Karakterisasi Genom Khamir Wickerhamomyces anomalus BT3 Toleran Kadmium

Abstract

Kadmium merupakan salah satu unsur logam berat yang banyak mencemari lingkungan dan membahayakan manusia. Berbagai penelitian telah melaporkan bahwa bioremediasi merupakan metode yang efektif untuk mengurangi pencemaran logam berat, termasuk kadmium, di lingkungan. Salah satu jenis mikrob yang berpotensi menjadi agen bioremediasi cemaran kadmium adalah khamir. Penelitian ini bertujuan untuk menyeleksi khamir yang memiliki kemampuan toleran kadmium terbaik, mengkarakterisasi genomik khamir toleran kadmium terbaik dan memprediksi mekanisme toleransi khamir toleran kadmium terbaik berdasarkan data sekuen genom total. Metode penelitian yang dilakukan meliputi kultivasi koleksi khamir berpotensi toleran kadmium, uji toleransi khamir terhadap kadmium melalui spot suspectibility assay, analisis kurva pertumbuhan khamir terpilih pada cekaman kadmium, ekstraksi DNA genom khamir terpilih dan sekuensing DNA secara Whole Genome Sequencing. Hasil dari tahap WGS diolah dengan analisis bioinformatika meliputi pemeriksaan kualitas sekuen genom total, komparasi genom menggunakan program OrthoVenn3 dan identifikasi klaster gen-gen metabolisme sekunder dengan menggunakan program Anti—SMASH 7.0. Penelitian juga dilanjutkan dengan studi literatur mengenai gen dan protein fungsional yang terlibat dalam mekanisme toleransi khamir terhadap kadmium. Berdasarkan hasil seleksi terhadap berbagai galur khamir diperoleh bahwa Wickerhamomyces anomalus BT3, BT1, dan BT4 mampu mempertahankan viabilitas sel paling baik pada waktu mendapatkan cekaman CdCl2 dibanding dengan galur khamir lain yang diuji. Densitas koloni yang lebih konsisten pada W. anomalus BT3 mengindikasikan bahwa tingkat toleransinya terhadap kadmium lebih tinggi dibandingkan galur lainnya. Kurva pertumbuhan khamir W. anomalus BT3 menunjukkan pola yang bergantung pada tingkat konsentrasi CdCl2 yang diberikan dan terjadi penghambatan pertumbuhan pada jam ke 24 sampai jam ke 168 pada konsentrasi 400-1000 µM. Hasil analisis laju pertumbuhan juga mengungkapkan bahwa W. anomalus BT3 mampu mempertahankan viabilitas sel meskipun terpapar kadmium pada konsentrasi lebih besar dari 1000 µM, hasil ini menunjukkan bahwa khamir ini sangat toleran terhadap kadmium. Hasil pembacaan sekuen genom total W. anomalus BT3 menunjukkan bahwa sekuensing yang dilakukan memiliki beberapa komponen kualitas yang baik. Hasil pembacaan fragmen genom total W. anomalus BT3 menunjukkan bahwa ukuran genomnya berkisar sebesar 14 Mbp dengan depth of coverage 50x, nilai N50 sebesar 6462, Q20 sebesar 98,14% dan Q30 sebesar 93,75%. Analisis komposisi fungsional dari fitur genetik W. anomalus BT3 berdasarkan Clusters of Orthologous Groups menunjukkan klaster yang relevan dalam mekanisme toleransi terhadap logam berat yaitu mencakup klaster yang memiliki fungsi mekanisme pertahanan (V), transportasi dan metabolisme ion anorganik (P), serta biosintesis, transportasi, dan katabolisme metabolit sekunder (Q). Analisis komparatif genom menggunakan OrthoVenn3 mengungkapkan bahwa terdapat 2.228 dari total 5.657 klaster gen pada W. anomalus BT3 yang juga ditemukan pada 7 spesies lain yang memiliki potensi toleran terhadap kadmium. W. anomalus BT3 juga tercatat mempunyai 825 klaster gen yang telah terekspansi dan 22 gen yang terkontraksi. Hasil analisis ini menunjukkan bahwa W. anomalus BT3 memiliki gen terekspansi paling banyak dari 7 spesies pembanding, sehingga diprediksi menempati posisi tertinggi dalam hal laju diversifikasi genetik. Identifikasi klaster gen-gen metabolisme sekunder dengan menggunakan program Anti—SMASH 7.0 terhadap genom W. anomalus BT3, mengungkapkan bahwa terdapat satu lintasan biosintesis metabolit sekunder, yaitu lintasan terpene. Berdasarkan hasil identifikasi gen fungsional yang terdektesi dari litasan tersebut, dapat diperkirakan bahwa mekanisme toleransi kadmium pada W. anomalus BT3 melibatkan beberapa strategi, yaitu biosintesis ergosterol untuk kekuatan membran sel, dan agen antioksidan yang berguna dalam menghadapi stress logam berat, membantu mempertahankan homeostasis zat besi dan menyalurkan siderofor yang menjadi agen pengikat logam berat, mengeluarkan senyawa xenobiotik, termasuk kadmium dari dalam sel, menjaga protein penyusun sel dari cekaman kadmium. Kombinasi dari mekanisme-mekanisme ini diduga berkontribusi secara sinergis terhadap kemampuan W. anomalus BT3 dalam menghadapi stres akibat paparan logam berat kadmium. Penelitian ini berhasil menyeleksi W. anomalus BT3 sebagai kandidat dengan toleransi terbaik terhadap cekaman kadmium dari 10 galur khamir lainnya. Karakterisasi genom terpilih melalui WGS berhasil memetakan genom berkualitas tinggi sebesar 14 Mbp. Berdasarkan analisis genom yang dilakukan, mekanisme toleransi kadmium pada W. anomalus BT3 diprediksi melibatkan beberapa strategi kunci yaitu memperkuat membran sel, mengikat logam berat, pengeluaran aktif kadmium dari dalam sel, serta perlindungan protein dari kerusakan akibat stres logam berat. Jumlah gen terekspansi yang tinggi pada galur ini juga menunjukkan laju diversifikasi genetik yang unggul. W. anomalus BT3 terbukti memiliki potensi besar untuk dikembangkan lebih lanjut sebagai agen bioremediasi yang efektif untuk mengatasi pencemaran kadmium di lingkungan.