LAPORAN PRAKTIKUM
MIKROBIOLOGI UMUM
KLASIFIKASI BAKTERI SECARA NUMERIK
BERDASARKAN FENOTIP
oleh:
FARIDATUL MAGHFIROH
(0810910007)
KELOMPOK 2
LABORATORIUM MIKROBIOLOGI
JURUSAN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
MALANG
2010
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Identifikasi dan klasifikasi bakteri yang belum dikenal dari suatu spesimen, hal utama yang harus dilakukan adalah dengan memperoleh biakan murni dari masing-masing organisme sebelum dilakukan berbagai langkah dalam pengidentifikasian untuk klasifikasi. Dalam mengidentifikasi bakteri meskipun tidak ada skema klasifikasi yang diakui secara resmi atau secara internasional, skema klasifikasi yang paling terkenal dan paling umum digunakan adalah yang dipaparkan dalam Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology, dan identifikasi dapat juga dilakukan dengan penggunaan kunci komprehensif Skerman (Boone dan Castenholz, 2001). Oleh sebab itu praktikum ini penting untuk dilaksanakan, karena bentuk klasifikasi yang dilakukan dalam praktikum ini akan memberikan suatu bekal yang nantinya akan berguna sebagai suatu penunjang ilmu mikrobiologi selanjutnya, ataupun dalam bidang biologi konservasi.
1.2 Perumusan Masalah
Rumusan masalah pada praktikum ini adalah bagaimanakah hubungan similaritas antar individu? Apakah dapat diketahui hubungan similaritas pada masing-masing organisme dengan klasifikasi bakteri secara numerik berdasarkan fenotip?
1.2 Tujuan
Tujuan praktikum ini adalah untuk mengetahui similaritas dari masing-masing organisme berdasarkan klasifikasi bakteri secara numerik berdasarkan fenotip.
1.4 Manfaat
Manfaat yang dapat diperoleh dari praktikum ini adalah praktikan dapat memahami hubungan similaritas antara organisme yang diidentifikasi dan mengetahui pemanfaatan metode numerik berdasarkan fenotip dalam pengklasifikasian organisme. Sehingga hal ini nantinya akan berguna sebagai suatu penunjang ilmu mikrobiologi selanjutnya, ataupun dalam bidang biologi konservasi.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Klasifikasi dan identifikasi adalah dua hal yang memiliki perbedaan, namun pada dasarnya saling berhubungan dalam taksonomi. Klasifikasi dapat diidentifikasikan sebagai penyusunan suatu organisme kedalam suatu kelompok taksonomi (taksa) berdasarkan persamaan atau hubungan. Klasifikasi organisme prokariota seperti bakteri memerlukan pengetahuan yang didapat dari pengalaman dan juga teknik observasi, sifat biokimia, fisiologi, genetik dan morfologi yang penting untuk menggambarkan sebuah takson. Mikroorganisme merupakan suatu kelompok organisme yang tidak dapat dilihat dengan menggunakan mata telanjang, sehingga diperlukan alat bantu untuk dapat melihatnya, misalnya mikroskop, lup, dan lain-lain. Mikroorganisme memiliki cakupan yang sangat luas,dan terdiri dari berbagai kelompok dan jenis, sehingga diperlukan suatu cara pengelompokan atau pengklasifikasian (Sembiring, 2003).
Klasifikasi dan identifikasi mikroorganisme haruslah diketahui terlebih dahulu karakteristik atau ciri-ciri mikroorganisme. Oleh karena ukurannya yang sangat kecil, tidaklah mungkin untuk mempelajari 1 mikroorganisme saja, sehingga yang dipelajari adalah karakteristik suatu biakan yang merupakan populasi dari suatu mikroorganisme (Loy, 1994).
Taksonomi merupakan suatu langkah dalam pengelompokan jasad hidup di dalam kelompok atau takson yang sesuai. Pertama kali, pengelompokan ini hanya dilakukan dalam lingkungan tumbuh-tumbuhan dan hewan, namun ternyata bahwa untuk mikroba pun dapat digunakan. Dari segi mikrobiologi sendiri, dunia mikroba terbagi menjadi dua kelompok besar, dimana pembagian ini berdasarkan kepada ada tidaknya inti, baik yang sudah terdiferensiasi ataupun yang belum, yaitu: penyusunan urutan DNA telah menjadi prosedur rutin di laboratorium dan perbandingan susunan DNA diantara beragam gen yang mana dapat menggambarkan hubungan perbedaan susunan DNA diantara gen-gen yang tersebar secara cepat, sehingga dapat digunakan untuk menentukan hubungan kekerabatan untuk masing-masing individu (Felsenstein, 1981; Nei dan Kumar, 2000).
Tabel 1. Contoh Tingkat Taksonomi
| Tingkatan Resmi | Contoh |
| Kingdom | Prokaryotae |
| Divisi | Gracilicutes |
| Klas | Scotobacteria |
| Ordo | Eubacteriales |
| Famili | Entobacteriaceae |
| Genus | Escherichia |
| spesies | Coli |
Taksonomi dapat dilakukan secara numerik ataupun secara fenetik, dimana taksonomi secara numerik (numerical taxonomy), adalah taksonomi yang dikelompokkan berdasarkan pada informasi sifat suatu organisme yang dikonversikan ke dalam bentuk yang sesuai untuk analisis numerik dan dibandingkan menggunakan komputer, ada atau tidaknya sekurang-kurangnya 50 (sebaiknya beberapa ratus) karakater yang dapat dibandingkan; karakter tersebut di antaranya adalah karakter morfologi, biokimiawi, dan fisiologi, dan koefisien asosiasi ditentukan di antara karakter-karakter yang dimiliki oleh dua atau lebih organisme. Sedangkan taksonomi secara fenetik (phenetic systems) adalah taksonomi yang dikelompokkan berdasarkan pada kesamaan secara keseluruhan, seringkali berupa suatu sistem alami yang didasarkan atas kesamaan karakter, dan tidak tergantung pada analisis filogenetik, koefisien Jaccard (Jaccard coefficient) akan mengabaikan karakter-karakter yang tidak ada pada kedua organisme, nilai-nilai tersebut diatur untuk membentuk matriks kesamaan (similarity matrix), dimana organisme dengan kesamaan tinggi dikelompokkan bersama dalam fenon (phenons), perbedaan (significance) fenon tidak selalu jelas terlihat, namun fenon dengan kesamaan 80% seringkali dianggap satu spesies (bakteri) (Felsenstein, 2004).
Menurut Boone & Castenholz (2001) taksonomi numerik merupakan pengelompokkan suatu unit taksonomi dengan metode numerik ke dalam taksa tertentu berdasarkan atas karakter yang dimiliki, dimana taksonomi numerik memiliki tujuan utama yaitu untuk menghasilkan suatu klasifikasi yang bersifat teliti, reprodusibel serta padat informasi. Taksonomi numerik juga dikenal sebagai Taksonomi Adansonian. Taksonomi numerik ini berdasarkan atas lima prinsip utama, yaitu taksonomi yang ideal yang merupakan taksonomi yang mengandung informasi terbesar, dimana masing-masing karakter diberi nilai yang setara dalam mengkonstruksikan takson yang bersifat alami, tingkat kedekatan antara dua strain merupakan fungsi proporsi similaritas sifat yang dimiliki bersama, taksa yang berbeda dibentuk berdasarkan atas sifat yang dimiliki, dan similaritas tidak bersifat filogenetis melainkan bersifat fenetis (Boone & Castenholz, 2001).
Taksonomi numerik diawali dengan analisis karakter yang diuji dengan berbagai uji, antara lain: uji morfologi, fisiologi dan sifat biokimiawi yang menghasilkan data fenotip yang beragam, data fenotip yang didapat, akan diolah lebih lanjut sehingga menghasilkan koefisien similaritas, yaitu sebuah fungsi yang mengukur tingkat kemiripan yang dimiliki oleh dua atau lebih stain mikroba yang dibandingkan, yang diperoleh dari karakter yang dibandingkan antar dua atau lebih strain mikroba. Koefisien ini terdiri atas dua jenis yaitu, Simple Matching Coeficient (Ssm) dan Jaccard Coeficient (SJ). Ssm merupakan koefisien similaritas yang umum digunakan pada ilmu bakteriologi untuk mengukur proporsi karakter yang sesuai, baik hubungannya bersifat ada (positif) maupun tidak ada (negatif). Sedangkan SJ dihitung, tanpa memperhitungkan karakter yang tidak dimiliki oleh kedua organisme tersebut (Edwards, dan Cavalli, 1964).
Taksonomi fenetik merupakan suatu sistem klasifikasi mikroba tanpa mempertimbangkan sifat evolusioner. Pengukuran kekerabatan berdasarkan sifat fenotip dan genotip, misalnya penentuan sifat biokimia, morfologi, fisiologi, kimiawi dan pembedaan DNA. Aplikasinya dalam kontruksi klasifikasi biologis memungkinkan terwujudnya sirkumskripsi takson berdasarkan prinsip yang objektif, bukan klasifikasi yang bersifat subjektif. Salah satu cara yang paling mudah dalam membandingkan Operational Taxonomical Unit (OTU) adalah dengan mencari jumlah karakter yang identik diantara masing-masing individu yang disebut sebagai koefisien asosiasi (Stanier, dkk., 1982).
Pengklasifikasian bakteri memiliki beberapa kesulitan, kriteria dalam klasifikasi bakteri berbeda dengan mengklasifikasikan tumbuhan tingkat tinggi dan hewan tingkat tinggi yang didasarkan terutama pada sifat-sifat marfologinya. namun hal ini sulit dilaksanakan pada bakteri, sehingga klasifikasi bakteri di dasarkan sebagian pada sifat-sifat morfologi, dan sifat-sifat fisiologinya termasuk imunologi. Pada dasarnya bakteri ketika di bawah mikroskop menunjukkan bentuk morfologi yang sama, namun sifat-sifat fisiologi mereka berlainan antara yang satu dengan yang lain. Ada beberapa golongan bakteri yang sama bentuknya, namun yang satu dapat mencerna asam amino tertentu, sedangkan yang lainnya tidak. Ada pula suatu golongan yang dapat menyebabkan suatu penyakit, sedang golongan yang lain tidak, sehingga dari karakter tersebut bakteri dapat diklasifikasikan berdasarkan sifat-sifat morfologi (Harly, 2005).
BAB III
METODE PRAKTIKUM
3.1 Waktu dan Tempat
Praktikum “Klasifikasi Bakteri Secara Numerik Berdasarkan Fenotip ” dilaksanakan pada tanggal 17 Mei 2010 pukul 12.15 WIB di Laboratorium Mikrobiologi, Jurusan Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya, Malang
3.2 Skema Kerja
Langkah awal yang dilakukan dalam praktikum ini adalah data yang telah diperoleh dalam uji fisika ataupun kimia, dikonversikan dalam bentuk angka “1” untuk uji positif“+”, dan “0” untuk uji negatif “-“, yang kemudian dari data tersebut dimasukkan dalam exel, yang kemudian dimasukkan ke dalam notepad, pemasukan ke dalam data diawali dengan jumlah spesies, kemudian jumlah karakter, selanjutnya tanda bintang, yang kemudian masing-masing strain beserta jenis karakter dari masing-masing strain tersebut. Sehingga akan tampil seperti dibawah ini:
04
055
*
"A"=1100101001100010101010001111111111111111001101100010000
"B"=1001101001100100101010010111111111111111001110100000001
"C"=1100100101001100101010100000111000000111001111000000100
"D"=1000010101100110101010000111111000111000001010100001000
Data yang telah dimasukkan dalam notepad, kemudian disimpan dan dimasukkan dalam program clad 97 dengan langkah yaitu file dipilih dan kemudian dipilih open, kemudian dipilih data yang akan dimasukkan, kemudian dipilih phenetic, selanjutnya dipilih augen, full automatic, dan diprint screen untuk dipindahkan ke microsoft word.
BAB IV
PEMBAHASAN
Berdasarkan data hasil praktikum didapatkan out put sebagai berikut:
Data yang didapatkan adalah menggunakan data numerik, sehingga diperoleh Cladogram seperti yang ada diatas. Cladogram tersebut menyatakan bahwasanya strain A dan B memiliki HTU (Hipotetic Taxon Unit) 0,818182, dimana hal ini menyatakan bahwasanya hubungan kekerabatan atau matriks similaritas yang dimiliki oleh strain A dan strain B adalah sebesar 0,818182, sedangkan strain A, B, dan strain D memiliki HTU (Hipotetic Taxon Unit) 0,690909, dimana hal ini menyatakan bahwasanya hubungan kekerabatan atau matriks similaritas yang dimiliki oleh strain A, B, dan strain D adalah 0,690909. HTU (Hipotetic Taxon Unit) antara strain A, B, C, dan strain D adalah 0,618182, dimana hal ini menyatakan bahwasanya hubungan kekerabatan atau matriks similaritas yang dimiliki oleh strain A, B, C, dan strain D adalah 0,618182.
Keempat strain tersebut tidak dapat dikatakan dalam satu genus, spesies, ataupun satu strain karena indeks similaritas yang didapatkan tidak memenuhi kriteria yang pada umumnya ditetapkan, dan pada dasarnya, strain-strain tersebut juga memiliki karakteristik-karakteristik yang berbeda antara yang satu dengan yang lain. Dapat dikatakan satu genus apabila memiliki indeks similaritas antara 89-99 %, dapat dikatakan satu spesies apabila memiliki indeks similaritas 99 %, dan dapat dikatakan satu strain apabila memiliki indeks similaritas 100 %. Menurut Priest dan Austin (1993) bahwasanya matriks kesamaan (similarity matrix), adalah suatu hal dimana organisme dengan kesamaan tinggi dikelompokkan bersama dalam fenon (phenons), perbedaan (significance) fenon tidak selalu jelas terlihat, namun fenon dengan kesamaan 80% seringkali dianggap satu spesies (bakteri) (Priest dan Austin, 1993).
Mekanisme pembuatan pohon cladistic adalah diawali dengan data yang telah diperoleh dalam uji fisika ataupun kimia, dikonversikan dalam bentuk angka “1” untuk uji positif“+”, dan “0” untuk uji negatif “-“, yang kemudian dari data tersebut dimasukkan dalam exel, yang kemudian dimasukkan ke dalam notepad, pemasukan ke dalam data diawali dengan jumlah spesies, kemudian jumlah karakter, selanjutnya tanda bintang, yang kemudian masing-masing strain beserta jenis karakter dari masing-masing strain tersebut. Sehingga akan tampil seperti dibawah ini:
04
055
*
"A"=1100101001100010101010001111111111111111001101100010000
"B"=1001101001100100101010010111111111111111001110100000001
"C"=1100100101001100101010100000111000000111001111000000100
"D"=1000010101100110101010000111111000111000001010100001000
Data yang telah dimasukkan dalam notepad, kemudian disimpan dan dimasukkan dalam program clad 97 dengan langkah yaitu file dipilih dan kemudian dipilih open, kemudian dipilih data yang akan dimasukkan, kemudian dipilih phenetic, selanjutnya dipilih augen, full automatic, dan diprint screen untuk dipindahkan ke microsoft word.
Menurut Priest dan Austin (1993) taksonomi numerik diawali dengan analisis karakter yang diuji dengan berbagai uji, antara lain: uji morfologi, fisiologi dan sifat biokimiawi yang menghasilkan data fenotip yang beragam, data fenotip yang didapat, akan diolah lebih lanjut sehingga menghasilkan koefisien similaritas, yaitu sebuah fungsi yang mengukur tingkat kemiripan yang dimiliki oleh dua atau lebih stain mikroba yang dibandingkan, yang diperoleh dari karakter yang dibandingkan antar dua atau lebih strain mikroba (Priest dan Austin, 1993).
Koefisien ini terdiri atas dua jenis yaitu, Simple Matching Coeficient (Ssm) dan Jaccard Coeficient (SJ). Ssm merupakan koefisien similaritas yang umum digunakan pada ilmu bakteriologi untuk mengukur proporsi karakter yang sesuai, baik hubungannya bersifat ada (positif) maupun tidak ada (negatif). Sedangkan SJ dihitung, tanpa memperhitungkan karakter yang tidak dimiliki oleh kedua organisme tersebut (Felsenstein, 1981).
Cladistic analysis ini merupakan suatu analisis yang digunakan dalam klasifikasi suatu organisme berdasarkan pada persamaan anatomi eksternal maupun internal, fungsi fisiologis, genetik, ataupun sejarah evolusinya. Pengelompokkan berdasarkan persamaan anatomi eksternal merupakan salah satu peluang yang mungkin untuk dilakukan analisa, secara terkomputasi dengan image processing, dari suatu bentuk atau ciri binatang yang komplek, dimana dalam image processing hal ini dilakukan dengan menganalisa obyek kompleksitas permasalahan dalam memecahkan persamaan matematika secara analitik, memberikan dorongan terhadap berkembangnya alternatif lain (metode numerik). Perkembangan komputer, baik dalam peningkatan kemampuan perangkat lunak maupun perangkat keras, dapat memberikan optimalisasi dan akurasi yang semakin baik untuk menyelesaikan berbagai permasalahan (Working Group, 2001).
Nilai similaritas memiliki rentang dari 0 sampai 1 atau 0 sampai 100% dan mengindikasikan shared characters. Jarak similaritas diperlakukan sebagai dissimilarity yang merupakan lawan dari similarity. Matriks similaritas merupakan metode untuk menghasilkan pohon kekerabatan / relationship trees. Metode ini didasarkan pada kekerabatan atau similaritas yang dihitung di antara semua sampel (Priest dan Austin, 1993).
Pendekatan dalam pengujian hubungan filogenetik yaitu fenetik dan kladistik. Fenetik juga dikenal dengan taksonomi numerik yang melibatkan penggunaan ukuran yang bervariasi dari kesamaan untuk masing-masing tingkatan spesies, dimana setiap organisme kemudian dibandingkan dengan organisme lainnya untuk seluruh karakter yang diukur dan dihitung jumlah similarity atau dissimilarity. Organisme kemudian dikelompokkan sehingga yang paling mirip akan berkelompok bersama sedangkan yang berbeda akan memiliki hubungan kekerabatan yang jauh. Kelompok taksonomi (fenogram) hasil dari analisis ini tidak menunjukkan hubungan evolusi. Kadistik merupakan cara lain menyatakan hubungan kekerabatan. Asumsi dalam kladistik bahwa anggota kelompok memiliki sejarah evolusi umum. Pengelompokan berdasarkan kladistik harus memiliki karakteristik bahwa semua spesies dengan berbagai nenek moyang umum (common ancestor) dan semua spesies yang berasal dari common ancestor harus diikutkan dalam takson (Priest dan Austin, 1993).
Fenetik merupakan suatu studi klasifikasi berbagai macam organisme berdasarkan kesamaan atau kemiripan morfologi dan sifat lainnya yang bisa diobservasi tidak tergantung pada asal evolusi organisme bersangkutan. Jadi dalam studi ini, lebih ditekankan adanya proses konvergensi evolusi.
Sedangkan kladistik merupakan kebalikan dari fenetik, yaitu merupakan studi yang mengelompokkan makhluk hidup berdasarkan asal evolusinya. Jadi merupakan suatu studi hipotesis akan evolusi suatu organisme. Kladogram adalah gambaran pohon evolusi hasil studi kladistik. Dendrogram merupakan diagram bercabang yang menggambarkan hirarki kategori berdasarkan derajat kesamaan sejumlah karakterisitk dalam taksonomi (Harly, 2005).
Cladogram merupakan diagram yang menunjukkan hubungan leluhur antara taksa, untuk mewakili evolusi pohon kehidupan. Meskipun secara tradisional cladogram seperti itu, sebagian besar dihasilkan berdasarkan karakter morfologi, molekuler sequencing data dan filogenetik komputasi sekarang sangat umum digunakan dalam generasi cladogram. Hasil akhir dari analisis cladistic adalah seperti pohon diagram kekerabatan yang disebut cladogram atau terkadang disebut dendrogram,cladogram ini secara grafis merupakan proses evolusi hipotetis (Edwards, dan Cavalli, 1964).
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Praktikum ini dapat disimpulkan, bahwasanya, pohon cladistic yang diperoleh dapat menentukan hubungan similaritas, dimana strain A dan B memiliki HTU (Hipotetic Taxon Unit) 0,818182, sedangkan strain A, B, dan strain D memiliki HTU (Hipotetic Taxon Unit) 0,690909, dan HTU (Hipotetic Taxon Unit) antara strain A, B, C, dan strain D adalah 0,618182.
5.2 Saran
Saran yang dapat diberikan adalah praktikan hendaknya memahami terlebih dahulu apa yang akan dipraktikumkan, sehingga praktikan dapat mengikuti jalannya praktikum dengan baik, dan praktikan seharusnya lebih teliti dalam memasukkan data, sehingga hasil yang diperoleh akan lebih akurat.
DAFTAR PUSTAKA
Boone, R.D., and R.W. Castenholz. 2001. Bergey’s Manual Of Systematics Bacteriology. 2nd edition. Springer. New York
Edwards, A. W. F. and Cavalli-Sforza, L. L. 1964. Reconstruction of phylogenetic trees. in Phenetic and Phylogenetic Classification. ed. Heywood, V. H. and McNeill.London: Systematics Assoc. Pub No. 6.
Felsenstein, J. 1981. Evolutionary trees from DNA sequences: A maximum likelihood approach. J Mol Evol 17: 368-376
Felsenstein, J. 2004 Inferring Phylogenies. Sunderland, MA: Sinauer Associates.
Harly, J. P. 2005. Laboratory Exorcises in Microbiology sixth Edition. McGraw Hill Companies, inc, 1211, Avence of the Amonical. New York.
Loy, B. W. 1994. Annalisis Mikrobia Di Lahro . PT Raja Grafindo Persada. Jakarta.
Nei, M. and Kumar, S. (2000) Molecular Evolution and Phylogenetics. NY: Oxford University Press. New York
Priest, F & B. Austin. 1993. Modern Bacterial Taxonomy Second Edition. Champman dan Hall. London.
Sembiring, L. 2003. Petunjuk Praktikum Sistematik mikrobia. Laboratorium Mikrobiologi, UGM, Yogyakarta
Stanier, R. Y., Edward, A. A., and Jon, L. I. 1982. Mikrobiologi. UGM. Penerbit PT. Bhintara Karya Aksara.Yogyakarta.
Working Group .2001. Evolution, Science, and Society: Evolutionary biology and the national research agenda. American.
