Penelitian tentang microbiome yang berfokus terhadap perilaku, interaksi, dan fungsi komunitas mikroba dalam lingkungan tertentu telah banyak berkembang dalam 15 tahun terakhir. Manfaatnya telah dirasakan di banyak bidang, lho. Microbiome tidak hanya ada di tubuh manusia, tapi juga di semua ekosistem dan terdiri dari komunitas mikroba yang beragam. Gangguan pada microbiome membawa fenotipe yang tidak diinginkan pada inangnya, sehingga menghasilkan penyakit dan gangguan serta merusak keseimbangan ekosistem terkait.

Seperti tercantum di Biotechnology Journal, pada kondisi homeostasis atau komposisi microbiome seimbang, baik manusia, hewan, maupun tanaman akan mengalami kesehatan optimum, kebugaran tinggi, pertumbuhan yang cepat, serta produktivitas dan kesuburan yang tinggi. Sebaliknya, pada kondisi dishomeostasis di mana keragaman microbiome berkurang atau meningkat serta proporsi berubah, manusia, hewan, maupun tanaman bisa mengalami penyakit atau gangguan, kebugaran yang rendah, pertumbuhan yang lambat, serta produktivitas dan kesuburan yang rendah. Nah, rekayasa microbiome bisa digunakan untuk memodifikasi struktur mikrobiota dan mengembalikan keseimbangan ekologis atau kondisi homeostasis. 

Baca Juga: Teknologi Masa Depan: Modifikasi Genetik, Kloning, dan Lainnya

Ahli biologi molekuler meneliti bagaimana organisme hidup berfungsi. Lalu, mereka menerapkan pengetahuan tersebut di bidang bioteknologi, menggunakan sistem biologis untuk mengembangkan aplikasi baru atau menghasilkan produk baru. Berikut beberapa contoh penerapan bioteknologi di bidang medis, industri, agrikultur, dan lingkungan.
 

1. Medis (Manusia)

Rekayasa microbiome tampaknya paling luas diterapkan pada microbiome manusia. Ini karena adanya potensi manipulasi mikrobiota pada manusia untuk mengobati penyakit. Microbiome manusia ternyata memengaruhi fisiologi inang, lho. Komposisinya pun memiliki kaitan dengan penyakit dan gangguan seperti diabetes dan kanker.

Penelitian bioteknologi telah menghasilkan penemuan dan perkembangan banyak obat-obatan penting untuk mengatasi beragam penyakit dan gangguan pada manusia. Berikut beberapa contoh penerapan riset tentang microbiome di bidang medis:
 

• Mikroba hasil rekayasa genetika menghasilkan hormon insulin manusia dalam jumlah besar. Hormon ini mengatur kadar gula darah dan digunakan untuk mengatasi diabetes.
• Vaksin HPV (human papillomavirus) untuk melindungi dari beberapa jenis kanker (seperti kanker serviks) meniru kapsid (cangkang protein partikel virus) yang diproduksi di Saccharomyces hasil rekayasa genetika.
• Transplantasi microbiota feses (FMT) memiliki kelebihan dibanding terapi antibiotik dalam mengatasi infeksi Clostridium difficile (CDI) yang berulang. Sebab, terapi antibiotik berisiko menimbulkan resistensi terhadap patogen serta menghilangkan populasi mikroba baik dan memperkaya Proteobacteria, sehingga pasien lebih rentan kambuh. Sebaliknya, FMT mengembalikan Firmicutes dan Bacteriodetes yang menguntungkan, sehingga berdampak pada angka kesembuhan yang tinggi dan kekambuhan yang rendah.
• Pendekatan eksperimental yang disebut terapi gen sedang diteliti. Teknik ini melibatkan pengiriman DNA atau RNA ke sel pasien untuk mengatasi penyakit atau gangguan genetika. Beberapa virus sudah direkayasa genetika untuk berperan sebagai vektor (sarana pengantaran) DNA atau RNA. Penyakit yang bisa diatasi dengan cara ini di antaranya beberapa jenis kanker, infeksi virus (misalnya HIV/AIDS), dan gangguan genetika keturunan. 

Baca Juga: Mengenal CRISPR/Cas9, Sistem Imun Bakteri yang Bisa Bantu Ilmuwan Edit DNA

2. Industri

Seperti tertulis di website Future Learn, manusia sudah memanfaatkan mikroba untuk produksi pangan selama berabad-abad, jauh sebelum kita tahu organisme tersebut ada. Bakteri asam laktat (LAB) digunakan untuk menghasilkan keju, yoghurt, kefir, dan kimchi, sedangkan ragi Saccharomyces dipakai untuk membuat roti, bir, cider, dan wine. Ada juga bakteri asam asetat (AAB) untuk membuat cuka secara tradisional.
 

3. Agrikultur

Populasi manusia terus bertambah, jadi kita perlu menghasilkan makanan yang cukup untuk semua orang. Beberapa mikroba berdampak negatif pada agrikultur dengan menyebabkan penyakit pada tanaman dan ternak. Namun, kita bisa menggunakan mikroba lain yang bermanfaat untuk meningkatkan ketersediaan pangan.
 

a. Ternak

Seperti microbiome manusia, microbiome hewan terdiri dari komunitas-komunitas mikroba yang beragam. Komposisi mikrobiota juga berkaitan dengan pertumbuhan dan kesehatan inangnya. Antibiotik umum digunakan pada hewan ternak untuk mencegah infeksi bakteri dan mendorong pertumbuhan hewan. Namun, pemberian antibiotik menyebabkan munculnya bakteri yang tahan antibiotik dan meningkatkan kekhawatiran akan sisa antibiotik di produk daging. Karena itu, rekayasa microbiome ternak menggunakan enzim, prebiotik, dan probiotik di pakan ternak untuk mengubah komposisi mikrobiota bisa jadi alternatif untuk meningkatkan kesehatan hewan di industri peternakan hewan. Jenis probiotik dominan yang digunakan adalah Lactobacillus, Bifidobacteria, Bacillus, Enterococcus, dan Saccharomyces boulardii. 
 

b. Tanaman dan Tanah

Microbiome tanah merujuk pada komunitas mikroba di lapisan rhizosphere (sekitar akar tanaman) dan paling dipengaruhi oleh praktik manajemen agrikultur.  Dengan merekayasa microbiome tanah, komunitas mikroba tanah yang lebih beragam dan seimbang bisa dicapai demi kesehatan tanah dan kesuburan tanaman yang lebih baik.

Cara pertama adalah melalui pertanian organik. Metode ini meningkatkan keragaman, siklus biologis, serta aktivitas biologis microbiome tanah melalui penggunaan pupuk dan herbisida kimiawi secara minimal. Dibanding tanah yang diberi pupuk kimiawi, penggunaan pupuk organik dalam jangka panjang dapat meningkatkan kekayaan dan mengubah struktur microbiome tanah.

Cara kedua adalah mengubah penggunaan lahan. Perubahan signifikan dalam struktur dan fungsi microbiome tanah bisa terjadi dengan pergantian vegetasi. Misalnya, microbiome tanah berubah ketika hutan hujan dikonversi menjadi lahan sawit di Asia Tenggara. 

Ada beberapa penerapan bioteknologi lain dalam agrikultur tanaman, yakni:
 

• Petani dapat membeli endospora bakteri Bacillus thuringiensis (Bt) untuk digunakan sebagai pestisida organik. Walau kontroversial, tanaman yang direkayasa genetika dengan toksin gen Bt tahan terhadap hama serangga.
• Mikroba bisa digunakan sebagai pupuk hayati untuk meningkatkan hasil panen. Penanaman berskala besar dapat dengan cepat menghabiskan nutrisi di tanah dan membatasi pertumbuhan tanaman. Nitrogen bisa diisi kembali salah satunya dengan penerapan bakteri Azotobacter. Pseudomonas putida bisa dimanfaatkan untuk meningkatkan fosfat di tanah, sedangkan Pseudomonas fluorescens bisa diaplikasikan untuk meningkatkan kesehatan tanaman. Pupuk-pupuk hayati tersebut dapat membantu mengurangi kebutuhan akan pupuk dan pestisida sintetis yang diproduksi dengan bahan bakar fosil yang berkontribusi terhadap perubahan iklim.

Baca Juga: Apa Itu Genetic Diversity dan Mengapa Itu Penting?
 

4. Lingkungan

Untuk mengatasi masalah perubahan iklim, kita sangat memerlukan alternatif bahan bakar fosil. Salah satunya adalah dengan menggunakan mikroba fotosintesis seperti algae and cyanobacteria untuk membuat bahan bakar hayati. Keduanya bisa ditanam di kolam terbuka atau fotobioreaktor (menggunakan sumber cahaya buatan) serta diberi CO2 dan zat nutrisi lain untuk mendukung fotosintesis. Komponen sel bisa diekstrak untuk membuat biodiesel (dari lipid) atau bioethanol (dari karbohidrat, dengan bantuan Saccharomyces).

Mikroba juga memiliki kemampuan metabolik yang sangat luas. Beberapa mikroba bisa mengurai dan menghilangkan racun dari polutan seperti minyak bumi atau pestisida dan dapat digunakan di bioremediasi (penggunaan mikroorganisme untuk mengurangi polutan di lingkungan). Beberapa mikroba bahkan bisa memecah plastik.

Penelitian yang berkelanjutan di bidang mikrobiologi akan menghasilkan pemahaman yang lebih baik akan fungsi mikroba. Hal ini juga memungkinkan kita mengatasi ancaman global seperti perubahan iklim, polusi, kekurangan pangan, resistensi antimikroba, dan kemunculan penyakit menular.

Gimana, seru banget ya baca-baca informasi tentang microbiome? Kalau kamu masih mau baca artikel menarik lainnya tentang riset microbiome atau bidang teknologi lainnya, yuk mampir ke Nusantics Blog!

 

Referensi:

1. https://www.futurelearn.com/info/courses/introduction-to-microbiology/0/steps/51437
2. Foo JL, Ling H, Lee YS, Chang MW. Microbiome engineering: Current applications and its future. Biotechnol J. 2017 Mar;12(3). doi: 10.1002/biot.201600099. Epub 2017 Jan 30. PMID: 28133942.