Seleksi, Karakterisasi Genom, dan Analisis Mekanisme Toleransi Khamir terhadap Cekaman Kadmium di Level Molekuler

Abstract

Kadmium (Cd) merupakan logam berat non-esensial yang bersifat toksik, persisten, serta mudah terakumulasi di lingkungan dan rantai makanan sehingga menimbulkan berbagai risiko terhadap kesehatan manusia. Salah satu pendekatan yang berkembang untuk mengurangi pencemaran Cd adalah bioremediasi menggunakan mikroorganisme. Meskipun berbagai bakteri dan khamir telah dilaporkan memiliki kemampuan meremediasi Cd, mekanisme toleransi pada khamir lokal, khususnya galur lokal asal pulp kakao, masih belum banyak dipahami. Penelitian ini bertujuan menyeleksi galur khamir lokal yang toleran terhadap kadmium, mengevaluasi kemampuan biosorpsi Cd, serta mengungkap mekanisme toleransi pada tingkat molekuler melalui pendekatan genomik dan analisis ekspresi gen. Sebanyak enam galur khamir dievaluasi menggunakan uji spot assay, penentuan konsentrasi hambat minimum (KHM), kurva pertumbuhan, dan uji biosorpsi Cd. Galur terbaik selanjutnya dianalisis menggunakan whole-genome sequencing (WGS) berbasis platform MGI DNBSEQ-G400 dan validasi fungsi gen dilakukan melalui analisis ekspresi gen. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Wickerhamomyces anomalus KPY3 dan W. anomalus KPY6 memiliki toleransi tertinggi terhadap Cd dengan nilai KHM > 1000 µM CdCl2. Di antara keduanya, W. anomalus KPY6 menunjukkan pertumbuhan yang lebih stabil pada paparan Cd hingga 1500 µM serta memiliki kemampuan biosorpsi tertinggi, yaitu sebesar 28,26% pada biomassa aktif. Anotasi genom berhasil mengidentifikasi sejumlah gen yang berkaitan dengan transpor logam, metabolisme glutation, kompartementalisasi vakuola, dan respons terhadap stres oksidatif, termasuk ycf1, yor1, pca1, gsh1, dan glr1. Analisis ekspresi gen menunjukkan bahwa paparan Cd menginduksi peningkatan ekspresi gsh1 dan ycf1, diikuti oleh glr1 dan yor1 pada konsentrasi Cd yang lebih tinggi, sedangkan pca1 menunjukkan peningkatan ekspresi yang relatif lebih rendah. Secara keseluruhan, penelitian ini menunjukkan bahwa toleransi Cd pada W. anomalus KPY6 merupakan hasil koordinasi berbagai mekanisme molekuler yang melibatkan biosintesis glutation, pembentukan kompleks Cd–glutation, kompartementalisasi vakuola, dan pengaturan keseimbangan redoks untuk mempertahankan homeostasis sel selama cekaman logam berat. Temuan ini memperluas pemahaman mengenai mekanisme toleransi kadmium pada khamir non-konvensional sekaligus menunjukkan potensi W. anomalus KPY6 sebagai kandidat agen bioremediasi logam berat berbasis mikroorganisme lokal.

Cadmium (Cd) is a non-essential heavy metal that is highly toxic, persistent, and readily accumulates in the environment and food chain, posing significant risks to human health. Bioremediation using microorganisms has emerged as a promising approach for mitigating Cd contamination. Although numerous bacterial and yeast species have been reported to possess Cd bioremediation capabilities, the mechanisms underlying Cd tolerance in indigenous yeasts, particularly strains isolated from cocoa pulp, remain poorly understood. This study aimed to select indigenous yeast strains tolerant to cadmium, evaluate their Cd biosorption capacity, and elucidate the molecular mechanisms underlying Cd tolerance through genomic and gene expression analyses. Six yeast strains were evaluated using spot assays, minimum inhibitory concentration (MIC) determination, growth curve analysis, and Cd biosorption assays. The most promising strain was subsequently characterized by whole-genome sequencing (WGS) using the MGI DNBSEQ-G400 platform, and gene function was further validated through gene expression analysis. The results demonstrated that Wickerhamomyces anomalus KPY3 and W. anomalus KPY6 exhibited the highest Cd tolerance, with MIC values exceeding 1000 µM CdCl2. Among these strains, W. anomalus KPY6 displayed more stable growth under Cd concentrations of up to 1500 µM and achieved the highest Cd biosorption efficiency, reaching 28.26% with metabolically active biomass. Genome annotation identified several genes associated with metal transport, glutathione metabolism, vacuolar compartmentalization, and oxidative stress response, including ycf1, yor1, pca1, gsh1, and glr1. Gene expression analysis revealed that Cd exposure significantly upregulated gsh1 and ycf1, followed by increased expression of glr1 and yor1 at higher Cd concentrations, whereas pca1 exhibited a comparatively lower level of induction. Overall, the findings indicate that Cd tolerance in W. anomalus KPY6 is mediated through coordinated molecular mechanisms involving glutathione biosynthesis, Cd–glutathione complex formation, vacuolar compartmentalization, and redox homeostasis to maintain cellular integrity under heavy metal stress. These findings broaden the current understanding of cadmium tolerance mechanisms in non-conventional yeasts and highlight the potential of W. anomalus KPY6 as a promising indigenous microbial candidate for heavy metal bioremediation.