ISOLASI DAN KARAKTERISASI MANANASE EKSTRASELULER DARI Fusarium oxysporum

Transkripsi

1 J. Sains MIPA, April 27, Vol. 13, No. 1, Hal.: ISSN ABSTRACT ISOLASI DAN KARAKTERISASI MANANASE EKSTRASELULER DARI Fusarium oxysporum Sumardi Jurusan Biologi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung sumardi_bio@yahoo.co.id Diterima 1 Januari 27, perbaikan 26 April 27, disetujui untuk diterbitkan 3 April 27 The aims of the research are to isolate and to produce the mannanase enzyme from F. oxysporum. The extracellular of the -mannanase was then analyzed for its biochemical characteristics of. The result showed that extracellular - mannanase (endo-1,4- -D-mannanase, EC ) produced by Fusarium oxysporum grown in palm kernel meal as a carbon source on the 5 th day. t -Mannanase activity was 3.8 U/mg but it was increase up to 123. U/mg after precipitation by 6-8 ammonium sulfate. The optimum ph mannanase activity after ammonium sulfate precipitation (concentrated) were two peaks. The first peak was at ph 4. and the second peak was at ph 7.. The optimum temperature was 7 o C. The fractions of 6 8 was run on SDS-polyacrylamide gel electrophoresis, and then it was detected with zymogram assay. Two -mannanases of 55 kda and 115 kda were observed. Key words : Fusarium oxysporum, extraselullar mannanase, ammonium sulfate precipitation 1. PENDAHULUAN Enzim mananase adalah enzim ekstraseluler yang mampu menghidrolisis molekul polisakarida manan yang mempunyai ikatan 1-4 ß menjadi manooligosakarida. Kemudian manooligosakarida dapat dihidrolisis oleh enzim manosidase menjadi manosa. Manan merupakan komponen utama dari endosperma kelapa (Cocos nucifera), kelapa sawit (Elaeis guinensis), biji kopi (Coffea canephora var robusta), locust bean gum (Ceratonia siliqua), guar bean (Cyanaposis tetragonoloba), dan akar konjak (Amorpophalus konjak) 1). Enzim mananase dapat dihasilkan oleh bakteri dan kapang. Penelitian sebelumnya oleh Sachslehner et al. 2), membuktikan bahwa kapang fitopatogen Sclerotium rolfsii dapat menghasilkan mananase dengan aktivitas enzim yang tinggi (675,1 U/mg). Aktivitas optimumnya pada ph 4 dan suhu 5 C. Sedangkan berat molekul protein enzimnya 46 kda. Kapang fitopatogen lainnya, Fusarium oxysporum setelah dilakukan penelitian pendahuluan ternyata tidak mampu menghasilkan enzim amilase, selulase, dan protease. Namun kapang tersebut mampu menghasilkan mananase. Oleh karena itu perlu dilakukan isolasi dan pemurnian mananase dari Fusarium oxysporum serta karakterisasi enzim tersebut yang meliputi ph, suhu, dan berat molekulnya. 2. METODE PENELITIAN 2.1. Isolat kapang Isolat yang digunakan adalah Fusarium oxysporum yang diperoleh dari koleksi biakan Laboratorium Mikrobiologi Jurusan Biologi FMIPA Unila Inokulum Kapang Fusarium oxysporum dari biakan murni dipindahkan ke media Potato Dextrose Agar (air dari ekstraks kentang 2 g, dextrosa 1 g dan agar 15 g dalam akuades 1 ml), kemudian diinkubasi pada suhu ruangan selama 6 hari Media Produksi Media produksi dibuat berdasarkan modifikasi dari Mendels and Stenberg 3) dengan komposisi (NH4)2SO4,14, KH2PO4,2, MgSO4,5, urea,3, CaCl,3, FeSO4.7 H2O,5, MnSO4.H2O,16, ZnSO4.7H2O,14, CoCl2,2, ekstrak khamir,5, pepton,75, dan bungkil sawit 1 dalam 1 ml aquades. Bahan-bahan tersebut selanjutnya diaduk sampai larut. Kemudian dimasukkan ke dalam erlenmeyer dengan sumbat kapas. Kemudian di sterilisasi pada suhu 121 C dengan tekanan 2 atm selama 15 menit. 27 FMIPA Universitas Lampung 43

2 Sumardi Isolasi dan Karakterisasi Mananase 2.4. Penentuan Lama Waktu Inkubasi terhadap Produksi Enzim Erlenmeyer volume 25 ml diisi dengan 5 ml media produksi, kemudian kultur kapang 1x1 cm diinokulasikan. Setelah itu biakan diinkubasi selama 6 hari, pada suhu 37 C. Tingkat pertumbuhan dan fluktuasi aktivitas enzim ditetapkan dengan sampling setiap 1 hari sekali pada hari ke-, ke-1, ke-2, ke-3, ke- 4, ke-5, dan ke-6. Aktivitas enzim ditentukan dengan metode DNS. Absorbansi dibaca pada panjang gelombang 575 nm Pemurnian Enzim Mananase Pengendapan dengan Garam Amonium sulfat Secara Terfraksi Ekstrak kasar enzim yang telah dipisahkan dari sel dengan cara sentrifugasi diendapkan dengan penambahan amonium sulfat pada berbagai tingkat kejenuhan (-2, 2-4, 4-6, 6-8, dan 8-1). Penambahan amonium sulfat dilakukan sedikit demi sedikit sambil diaduk dengan magnetik stirer. Pengendapan dilakukan dalam suasana dingin (4 o C). Campuran ini didiamkan selama 2 jam dalam lemari es, endapan yang terbentuk dipisahkan dengan sentrifugasi dan dilarutkan dalam buffer fosfat,1 M ph 7, (4). Enzim yang mengendap kemudian didialis dalam plastik selofan Karakterisasi Enzim Mananase Pengaruh ph dan suhu Pengaruh suhu dan ph diamati untuk menentukan kondisi optimum aktivitas enzim -mananase. Suhu optimum ditentukan dengan menginkubasi reaksi enzim pada suhu 25 C, 3 C, 35 C, 4 C, 45 C, 5 C, 55 C, 6 C, 65 C, 7 C, dan 75 C. Sedangkan ph optimum ditentukan dengan uji aktivitas enzim pada ph 3 sampai 1 pada suhu optimum enzim dengan bufer universal. Analisis Elektroforesis Gel dan Zimogram Elektroforesis dilakukan dimodifikasi dengan cara SDS- PAGE dilakukan dengan gel pemisah (poliakrilamid 8) dan gel penahan (poliakrilamid 4). Aktivitas - mananase pada gel dideteksi menggunakan locust bean gum sebagai substrat pada gel pemisah 5). Setelah running elektroforesis, SDS pada gel zimogram dihilangkan dan protein mananase direnaturasi 6). Gel kemudian diinkubasi pada suhu 65 o C selama 35 menit pada bufer sitrat.5 M ph 6.. Aktivitas -mananase dapat terlihat setelah dilakukan pewarnaan dengan larutan.1 merah kongo selama 2 menit dan dilanjutkan dengan pencucian larutan NaCl 1 M selama 1 menit. Analisis elektroforesis nondenaturan dilakukan dengan cara yang sama, namun tanpa penambahan SDS. Ekstrak kasar enzim + (NH4)2 SO4 (-2) Endapan (F 1 ) + (NH4)2SO4 (2-4) Endapan (F2) + (NH4)2SO4 (4-6) Endapan (F3) + (NH4)2SO4 (6-8) + (NH4)2SO4 (8-1) Endapan (F4) Endapan (F5) Gambar 1. Skema proses pengendapan enzim dengan penambahan amonium sulfat FMIPA Universitas Lampung

3 J. Sains MIPA, April 27, Vol. 13, No Pengujian Aktivitas Enzim Mananase Pengujian aktivitas enzim dilakukan dengan komposisi cairan ekstrak enzim sebanyak,5 ml ditambahkan ke dalam,5 larutan manan (locust bean gum) pada buffer sitrat 5 mm ph 6. Kemudian sebanyak 1 ml total volume diinkubasi pada shaker water bath suhu 37 C selama 3 menit. Setelah diinkubasi, ditambahkan 1 ml pereaksi DNS. Kemudian dipanaskan dalam air mendidih selama 15 menit. Setelah itu didinginkan pada air dingin selama 2 menit, agar warna kompleks yang terbentuk stabil pada saat dilakukan pengukuran. Pembacaan dengan spektrofotometer diukur pada panjang gelombang 575 nm 7). Kadar manosa yang terbentuk karena aktivitas enzim merupakan kadar manosa hasil degradasi enzim setelah dikurangi kontrol. Satu unit aktivitas enzim adalah banyaknya enzim yang memecah polisakarida manan yang dapat menghasilkan 1 µmol manosa per menit pada kondisi penengujian. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Waktu Inkubasi Pada uji pengaruh lama inkubasi terhadap produksi mananase dari Fusarium oxysporum terlihat bahwa pada awal inkubasi (-1 hari) belum terlihat adanya aktivitas enzim mananase. Hal ini disebabkan Fusarium oxysporum masih beradaptasi pada lingkungan baru. Aktivitas enzim mulai tampak pada hari pertama dan terus naik secara eksponensial sampai mencapai optimum pada hari kelima, dimana aktivitas yang diperoleh merupakan aktivitas tertinggi yaitu sebesar 3,4 U/ml. Setelah hari kelima, terjadi penurunan aktivitas meskipun masih menunjukkan aktivitas yang cukup tinggi (Gambar 2) Pemurnian Enzim Mananase Berdasarkan hasil pengujian aktivitas enzim mananase, diperoleh aktivitas sebesar 3,3 U/ml pada ekstrak kasar. Hasil pengendapan enzim mananase secara terfraksi bahwa pada frakti -2, 2-4, dan 4-6 diperoleh aktivitas yang rendah. Pada beberapa fraksi tersebut enzim mananase yang terendapkan sedikit karena terjadi proses salting in pada konsentrasi garam rendah. Pada fraksi 6-8 menunjukkan aktivitas enzim tertinggi yaitu sebesar 1,7 U/ml. Pada fraksi tersebut pengendapan mananase oleh garam amonium sulfat mencapai optimum (Gambar 3). Aktivitas Unit (U/ml) 3,5 4 2,5 3 1,5 2, Waktu (hari) Gambar 2. Pengaruh waktu inkubasi F. oxysporum dengan aktivitas unit enzim mananase Aktivitas Unit (U/ml) Fraksi Kejenuhan 8-1 Gambar 3. Pengendapan enzim mananase dengan garam amonium sulfat secara terfraksi dan dialisis. Dari hasil tahapan pemurnian enzim mananase terlihat bahwa aktivitas spesifik enzim mananase mengalami peningkatan yaitu dari 3,8 U/mg menjadi 123, U/mg seperti terdapat pada Tabel 3. Peningkatan aktivitas spesifik enzim ini terjadi karena tingkat kemurnian enzim semakin tinggi. Dengan demikian makin tinggi tingkat kemurnian enzim maka makin optimal enzim tersebut bekerja. Tingkat kemurnian enzim dihitung berdasarkan perbandingan aktivitas spesifik masing masing tahapan terhadap aktivitas spesifik enzim kasar. Pada tabel menunjukkan peningkatan kemurnian enzim, pengendapan dengan amonium sulfat memberikan tingkat kemurnian sebesar 4, kali pada fraksi 6-8. Aktivitas total mengalami penurunan yang diikuti dengan peningkatan aktivitas Tabel 3. Tahapan Pemurnian Enzim Mananase Tahapan Pemurnian Volume enzim (ml) Aktivitas Unit (U/ml) Aktivitas Total (Unit) Kadar Protein (mg/ml) Aktivitas Spesifik (U/mg) Tingkat Kemurnian Perolehan () 38 3,3 1261,6,1767 3,8 1 1 Amonium Sulfat (6-8) 24 1,7 256,3, , 4 2,3 27 FMIPA Universitas Lampung 45

4 Sumardi Isolasi dan Karakterisasi Mananase spesifik dan tingkat kemurnian enzim. Penurunan kadar protein menunjukan bahwa protein lain yang terdapat pada larutan ekstrak kasar dapat dipisahkan dari protein enzim. Penurunan aktivitas total disebabkan oleh larutan ekstrak kasar enzim yang terlalu encer sehingga tidak semua enzim dapat mengendap. Selain itu enzim mengalami kehilangan aktivitasnya selama proses pengendapan dengan amonium sulfat dan dialisis. Penurunan perolehan disebabkan oleh volume larutan enzim yang semakin kecil. Pada pengendapan, fraksi 6 8 memberikan perolehan sebesar 2, Karakterisasi Enzim Mananase Hasil penelitian menunjukan ada dua puncak aktivitas tertinggi dari fraksi 6-8 terdapat pada ph 4 dengan aktivitas sebesar 18, U/ml dan ph 7-8 dengan aktivitas sebesar 8,9 U/ml (Gambar 4). Hasil dua puncak aktivitas mananase ini unik ini dan jarang ditemukan dalam penelitian enzim. Hasil tersebut diperkuat dengan elektroforesis dimana pada ph 4 dan ph 8 pita enzim mananase terlihat jelas. Sedangkan pada ph 6 dan ph 1 tidak tampak (Gambar 5). Pita yang muncul pada inkubasi ph 4 mempunyai dengan berat molekul 55 kda. Dengan demikian jenis mananase pertama yang aktif pada ph 4 adalah mananase dengan berat molekul 55 kda. Aktivitas mananase pada ph 8 ada tetapi rendah. Dari hasil zimogram pita yang muncul kecil/kurang jelas. Jenis mananase kedua yang aktif pada ph 8 ini adalah mananase dengan berat molekul 115 kda. Adanya dua jenis enzim yang mempunyai aktivitas optimum yang berbeda tersebut diduga merupakan dua unit molekul monomer mananase. Fenomena ini diduga merupakan salah satu mekanisme kapang Fusarium mempertahankan diri dari lingkungannya yang tidak menguntungkan. Dengan demikian maka kapang tersebut akan sulit ditanggulangi karena kapang tersebut aktif pada ph 4, dan ph 8,. Aktivitas Relatif () ph Inkubasi Gambar 4. Pengaruh ph terhadap aktivitas relatif mananase hasil pengendapan amonium sulfat (6-8) pada buffer universal. 97 kda 66 kda S A B C D 45 kda 3 kda 21 kda 14,4kDa Keterangan : S : Standar marker molekul protein A : Inkubasi ph 4 suhu 37 C selama 3 menit B : Inkubasi ph 6 suhu 37 C selama 3 menit C : Inkubasi ph 8 suhu 37 C selama 3 menit D : Inkubasi ph 1 suhu 37 C selama 3 menit Gambar 5. Zimogram mananase fraksi FMIPA Universitas Lampung

5 J. Sains MIPA, April 27, Vol. 13, No Penentuan Suhu Optimum Berdasarkan uji aktivitas mananase fraksi 6-8 aktivitas enzim tertinggi pada suhu 7 C (Gambar 6). Aktivitas Relatif () Suhu ( C) Gambar 6. Pengaruh suhu terhadap aktivitas relatif mananase hasil fraksi pengendapan amonium sulfat 6-8. Pada suhu 7 C tersebut aktivitas enzim sebesar 22, U/ml. Peningkatan suhu dapat meningkatkan kecepatan reaksi yang dikatalisis enzim sampai pada batas tertentu yang optimal 8). Suhu yang terlalu tinggi juga dapat menyebabkan perubahan konformasi tiga dimensi enzim yang menyebabkan enzim sukar bereaksi dengan substrat. Pada suhu 7 C konformasi enzim mananase tepat berikatan dengan substrat, sehingga aktivitasnya maksimal. Sebagai pembanding -mananase kapang lainnya, Eupinicillium javanicum aktif pada ph 5,8 dan suhu 5 C, Talaromyces bissachlamydoides aktif pada ph 6 dan 5 o C 1), Sclerotium rolfsii aktif pada ph 4 dan 5 o C 11) Analisis Berat Molekul Enzim Mananase Enzim mananase hasil pemurnian dianalisis jumlah pita protein dan berat molekulnya dengan elektroforesis SDS-PAGE dan zimogram. Prinsip dari elektroforesis ini, molekul molekul yang bermuatan bergerak dalam larutan ke arah elektroda yang polaritasnya sehingga molekul yang berbeda muatan terpisah 12). Elektroforesis SDS-PAGE dengan penambahan substrat manan (locust bean gum,5) pada gel pemisah dihidrolisis oleh enzim mananase. Substrat tersebut berfungsi untuk mendeteksi keberadaan mananase. Manan yang terdapat pada gel diwarnai dengan congo red,1, molekul yang mempunyai aktivitas mananase tampak berwarna putih, sedangkan yang lain akan berwarna merah. Substrat manan mempunyai ikatan 1-4,, D-manopiranosil yang berikatan dengan congo red sehingga berwarna merah 13). Namun apabila mananase memecah substrat locust bean gum maka akan dihasilkan manosa yang tidak mempunyai ikatan tersebut. Congo red tidak akan terikat kuat dan gel berwarna putih (Gambar 7). 97 kda 66 kda 45 kda 3 kda 2,1 kda 14,4 kda S A B Gambar 7. Elektroforesis SDS-PAGE dan zimogram enzim mananase Keterangan : S : Penanda berat molekul protein (standar protein baku) A : inkubasi ph 4 suhu 7 C selama 15 menit B : Enzim pada fraksi 6-8 inkubasi ph 4 suhu 7 C selama 15 menit Hasil SDS-PAGE dan zimogram menunjukan ada 2 pita mananase yang konsisten dengan berat molekul 115 kda dan 55 kda dari tahap fraksinasi dengan garam amonium sulfat 6-8 yang dihitung berdasarkan protein baku (standar) yang telah diketahui berat molekulnya dengan membandingkan dengan mobilitas relatif (rf) yang diperolehnya. Pada penelitian lain, - mananase dari Vibrio sp. MA-138 bersifat monomer dengan berat molekul 49 kda 5), demikian pula - mananase dari Bacillus stearothermophilus juga bersifat monomer tetapi dengan berat molekul 76 kda 14). 4. KESIMPULAN DAN SARAN 4.1. Kesimpulan 115 kda 55 kda Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa : 1. Fusarium oxysporum menghasilkan mananase dengan aktivitas tertinggi (3,4 U/ml) adalah waktu panen pada hari kelima dengan ph medium 6, dan suhu ruang (29 o C). 2. Pemurnian enzim mananase menggunakan metode pengendapan dengan garam amonium sulfat secara terfraksi, mampu meningkatkan aktivitas spesifik enzim mananase dari 3,9 U/mg untuk ekstrak kasar enzim menjadi 123, U/mg pada fraksi 6-8 hasil pengendapan amonium sulfat, dengan tingkat kemurnian 4, kali. 3. Enzim mananase hasil pemurnian mempunyai ph optimum pada ph 4 dengan aktivitas sebesar 18, U/ml dan suhu optimum pada suhu 7 C dengan aktivitas sebesar 22, U/ml. 27 FMIPA Universitas Lampung 47

6 Sumardi Isolasi dan Karakterisasi Mananase 4. Hasil elektroforesis SDS-PAGE dan zimogram dengan pewarnaan congo red menunjukkan ada 2 pita mananase yang konsisten dengan berat molekul 115 kda dan 55 kda dari tahap pemekatan dengan garam amonium sulfat Saran Untuk meningkatkan perolehan dan aktivitas enzim yang lebih tinggi perlu diteliti mengenai proses pemurnian dengan cara lain. Selain itu juga perlu diteliti lebih lanjut mengenai karakteristik lain dari enzim mananase Fusarium oxysporum seperti pengaruh ph media terhadap pertumbuhannya, stabilitas suhu, konsentrasi substrat, konsentrasi enzim, inhibitor enzim dalam menghidrolisis bungkil sawit. Uji pengendalian penyakit tanaman yang disebabkan Fusarium oxysporum berdasarkan karakteristik yang didapat dari penelitian ini juga perlu untuk dilakukan. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Program Hibah Kompetisi- A2 Jurusan Biologi FMIPA Unila yang telah mendanai penelitian ini. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada Ika Ratna Sari, S.Si yang telah membantu penelitian ini, Dr. Yandri AS, M.Si dan Drs. Bambang Irawan, M.Sc yang telah memberikan masukan sehingga tulisan ini menjadi lebih sempurna. DAFTAR PUSTAKA 1. Ooi, T., Kikuchi, D Purification and some properties of -mannanase from Bacillus sp. World. J. Microbiol. Biotechnol. 11: Sachslehner, A., Foidl, G., Foild, N., Gubitz, G. and Haltrich, D. 2. Hydrolysis of isolated coffee mannan and coffee extract by mannanases of Sclerotium rolfsii. J. Biotechnol. 8: Mendels, M. and Stenberg D Recent advances in cellulase technology. J. Ferment. Technol. 64: Bollag, D. M., and S. J. Edelstein Protein Methods. A Jhon Wiley & Sons, INC p Tamaru, Y., Araki, T., Amagoi, H., Mori, H., Morishita, T Purification and characterization of an extracellular -mannanase from marine bacterium, Vibrio sp. strain MA-138. Appl. Biochem. Biotech. 61: Spindler, K.D., Rapp, C Detection of chitin degrading enzymes on gels. Di dalam Muzzarelli RAA, Peter MG (ed). Chitin Handbook. Italy : Atec Grattamare, Torrette, AN. hlm Hossain, Z.M., J.I. Abe, and S. Hizukuri Multiple Forms of -mananase from Bacillus sp. KK1. Enzyme and Microbial Technology. Elsevir Science Inc. New York. 8. Suhartono, M.T Enzim dan Bioteknologi. PAU Bioteknologi-IPB. Bogor. 9. Purwadaria, T., Haryati. T., Darma, J Isolasi dan seleksi kapang mesofilik penghasil mananase. Ilmu dan peternakan. 7: Araujo, A., Ward, O. P Extracellular mannanases and galactanases from selected fungi. J. Indust. Microbiol. 6: Sachslehner, A., Haltrich, D., Gubitz, G., Nidetzky, B., and Kulbe, K D Efficient production of mannan degradating enzymes by the Basidiomycete Sclerotium rolfsii. Appl. Biochem. Biotech. 7-72: Adijuwana, H., Rukmini, H. S. dan Nur, M. A Tekhnik Laboratorium untuk Bidang Biologi dan Kimia. IPB. Bogor. 13. Teather, R.M., Wood, P.J Used of congo red-polysaccharide interactions in enumeration and characterzation of cellulolytic bacteria from the bovine rumen. Appl. Biochem. Biotech.43: Ethier, N., Talbot, G., Sygusch, J Gene cloning, DNA sequencing, and expression of thermostable -mannanase from Bacillus stearothermophilus. Appl. Biochem. Biotech. 64: FMIPA Universitas Lampung