumber. Bab ini tidak memberi anjuran obat; pemilihan antibiotik wewenang dokter. Data AS tentang beban infeksi multiresisten yang dikutip OpenStax sudah dibahas di Bab 13.

Mutasi dan akibatnya pada protein

Mutasi (mutation) adalah perubahan urutan DNA suatu organisme yang dapat diwariskan. Organisme pembawanya disebut mutan, sedangkan fenotipe yang paling umum di alam disebut tipe liar. Perubahan DNA diteruskan ke mRNA dan dapat mengubah protein serta fenotipe.

Tabel disusun dari OpenStax. Mutasi titik (point mutation) adalah mutasi yang mengenai satu basa, paling sering berupa penggantian satu basa oleh basa lain. Mutasi salah arti yang akibatnya hanya tampak pada kondisi lingkungan tertentu disebut mutasi kondisional. Kadang mutasi salah arti justru memberi keunggulan seleksi pada kondisi yang tepat, misalnya mutasi yang membuat sasaran obat tidak lagi terikat obat, seperti di Bab 13 tentang ketahanan mikroba.

Penyebab mutasi: kesalahan replikasi dan mutagen

Kesalahan replikasi menimbulkan mutasi spontan. Menurut OpenStax, laju kesalahan DNA polimerase adalah satu basa salah per satu miliar pasangan basa yang disalin. Mutagen (mutagen) adalah bahan kimia atau radiasi yang menimbulkan mutasi terinduksi. Paparan mutagen dapat menaikkan laju mutasi lebih dari 1.000 kali. Banyak mutagen juga karsinogen; hampir semua karsinogen bersifat mutagen, tetapi tidak semua mutagen karsinogen.

Tabel disusun dari teks dan tabel OpenStax; baris asam nitrit pada tabel OpenStax tertulis "nitrous oxide", padahal teksnya membahas asam nitrit. Hidrokarbon aromatik polisiklik dari hasil pembakaran tergolong zat penyisip yang sangat berbahaya.

Dua jenis radiasi ini juga dipakai untuk membunuh mikroba. Radiasi pengion dipakai mensterilkan alat medis dan pangan karena merusak DNA, protein, dan bagian sel lain tanpa pilih-pilih. Lampu UV germisida di ruang bedah dan kabinet keamanan hayati umumnya memancarkan 260 nm; UV tidak menembus permukaan, plastik, atau kaca, sehingga sel harus terpapar langsung. Dosis UV untuk disinfeksi air dibahas di Bab 4, dan energi foton UV di Bab 29 · Fisika tentang cahaya sebagai partikel (Contoh 4).

Perbaikan DNA, mencari mutan, dan uji Ames

Kebanyakan DNA polimerase membaca ulang basa yang baru dipasang dan membuang basa yang salah (proofreading). Perbaikan salah pasang pada E. coli mengenali untai baru karena untai itu belum bermetil selama beberapa menit; protein MutS, MutL, dan MutH menandai tempat salah, MutH memotong untai baru, lalu bagian yang salah diganti.

Dimer timin diperbaiki dengan dua cara. Perbaikan eksisi nukleotida (nucleotide excision repair) adalah perbaikan gelap yang memotong ruas DNA di sekitar dimer lalu mengisinya kembali dengan nukleotida yang benar. Fotoreaktivasi (photoreactivation) adalah perbaikan terang oleh enzim fotoliase yang memecah dimer timin dengan bantuan cahaya tampak. Fotoreaktivasi ada pada semua organisme kecuali mamalia berplasenta, termasuk manusia. Penalaran editorial: karena kerusakan yang tidak mematikan dapat diperbaiki, paparan UV yang kurang dari rancangan tidak dapat diandalkan, sehingga dosis dan waktu paparan mengikuti rancangan sistem di Bab 4.

Mutan dicari dengan cawan replika, yaitu memindahkan koloni dari cawan bergizi lengkap ke cawan yang kekurangan satu zat. Auksotrof (auxotroph) adalah mutan gizi yang kehilangan fungsi gen pembuat satu zat gizi, misalnya asam amino, sehingga hanya tumbuh bila zat gizi yang hilang disediakan. Uji Ames, dikembangkan Bruce Ames pada 1970-an, memakai Salmonella typhimurium auksotrof histidin. Setelah dipapar bahan uji, bakteri ditanam pada media tanpa histidin, dan jumlah mutan balik yang kembali mampu membuat histidin dibandingkan dengan kontrol tanpa bahan uji. Ekstrak hati tikus ditambahkan karena banyak bahan baru menjadi mutagen setelah diolah enzim hati. Bahan yang terbukti mutagen lalu diuji lanjut pada hewan.

Transfer gen horizontal dan transformasi

Transfer gen vertikal (vertical gene transfer) adalah penurunan informasi genetik dari sel induk ke sel anak, cara utama pewarisan pada semua sel. Transfer gen horizontal (horizontal gene transfer) adalah perpindahan bahan genetik dari satu organisme ke organisme lain dalam generasi yang sama. Menurut OpenStax, transfer ini lebih sering terjadi antarkerabat dekat, tetapi dapat terjadi antara dua spesies mana pun yang hidup bersama, dan bersama mutasi menjadi sumber penting keragaman genetik prokariot.

Transformasi (transformation) adalah pengambilan DNA telanjang dari lingkungan oleh sel prokariot. Frederick Griffith pertama kali menunjukkannya pada 1928 dengan Streptococcus pneumoniae, dan pada 1944 Oswald Avery, Colin MacLeod, dan Maclyn McCarty membuktikan bahwa "prinsip pengubah" itu DNA. DNA berasal dari sel yang pecah saat mati. Banyak bakteri secara alami kompeten: menempelkan DNA lingkungan, memasukkannya, dan mengubahnya menjadi untai tunggal yang lolos dari enzim nuklease dan dapat bergabung ke genom lewat rekombinasi. Di alam transformasi kurang efisien, tetapi tetap penting untuk perolehan gen virulensi dan resistensi; gen resistensi tersebar luas di alam, bahkan di lingkungan yang tidak dipengaruhi manusia.

Transduksi: gen yang dibawa virus bakteri

Bakteriofag (bacteriophage) adalah virus yang menginfeksi bakteri. Transduksi (transduction) adalah pemindahan potongan DNA dari satu bakteri ke bakteri lain oleh bakteriofag. Pada transduksi umum, potongan kromosom mana pun dapat terkemas tanpa sengaja ke kepala fag saat fag dirakit. Pada transduksi khusus, profag lisogenik keluar dari kromosom secara tidak tepat dan membawa potongan DNA bakteri di sekitar tempatnya menempel ke inang baru; perolehan sifat baru dengan cara ini disebut konversi lisogenik.

Corynebacterium diphtheriae dan Clostridium botulinum ganas karena gen toksinnya dimasukkan fag lisogenik. Gen toksin kolera masuk ke kromosom Vibrio cholerae lewat fag CTX, sehingga galur patogen V. cholerae adalah hasil transduksi khusus. Pada kasus fasiitis nekrotikans dalam OpenStax, gen virulensi Staphylococcus aureus berada di pulau patogenisitas yang berkaitan dengan profag, dan pemindahan horizontalnya antargalur dapat dipicu oleh pengobatan antibiotik. Cara toksin merusak jaringan dibahas di Bab 23.

Konjugasi, plasmid R, dan transposon

Konjugasi (conjugation) adalah pemindahan DNA langsung dari satu prokariot ke prokariot lain melalui pilus konjugasi yang mendekatkan kedua sel. Pada E. coli, gen untuk konjugasi berada pada plasmid F; sel pemilik plasmid F (F+) menjadi donor, dan sel tanpa plasmid F (F−) menjadi penerima. Lewat jembatan sitoplasma, satu untai salinan plasmid F hasil replikasi lingkaran bergulir masuk ke sel penerima dan dilengkapi menjadi untai ganda, sehingga penerima menjadi F+ (Contoh 7).

Plasmid F kadang menyatu ke kromosom dan membentuk sel Hfr, yang dapat memindahkan gen kromosom; bila keluar tidak tepat, terbentuk plasmid F' yang membawa potongan kromosom. Pemindahan seluruh kromosom E. coli 4,6 Mbp dari sel Hfr memerlukan sekitar 100 menit, padahal kontak antarsel singkat, sehingga gen dekat titik penyatuan lebih sering berpindah dan waktu masuk gen dipakai memetakan genom (Contoh 6).

Plasmid R (R plasmid) adalah plasmid yang membawa gen penyandi protein yang membuat sel bakteri resisten terhadap satu antibiotik atau lebih. Plasmid R juga membawa gen pengatur konjugasi dan pemindahannya, dapat berpindah antarsel satu spesies maupun antarspesies, dan sering membawa beberapa gen resistensi sekaligus. Plasmid juga dapat membawa gen toksin: galur E. coli penghasil verotoksin tampaknya memperoleh gen toksin Shiga dari Shigella dysenteriae lewat plasmid besar.

Transposon (transposon) adalah molekul DNA dengan urutan berulang terbalik di kedua ujungnya dan gen penyandi enzim transposase, sehingga dapat lepas dari satu tempat dan menyisip di tempat lain. Barbara McClintock menemukannya pada jagung. Transposon dapat memindahkan gen resistensi dari kromosom ke plasmid; cara ini terbukti mengumpulkan banyak gen resistensi pada satu plasmid R pada Shigella penyebab disentri, yang lalu mudah menyebar lewat konjugasi. Biofilm menjadi lingkungan yang ideal untuk pertukaran DNA di luar kromosom, termasuk gen resistensi, seperti di Bab 5.

Operon: gen dinyalakan bila diperlukan

Operon (operon) adalah blok gen struktural bersebelahan dengan fungsi berkaitan yang ditranskripsi bersama di bawah satu promotor. Daerah pengaturnya memuat promotor dan operator. Penekan (repressor) yang menempel pada operator menghalangi RNA polimerase, pengaktif (activator) membantu RNA polimerase menempel, dan penginduksi (inducer) adalah molekul kecil yang mengubah kerja penekan atau pengaktif. Pada bakteri, pengaturan ini mencegah sel membuang sumber daya untuk protein yang tidak diperlukan.

Operon trp E. coli bersifat dapat ditekan: bila triptofan menumpuk, triptofan menempel pada penekan dan menghentikan pembuatan enzim triptofan. Operon lac bersifat dapat diinduksi: tanpa laktosa, penekan menempel pada operator; bila ada laktosa, alolaktosa melepas penekan. Operon lac juga diaktifkan kompleks cAMP-CAP saat glukosa habis.

Saat stres, bakteri membuat alarmon, turunan nukleotida kecil yang menyalakan banyak gen tanggapan stres, termasuk gen virulensi banyak patogen saat menghadapi pertahanan inang. Pergantian faktor σ mengubah kelompok operon yang ditranskripsi, misalnya gen sporulasi pada Bacillus dan Clostridium. Jadi genotipe yang sama dapat tampil berbeda di laboratorium, di pipa, dan di tubuh pasien (penalaran editorial).

Cara resistensi antibiotik menyebar

OpenStax menguraikan dua jalur. Pertama, paparan antimikroba menyeleksi mutasi kromosom yang memberi resistensi; mutasi itu diturunkan secara vertikal dan akhirnya mendominasi populasi yang berulang kali terpapar (Contoh 3 dan 8). Kedua, banyak gen resistensi berada pada plasmid atau transposon yang mudah berpindah lewat transfer horizontal, dan transposon memindahkannya antara plasmid dan kromosom. Pemercepat evolusi resistensi menurut OpenStax adalah pemakaian antimikroba yang berlebihan, keliru, atau tidak tepat, dosis di bawah kadar terapi, dan pasien yang tidak menjalani pengobatan sesuai anjuran.

Contoh genetik dari OpenStax, dengan mekanisme biokimianya di Bab 13:

1. Streptococcus pneumoniae mengubah protein pengikat penisilinnya sendiri lewat perubahan genetik, sedangkan S. aureus menjadi MRSA dengan memperoleh protein pengikat penisilin baru berafinitas rendah.
2. S. aureus resisten vankomisin (VRSA) memperoleh gen resistensi lewat transfer horizontal dari Enterococcus resisten vankomisin pada orang yang terinfeksi keduanya. VRSA punya kadar hambat minimum 16 µg/mL atau lebih, sedangkan galur antara (VISA) 4 sampai 8 µg/mL.
3. Gen ESBL biasanya berada pada plasmid bergerak bersama gen resistensi fluorokuinolon, aminoglikosida, dan tetrasiklin.
4. Bakteri resisten dari peternakan intensif meningkat di air dan tanah sekitarnya dan dapat menjadi reservoir unsur genetik bergerak bagi patogen manusia.

Kadar hambat minimum (minimal inhibitory concentration, MIC) adalah kadar terendah obat antibakteri yang menghambat pertumbuhan galur bakteri yang terlihat. Untuk rumah sakit, menurut ringkasan sebuah meta-analisis tahun 2020, air limbah rumah sakit kemungkinan berisiko lebih tinggi menyebarkan gen resistensi antibiotik daripada sistem air limbah lain seperti saluran kota, antara lain karena glikopeptida dan karbapenem lebih sering dipakai di rumah sakit. Di Indonesia, Permenkes Nomor 8 Tahun 2015 tentang Program Pengendalian Resistensi Antimikroba di Rumah Sakit menetapkan dua strategi: mengendalikan berkembangnya mikroba resisten akibat tekanan seleksi antibiotik lewat penggunaan antibiotik secara bijak, dan mencegah penyebarannya lewat ketaatan pada pencegahan dan pengendalian infeksi. Status berlaku terbaru peraturan itu belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 22 Oktober 2026.

Bagi teknisi, artinya (penalaran editorial): disinfektan dipakai dengan kadar dan waktu kontak label, seperti di Bab 13 tentang ketahanan mikroba; sisa antibiotik dan obat mengikuti prosedur limbah farmasi fasilitas, tidak dibuang ke wastafel; wastafel, perangkap, dan saluran dibersihkan sesuai jadwal; instalasi pengolahan air limbah dijalankan sesuai rancangan; dan pekerjaan di saluran memakai kewaspadaan di Bab 11 tentang rantai penularan. Antibiotik hanya dipakai atas resep dan petunjuk dokter.

Contoh kerja

Contoh 1: jenis mutasi pada satu gen. Gen penyandi protein 300 asam amino (angka latihan) punya $(300 + 1) \times 3 = 903$ nukleotida penyandi. Delesi tiga nukleotida pada kodon ke-50 hanya menghilangkan satu asam amino (299 asam amino, bingkai tetap). Sisipan satu nukleotida sesudah kodon ke-50 menggeser bingkai untuk $300 - 50 = 250$ kodon, sekitar 83 persen protein. Bila kodon ke-120 berubah dari UGG menjadi UGA (kodon berhenti), protein berhenti pada 119 asam amino, yaitu $119/300 = 39{,}7$ persen panjang normal.

Contoh 2: kesalahan replikasi spontan. Dengan laju OpenStax $10^{-9}$ per pasangan basa, satu salinan genom E. coli 4,6 Mbp memuat rata-rata $4{,}6 \times 10^{6} \times 10^{-9} = 0{,}0046$ kesalahan, kira-kira satu kesalahan per $1/0{,}0046 = 217$ salinan. Populasi $10^{9}$ sel (angka latihan) berasal dari sekitar $10^{9}$ penyalinan dan memuat sekitar $4{,}6 \times 10^{6}$ kesalahan baru; mutagen yang menaikkan laju 1.000 kali memberi 4,6 kesalahan per salinan (penalaran editorial).

Contoh 3: peluang muncul paling sedikit satu mutan. Misalkan satu mutasi resistensi tertentu muncul dengan peluang $p = 10^{-9}$ per pembelahan (angka latihan). Untuk $N$ pembelahan, peluang paling sedikit satu mutan

$P = 1 - (1 - p)^{N} \approx 1 - e^{-Np}$

dengan $P$ peluang (tanpa satuan) dan $Np$ harapan jumlah mutan, seperti distribusi Poisson di Bab 10 · Data & Pengukuran. Untuk $N = 10^{8}$, $Np = 0{,}1$ dan $P = 9{,}5$ persen; untuk $N = 10^{10}$, $P = 99{,}995$ persen. Peluang 95 persen tercapai pada $N = \ln 20/p = 3{,}0 \times 10^{9}$, sehingga populasi besar hampir pasti sudah membawa mutan sebelum antibiotik diberikan. Kasus dua mutasi bebas sekaligus ada di Contoh 5 Bab 13 tentang ketahanan mikroba.

Contoh 4: energi foton UV dan cahaya tampak. Dengan $E = hc/\lambda$, $E$ energi foton (eV), $\lambda$ panjang gelombang (nm), dan $hc = 1240$ eV·nm dari Bab 29 · Fisika, foton lampu germisida 260 nm berenergi $1240/260 = 4{,}77$ eV dan foton cahaya tampak 500 nm $1240/500 = 2{,}48$ eV, rasio $1{,}92$. UV membentuk dimer timin, sedangkan cahaya tampak dipakai fotoliase untuk memecahnya.

Contoh 5: membaca uji Ames. Cawan kontrol tanpa bahan uji tumbuh 25 koloni mutan balik, dan cawan dengan bahan uji 400 koloni (angka latihan). Bahan uji menambah $400 - 25 = 375$ koloni, atau $400/25 = 16$ kali kontrol. Bahan ini ditandai mutagen yang perlu diuji lanjut; kesimpulan tentang bahaya kanker ditetapkan laboratorium.

Contoh 6: peta waktu Hfr. Seluruh kromosom 4,6 Mbp berpindah dalam sekitar 100 menit, yaitu $4{,}6 \times 10^{6}/100 = 46.000$ pasangan basa per menit atau sekitar 767 per detik. Gen yang berjarak 1,15 Mbp dari titik penyatuan masuk sesudah $1{,}15 \times 10^{6}/46.000 = 25$ menit. Bila kontak terputus pada menit ke-10, hanya $46.000 \times 10 = 460.000$ pasangan basa (10 persen genom) yang berpindah.

Contoh 7: plasmid F menyebar. Populasi campuran berisi 1 persen sel F+ (angka latihan). Bila setiap sel F+ mengubah satu sel F− per putaran selagi sel F− melimpah (penyederhanaan tanpa pertumbuhan), bagian sel F+ berlipat dua: 1, 2, 4, 8, 16, 32, lalu 64 persen sesudah 6 putaran. Kenaikan lalu melambat mendekati 100 persen, sejalan dengan OpenStax bahwa akhirnya semua sel menjadi F+.

Contoh 8: antibiotik menyeleksi, tidak menciptakan. Populasi $10^{8}$ sel memuat 100 sel resisten (angka latihan), bagian $10^{-6}$. Antibiotik membunuh 99,99 persen sel peka, yaitu reduksi 4 log seperti di Bab 3, dan tidak membunuh sel resisten. Sel peka tersisa sekitar $10^{8} \times 10^{-4} = 10^{4}$, sehingga bagian resisten menjadi $100/(10^{4} + 100) = 0{,}99$ persen, sekitar 9.900 kali lebih tinggi. Bila populasi tumbuh kembali ke $10^{8}$ dengan laju sama, sekitar $9{,}9 \times 10^{5}$ sel resisten (penalaran editorial).

Contoh 9: sisa antibiotik di saluran. Bangsal membuang 2 g sisa antibiotik per hari ke saluran dengan aliran 100 m³ per hari (angka latihan). Kadarnya $2 \times 10^{6}\ \mu\text{g}/(1 \times 10^{5}\ \text{L}) = 20\ \mu\text{g/L}$, yaitu 0,02 µg/mL. Kadar itu $4/0{,}02 = 200$ sampai $8/0{,}02 = 400$ kali lebih rendah daripada MIC galur VISA dan 800 kali lebih rendah daripada batas VRSA dari OpenStax. Antibiotik seencer itu tidak membersihkan pipa, tetapi menambah paparan kadar rendah di saluran yang sudah menjadi jalur penyebaran gen resistensi (penalaran editorial).

Kondisi berhenti

Hentikan dan serahkan kepada dokter, apoteker, tim PPI, atau penanggung jawab lingkungan fasilitas bila:

1. Teknisi diminta memilih, memberi, atau menyarankan antibiotik untuk siapa pun; itu wewenang dokter.
2. Ada perintah atau kebiasaan membuang sisa antibiotik atau obat ke wastafel, toilet, atau saluran; hentikan dan laporkan agar ditangani menurut prosedur limbah farmasi fasilitas.
3. Tim PPI melaporkan bakteri multiresisten (MRSA, VRE, ESBL, atau resisten karbapenem) di area kerja; prosedur pembersihan dan perbaikan saluran ditetapkan tim PPI, bukan diubah sendiri.
4. Ada permintaan mengencerkan disinfektan di bawah label atau memendekkan waktu kontak, yang dibahas di Bab 13 tentang dosis kurang.
5. Perangkap, saluran, atau instalasi pengolahan air limbah rumah sakit akan dibuka tanpa APD, izin kerja, dan kewaspadaan standar Bab 11.
6. Lampu UV germisida menyala saat ada orang di ruangan, karena UV merusak DNA sel mana pun, atau ada sumber radiasi pengion tanpa petugas berwenang seperti di Bab 33 · Fisika.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 29 memberi dasar DNA dan plasmid. Bab 13 menjelaskan mekanisme ketahanan dan pemakaian disinfektan, Bab 4 disinfeksi UV, Bab 29 · Fisika energi foton, Bab 33 · Fisika radiasi pengion, Bab 5 biofilm tempat gen dipertukarkan, dan Bab 23 toksin yang gennya dibawa fag atau plasmid. Bab 31 memakai plasmid dan transformasi untuk rekayasa genetika, dan Bab 32 melacak gen resistensi dengan uji molekuler.

Latihan dan pembahasan

Referensi