Probiotik didefinisikan sebagai mikroorganisme hidup yang ketika dikonsumsi dalam jumlah memadai, dapat memberikan manfaat kesehatan pada host nya (Pineiro dan Stanton, 2007). Mikroorganisme tersebut dipercaya mampu meningkatkan atau menjaga rasio antara mikrobiota yang bermanfaat dengan komponen yang tidak diinginkan di dalam kompleks mikrobiota gastrointestinal (GI) (O’Hara dan Shanahan, 2007). Probiotik yang banyak digunakan saat ini termasuk dalam spesies bakteri asam laktat (BAL), diantaranya adalah: laktobacilli, bifidobacteria, Escherichia coli non-patogenik, bacilli, serta spesies yeast seperti Saccharomyces boulardii.

Beberapa mekanisme kerja probiotik telah di deskripsikan, mekanisme yang paling umum adalah berhubungan dengan kemampuannya dalam memperkuat pembatas intestinal, memodulasi sistem kekebalan host, serta menghasilkan senyawa antimikrobia (Corr et al., 2009). Hingga saat ini, kemampuan produksi senyawa antimikrobia sering dijadikan sebagai penanda yang utama dalam konteks kesehatan bakteri serta efektifitas probiotik. Beberapa bekteri probiotik memiliki kemampuan produksi senyawa antimikrobia bervariasi (misal: asam lemak rantai pendek, hydrogen peroksida, nitrit oksida, dan bakteriosin) yang dapat meningkatkan kemampuannya dalam berkompetisi melawan mikrobia GI lain serta berpotensi dalam menghambat bakteri patogenik (Atassi dan Servin, 2010; Chenoll et al., 2010). Produksi bakteriosin telah dianggap sebagai penanda sifat yang penting dalam seleksi strain probiotik, namun hingga saat ini masih sedikit penelitian yang secara jelas menunjukkan efek produksi bakteriosin pada kemampuan suatu strain untuk berkompetisi di dalam komunitas mikrobia yang kompleks dan/atau secara positif mempengaruhi kesehatan hewan ternak (host) (Corr et al., 2007).

Bakteriosin adalah peptida hasil produksi bakteri yang aktif dalam melawan bakteri lain serta melawan mikroorganisme yang sesuai dengan mekanisme kekebalan dari produsen bakteriosin tersebut (Cotter et al., 2005; Klaenhammer, 1993). Peptida tersebut disintesis di ribosom dalam jumlah besar dan memiliki banyak jenis. Secara tradisional, produksi bakteriosin telah dianggap sebagai penanda sifat yang penting dalam seleksi strain probiotik, namun hingga saat ini masih sedikit penelitian yang secara jelas menunjukkan efek produksi bakteriosin pada kemampuan suatu strain untuk berkompetisi di dalam komunitas mikrobia yang kompleks dan/atau secara positif mempengaruhi kesehatan hewan ternak (host). Senyawa bakteriosin diproduksi oleh seluruh garis keturunan utama dari bakteri dan archaea dan merupakan kelompok peptida heterogen sehubungan dengan ukuran, struktur, modus tindakan, potensi antimikroba, mekanisme kekebalan dan reseptor sel target.

A. Bakteriosin sebagai peptida kolonisasi

Tingginya densitas sel yang secara umum diassosiasikan dengan sistem GI dapat menyebabkan persinggungan antar sel yang berdekatan diantara anggota bakteri dalam spesies yang sama maupun berlainan, hal tersebut berkemungkinan dapat memicu interaksi mikrobia, baik secara kooperatif maupun antagonistik (Kreth, 2005). Produksi senyawa antimikrobia dapat menyediakan sebuah mekanisme bagaimana produsen mampu memperoleh keuntungan dalam berkompetisi dengan strain sensitif yang berada di lingkungan disekitarnya. Sebagai dukungan untuk hipotesis tersebut, Gillor et al. (2009) menunjukkan bahwa E.coli yang menghasilkan bakteriosin colcicin mampu bertahan dalam usus besar tikus yang telah diinokulasi dengan streptomycin dalam waktu yang lebih lama, dibandingkan dengan E.coli yang tidak menghasilkan colcicin.

Dalam penelitian serupa, Hilman et al (Hillman et al, 1987) melaporkan korelasi kuat antara kemampuan strain Streptococcus mutans dalam mengkolonisasi rongga mulut dengan produksi bakteriosin mutacin 1140. Satu strain penghasil mutachin terbukti stabil dipertahankan pada subyek manusia, dan mampu bertahan selama 14 tahun. Meskipun pengamatan mengenai kompetisi secara langsung menggunakan mutan isogenic non-bakteriosin tidak dilakukan dalam riset ini, fakta bahwa tidak ada jenis lain dari mutan Streptococcus pada sampel air liur dan plak mengindikasikan adanya dominasi kompetitif strain ini. Hal ini juga diketahui bahwa produksi bakteriosin BlpMN oleh strain tipe S. pneumoniae 6A berkontribusi pada kemampuan strain tersebut untuk berkolonisasi dan berkompetisi di dalam nasofaring tikus (Dawid et al., 2007). Dalam studi ini, mutan yang tidak memproduksi BlpMN gagal bersaing dengan bakteriosin yang diproduksi oleh galur induknya ketika strain diberikan dalam jumlah setara. Ko-kolonisasi dengan non-isogenik, galur non-BlpMN, dan S. pneumoniae TIGR4, menghasilkan hasil yang sama, dengan demikian mengkonfirmasi bahwa produksi bakteriosin BlpMN berkontribusi terhadap daya saing strain terkait dalam lingkungan mikroba kompleks nasofaring.

Sejumlah penelitian yang terkait sistem GI telah dilakukan. Lima campuran strain probiotik Lactobacillus murinus yang terdiri dari DPC6002 dan DPC6003, Lactobacullus pentosus DPC6004, Lactobacillus salivarius DPC6005, dan Pediococcus pentosaceus DPC6006 telah diketahui dapat meningkatkan hasil infeksi klinis dan mikrobiologi Salmonella pada babi (Casey et al., 2007). Hal ini kemudian menunjukkan bahwa produser bakteriosin satunya, L. salivarius DPC6005, mendominasi selama strain dipakai secara bersamaan baik di dalam digesta ileum atau pun dalam mukosa dari babi yang disapih (Walsh et al., 2008). Meskipun mutan non-isogenic dari L. salivarius DPC6005 tidak bekerja, penulis menyarankan bahwa kelangsungan hidup ileum strain unggul ini dapat dikaitkan dengan produksi bakteriosin, yang menunjukkan bahwa antimikroba menunjukkan keunggulan kompetitif atas probiotik yang dipakai secara bersamaan lainnya (Walsh et al., 2008).

Produsen bakteriosin juga mampu memodulasi spesies sensitiv di dalam saluran pencernaan. Sebuah studi terbaru menunjukkan bahwa strain Enterococcus faecium KH24 yang mampu memproduksi bakteriosin secara signifikan dapat mempengaruhi mikrobiota pada kotoran tikus (Bhardwaj et al., 2010). Dalam penelitian ini, tikus menerima 10⁸ CFU/hari bakteriocinogenik E. faecium KH24 (Bac) dan varian non-bakteriocinogenik (Bac) untuk jangka waktu 12 hari. Hasilnya menunjukkan bahwa populasi Lactobacillus secara signifikan lebih besar pada tikus yang diberi bakteriocinogenik E. faecium dibandingkan non-producer tersebut. Penulis menyimpulkan bahwa E. faecium KH24 bisa dimanfaatkan sebagai probiotik dengan hipotesis bahwa enterococci bakteriocinogenik dapat membantu untuk mengontrol mikrobiota lokal dengan cara yang menguntungkan.

Bukti bahwa produksi bakteriosin dapat berkontribusi bagi kelangsungan hidup mikroba dalam saluran pencernaan manusia juga telah dilaporkan. Studi tersebut berasal dari analisis genomik fungsional Bifidobacterium longum subsp. DJO10A longum pada usus yang menunjukkan bahwa produksi bakteriosin mungkin merupakan adaptasi penting untuk kelangsungan hidup mikrobiota dalam sistem GI. Percobaan tingkat pertumbuhan kompetitif dalam lingkungan model kotoran mengungkapkan bahwa B. longum DJO10A secara signifikan memiliki kemampuan lebih besar untuk bersaing dengan isolat Clostridium difficile DJOcd1 dan E. coli DJOec1 dalam usus daripada varian non-penghasil longum B. isogenic DJO10-JH1 (Lee et al., 2008). Meskipun diperlukan data tambahan dari penelitian secara in vivo, hasil tersebut dapat memberikan indikasi lebih lanjut bahwa produksi bakteriosin merupakan penanda sifat penting berkaitan dengan kompetisi mikroba dalam usus manusia.

B. Bakteriosin sebagai peptida pembunuh.

Kemampuan mikroorganisme produsen bakteriosin dalam menghambat patogen secara in vitro telah didokumentasikan dengan baik (Gillor et al., 2009). Namun, penelitian yang melibatkan korelasi secara langsung antara keberhasilan in vitro dan perlindungan in vivo masih belum banyak dilakukan. Misalnya, baru-baru ini telah diketahui bahwa peptida antimikroba lactococci lacticin 3147 yang berspektrum luas gagal memberi perlindungan terhadap infeksi Listeria monocytogenes pada model tikus, meskipun keberhasilan bakteriosin melawan patogen ini secara in vitro (Dobson., 2011). Namun demikian, perlu dicatat bahwa dalam hal ini strain produsen bukanlah mikroorganisme GI associated. Demikian, hal ini menunjukkan bahwa meskipun pediocin PA-1 diproduksi oleh Pediococcus acidilactici UL5 dapat mengurangi viabilitas L. monocytogenes sekitar 3 log secara in vitro, efek yang sesuai tidak teramati secara in vivo (Dabour et al., 2009). Dalam hal ini, pemberian secara intragastrik P. acidilactici UL5 sebanyak 10¹⁰ CFU/hewan gagal memberikan perlindungan terhadap infeksi L. monocytogenes pada tikus, meskipun fakta bahwa pemberian pediocin PA-1 murni untuk tikus menghasilkan pengurangan jumlah tinja listerial ca. 2 log. Peningkatan invasi L. monocytogenes telah diamati dalam usus, hati, dan limpa mencit P. acidilactici yang diberi perlakuan dibandingkan dengan tikus kontrol.

Temuan tersebut sesuai dengan penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Bernbom et al. (2006) yang menyelidiki kemampuan Lactobacillus plantarum DDEN11007 penghasil pediocin Ach untuk mencegah infeksi L. monocytogenes EP2 pada tikus bebas hama. Dalam kasus ini, masuknya L. plantarum DDEN 1.007 sebelum inokulasi L. monocytogenes menghasilkan peningkatan jumlah L. monocytogenes dalam hati dan limpa hewan gnotobiotic dibandingkan dengan hewan kontrol. Para penulis dari kedua studi mengamati peningkatan jumlah patogen dengan penurunan pH paqda saluran usus, hal tersebut menunjukkan bahwa produksi asam laktat oleh Pediococcus spp. dan Lactobacillus spp. diinduksi oleh produksi gen virulensi oleh patogen.

Teori ini masih bersifat spekulatif, meskipun telah tercatat bahwa L. monocytogenes dengan perlakuan asam telah terbukti lebih invasif daripada galur lain yang tidak teradaptasi terhadap asam (O’Driscoll et al., 1996). Ada beberapa penelitian yang menunjukkan kemampuan produsen bakteriosin untuk menghambat patogen dalam saluran pencernaan. Terutama, Corr et al. (2007) menemukan bahwa L. salivarius UCC118 memberikan perlindungan terhadap infeksi L. monocytogenes pada tikus (Gambar 1). Penghambatan patogen ditunjukkan sebagai akibat langsung dari produksi bakteriosin dua-peptida Abp118, karena itu menunjukkan bahwa turunan non-bakteriosin yang memproduksi isogenic gagal melindungi tikus dari infeksi. Demikian pula, bakteriosin yg diproduksi dari manusia isolat P. acidilactici MM33 dan L. lactis MM19 menunjukkan kemampuannya dalam mengurangi populasi enterococci tahan vankomisin enterococci (VRE) populasi in vivo (Millette et al., 2008). P. acidilactici MM33 menghasilkan bakteriosin pediocin PA-1/AcH, sedangkan L. lactis MM19 menghasilkan bakteriosin nisin Z. Dalam studi ini, tikus menerima dosis harian intragastric L. lactis MM19 P. acidilactici MM33, atau P. acidilactici MM33A (mutan, bukan penghasil pediocin) untuk total 16 hari. Dalam 6 hari pertama pemberiannya, tingkat VRE dalam kelompok hewan yang diberikan strain yang memproduksi bakteriosin berada di bawah ambang batas deteksi sedangkan tingkat VRE pada tikus galur non-pediocin menunjukkan hasil serupa dengan dari tikus kontrol.

Bakteriosin yang dihasilkan oleh bakteri Gram-positif biasanya memiliki aktivitas yang kecil atau bahkan tidak ada sama sekali pada patogen Gram-negatif, Gram-negatif yang memproduksi bakteriosin tampaknya memiliki potensi yang lebih besar sehubungan dengan cara mengendalikan patogen tersebut (Kirkup, 2006). Salah satu strain yang memiliki catatan khusus adalah E. coli H22. H22 menghasilkan beberapa bakteriosin, termasuk microcin C7 dan 1b colicins dan E1, dan menghambat beberapa patogen enterobacteria secara in vitro, termasuk Klebsiella pneumoniae dan Salmonella spp. (Cursino et al., 2006). Studi yang melibatkan model tikus bebas hama menunjukkan bahwa jumlah E. coli H22 menggunakan metode populasi fecal Shigella flexneri 4 berkurang ke tingkat tidak terdeteksi dalam waktu 6 hari pemberian. Selain itu, uji in vitro inhibisi menegaskan bahwa E. coli H22 tidak memiliki aktivitas terhadap mikrobiota manusia normal seperti anggota “Bacteroidetes” filum dan Bifidobacterium spesies. Akibatnya, penulis menyimpulkan bahwa E. coli H22 adalah probiotik menjanjikan sehubungan dengan mencegah infeksi usus pada manusia dan ternak (Cursino et al., 2006).

Demikian pula, campuran dari delapan colicin E7-memproduksi E. coli strain baru-baru ini ditemukan menunjukkan anti-E. coli O157: H7 aktivitas pada sapi (Schamberger dan Diez-Gonzales, 2004). Dosis harian dari campuran strain colicinogenic untuk anak sapi (108 CFU/g pakan) mengakibatkan penurunan 2-log dalam menumpahkan tinja E. coli O157: H7 dibandingkan dengan kelompok kontrol. Selain itu, Analisis jaringan mengungkapkan bahwa colicin E7-memproduksi E. Coli strain signifikan mengurangi tingkat kolonisasi patogen. Meskipun produksi colicin E7 langsung terlibat, penulis menyarankan bahwa masuknya colicin E7 penghasil bakteri dalam pakan dapat menjadi sarana efektif untuk mengontrol E. Coli O157: H7 (Schamberger dan Diez-Gonzales, 2004).

Stern et al., (2008) juga menyelidiki kemampuan produksi bakteriosin L. salivarius atau Paenibacillus polymyxa untuk mengacaukan kolonisasi Campylobacter jejuni pada ternak ayam broiler. Meskipun berhasil menghambat patogen secara in vitro, perlakuan dengan strain yang memproduksi bakteriosin tidak dapat secara efektif mengurangi jumlah C. Jejuni dalam sistem GI ayam. Namun demikian seluruh patogen berhasil dihilangkan ketika diberikan 250 mg bakteriosin terenkapsulasi pada ternak ayam. Berdasarkan hal tersebut, penulis memperkirakan bahwa bakteriosin tersebut tidak dapat diproduksi dalam jumlah yang cukup secara in vivo untuk memberikan efek positif dalam lingkungan usus (Stern et al., 2008).

C. Bakteriosin sebagai peptida sinyal.

Komunikasi bakteri melalui molekul sinyal ekstraseluler diffusible (quorum sensing) memungkinkan populasi bakteri untuk menyinkronkan perilaku kelompok dan dapat memfasilitasi dikoordinasikan fungsi multiseluler (Gillor dan Ghazaryan, 2007). Dalam bakteri Gram-negatif, (N-asil) homoserine lakton biasanya berfungsi sebagai molekul sinyal, sedangkan di bakteri Gram-positif, peptida, termasuk beberapa bakteriosin, sering berfungsi sebagai agen signaling (Sturme et al., 2002). Dengan demikian, telah menyarankan bahwa setidaknya beberapa bakteriosin memiliki peran ganda, bertindak sebagai inhibitor pada konsentrasi tinggi dan sebagai sinyal senyawa pada konsentrasi yang lebih rendah (Fajardo dan Martinez, 2008). Oleh karena itu, bakteriosin yang dihasilkan oleh strain probiotik juga dapat bertindak sebagai molekul quorum-sensing atau autoinducing peptide dalam lingkungan usus.

Secara umum, quorum sensing peptida berbasis di bakteri Gram-positif melibatkan dua komponen sistem peraturan sinyal transduksi terdiri dari protein kinase histidin (HPK) yang terletak pada membran sel dan regulator respon intraseluler (RR) (Kleerebezem et al., 1997). Ini bertanggung jawab untuk penginderaan sinyal yang peptida dan merangsang respon seluler yang tepat. Dalam kasus sistem autoinducing, diperkirakan bahwa peptida sinyal yang dihasilkan pada tingkat rendah selama pertumbuhan normal, tetapi ketika berada di atas ambang konsentrasi tertentu, autoinducing peptide mengikat ke domain N-terminal dari HPK, sehingga terjadi auto-fosforilasi dan aktivasi. HPK kemudian mentransfer grup phosphoryl kepada RR yang kemudian memicu sebuah respon pada level transkripsi. Secara normal autoinducing peptide tidak memiliki fungsi selain fungsi pembawa sinyal, namun demikina beberapa autoinducing peptide diketahui juga dapat berfungsi sebagai antimikrobia. Sebuah contoh klasik dari fungsi ganda tersebut adalah bakteriosin nisin. Nisin memiliki peran sebagai molekul pembunuh serta molekul sinyal yang mampu menginduksi biosintesisnya sendiri dengan mekanisme tertentu di dalam sel (Kleerebezem et al., 1997). Fenomena tersebut juga diasosiasikan dengan bakteriosin lain, termasuk subtilin yang dihasilkan oleh strain Bacillus subtilis , serta salivaricin Abp118 dan plantarichin A yang dihasilkan oleh L. salivarius UCC118 dan L. plantarum C11 (Flynn et al., 2002).

Referensi:

Atassi F, Servin AL. 2010. Individual and co-operative roles of lactic acid and hydrogen peroxide in the killing activity of enteric strain Lactobacillus johnsonii NCC933 and vaginal strain Lactobacillus gasseri KS120.1 against enteric, uropathogenic and vaginosis-associated pathogens. FEMS Microbiol. Lett. 304:29 –38.

Bernbom N, et al. 2006. Effects of Lactococcus lactis on composition of intestinal microbiota: role of nisin. Appl. Environ. Microbiol. 72:239–244.

Bhardwaj A, et al. 2010. Safety assessment and evaluation of probiotic potential of bacteriocinogenic Enterococcus faecium KH 24 strain under in vitro and in vivo conditions. Int. J. Food Microbiol. 141:156 –164.

Casey PG, et al. 2007. A five-strain probiotic combination reduces pathogen shedding and alleviates disease signs in pigs challenged with Salmonella enterica serovar Typhimurium. Appl. Environ. Microbiol. 73: 1858–1863.

Corr SC, et al. 2007. Bacteriocin production as a mechanism for the antiinfective activity of Lactobacillus salivarius UCC118. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104:7617–7621.

Corr SC, Hill C, Gahan CGM. 2009. Understanding the mechanisms by which probiotics inhibit gastrointestinal pathogens. Adv. Food Nutr. Res. 56:1–15.

Cotter PD, Hill C, Ross RP. 2005. Bacteriocins: developing innate immunity for food. Nat. Rev. Microbiol. 3:777–788.

Cursino L, et al. 2006. Exoproducts of the Escherichia coli strain H22 inhibiting some enteric pathogens both in vitro and in vivo. J. Appl. Microbiol. 100:821– 829.

Dabour N, Zihler A, Kheadr E, Lacroix C, Fliss I. 2009. In vivo study on the effectiveness of pediocin PA-1 and Pediococcus acidilactici UL5 at inhibiting Listeria monocytogenes. Int. J. Food Microbiol. 133:225–233.

Dawid S, Roche AM, Weiser JN. 2007. The blp bacteriocins of Streptococcus pneumoniae mediate intraspecies competition both in vitro and in vivo. Infect. Immun. 75:443– 451.

Dobson A, et al. 2011. Fate and efficacy of lacticin 3147-producing Lactococcus lactis in the mammalian gastrointestinal tract. FEMS Microbiol. Ecol. 76:602– 614.

Fajardo A, Martinez JL. 2008. Antibiotics as signals that trigger specific bacterial responses. Curr. Opin. Microbiol. 11:161–167.

Flynn S, et al. 2002. Characterization of the genetic locus responsible for the production of ABP-118, a novel bacteriocin produced by the probiotic bacterium Lactobacillus salivarius subsp. salivarius UCC118. Microbiology 148:973–984.

Gillor O, Ghazaryan L. 2007. Recent advances in bacteriocin application as antimicrobials. Recent Pat. Antiinfect. Drug Discov. 2:115–122.

Gillor O, Giladi I, Riley MA. 2009. Persistence of colicinogenic Escherichia coli in the mouse gastrointestinal tract. BMC Microbiol. 9:165. 25.

Hillman J, Dzuback A, Andrews S. 1987. Colonization of the human oral cavity by a Streptococcus mutans mutant producing increased bacteriocin. J. Dent. Res. 66:1092–1094.

Kirkup BC, Jr. 2006. Bacteriocins as oral and gastrointestinal antibiotics: theoretical considerations, applied research, and practical applications. Curr. Med. Chem. 13:3335–3350.

Klaenhammer TR. 1993. Genetics of bacteriocins produced by lactic acid bacteria. FEMS Microbiol. Rev. 12:39–85.

Kleerebezem M, Quadri LE, Kuipers OP, de Vos WM. 1997. Quorum sensing by peptide pheromones and two-component signal-transduction systems in Gram-positive bacteria. Mol. Microbiol. 24:895–904.

Kreth J, Merritt J, Shi W, Qi F. 2005. Competition and coexistence between Streptococcus mutans and Streptococcus sanguinis in the dental biofilm. J. Bacteriol. 187:7193–7203.

Lee JH, et al. 2008. Comparative genomic analysis of the gut bacterium Bifidobacterium longum reveals loci susceptible to deletion during pure culture growth. BMC Genomics 9:247.

Millette M, et al. 2008. Capacity of human nisin- and pediocin-producing lactic acid bacteria to reduce intestinal colonization by vancomycinresistant enterococci. Appl. Environ. Microbiol. 74:1997–2003.

Mota-Meira M, Morency H, Lavoie MC. 2005. In vivo activity of mutacin B-Ny266. J. Antimicrob. Chemother. 56:869–871.

O’Driscoll B, Gahan CG, Hill C. 1996. Adaptive acid tolerance response in Listeria monocytogenes: isolation of an acid-tolerant mutant which demonstrates increased virulence. Appl. Environ. Microbiol. 62:1693–1698.

O’Hara AM, Shanahan F. 2007. Mechanisms of action of probiotics in intestinal diseases. ScientificWorldJournal 7:31– 46.

Pineiro M, Stanton C. 2007. Probiotic bacteria: legislative framework requirements to evidence basis. J. Nutr. 137:850S– 853S.

Ryan MP, Rea MC, Hill C, Ross RP. 1996. An application in cheddar cheese manufacture for a strain of Lactococcus lactis producing a novel broad-spectrum bacteriocin, lacticin 3147. Appl. Environ. Microbiol. 62: 612–619.

Schamberger GP, Diez-Gonzalez F. 2004. Characterization of colicinogenic Escherichia coli strains inhibitory to enterohemorrhagic E. coli. J. Food Prot. 67:486–492.

Servin AL. 2004. Antagonistic activities of lactobacilli and bifidobacteria against microbial pathogens. FEMS Microbiol. Rev. 28:405-440.

Stern NJ, et al. 2008. Bacteriocins reduce Campylobacter jejuni colonization while bacteria producing bacteriocins are ineffective. Microb. Ecol. Health Dis. 20:74 –79.