Ekspresi dan Aplikasi Clp-protease Lactobacillus plantarum IIA-1A5 pada Produk Hasil Ternak

Abstract

Lactobacillus plantarum IIA-1A5 adalah bakteri asam laktat (BAL) yang diisolasi dari daging sapi Indonesia, Peranakan Ongol, yang memiliki aktivitas antibakteri terhadap Gram positif dan negatif serta bersifat probiotik. Sekuens dari genom bakteri ini tidak hanya mengungkapkan keberadaan gen-gen kunci untuk probiotiknya, tetapi juga gen-gen pengkode enzim hidrolitik yang berpotensi untuk berbagai aplikasi. Salah satu gen tersebut adalah protease kaseinolitik (Clp) yang termasuk dalam kelompok protease serin dan memainkan peran penting dalam homeostasis protein seluler dari strain ini. Penelitian ini bertujuan untuk mengekspresikan gen Clp secara heterologus dan mengaplikasikan aktivitas proteolitiknya pada produk ternak. Untuk tujuan pertama, sistem ekspresi gen Clp dibuat dengan menggunakan gen yang telah dioptimalkan terlebih dahulu secara in silico. Optimasi ini bertujuan untuk meningkatkan kompatabilitas gen tersebut dalam proses ekspresi di dalam sel inang Escherichia coli. Optimasi tersebut menghasilkan peningkatan indeks adaptasi kodon (CAI) dan kandungan GC menjadi 0.94 dan 53.62%, yang cukup sesuai untuk ekspresi dalam sistem E. coli. Optimasi hanya dilakukan pada level DNA, tanpa merubah sekuens asam amino protein tersebut. Gen yang telah dioptimasi kemudian disintesis secara kimia, dimasukkan ke dalam vektor pET28a (+) antara situs Nde1-BamH1 dan ditransformasikan ke dalam E. coli BL21 (DE3) Codon Plus. Gen ini berhasil diekspresikan di sitoplasma sel (larut) dengan induksi 1 mM Isopropil β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) pada suhu 37 oC. Fraksi terlarut ini kemudian digunakan dalam kajian aplikasi sesuai dengan tujuan kedua penelitian ini. Uji aktivitas menunjukkan bahwa Clp dari L. plantarum IIA-1A5 (Clp-IIA) aktif terhadap kasein susu. Zona bening yang dihasilkan protein tersebut menunjukkan peningkatan hingga hari ke-2 selama proses inkubasi di suhu 37 oC. Aktivitas spesifik protein tersebut adalah 7739.89 AU mg-1, yang secara nyata lebih besar dibandingkan dengan chymotrypsin. Sementara itu, aktivitas proteolitik protein ini tidak terdeteksi ketika diaplikasikan pada protein sarkoplasmik dan miofibrilar dari daging. Hal ini menunjukkan bahwa Clp-IIA lebih cocok untuk aplikasi pada protein susu dibandingkan dengan protein daging. Hal ini mungkin berkaitan dengan struktur Clp-IIA yang lebih sesuai untuk protein susu. Untuk mengkonfirmasi hal tersebut, struktur Clp-IIA telah dibangun dengan menggunakan SWISS-MODEL berdasarkan pemodelan homologi struktural protein. Secara umum, struktur Clp-IIA menunjukkan bahwa protein ini membentuk struktur homotetradecameric (14-mer) dengan setiap monomer terdiri dari 7 α-helix dan 10 β-sheet. Identifikasi sisi aktif menunjukkan bahwa sisi aktif Clp-IIA adalah Ser-97, His-122 dan Asp-171 yang menunjukkan bahwa protein ini memang tergolong dalam serin protease dengan tiga sisi aktif (catalytic triad). Sisi aktif tersebut terletak di Ser-97, His-122 dan Asp-171 serta membentuk kantung pengikatan substrat (substrate binding cavity) dengan ukuran sekitar 29.5 Ǻ. Geometri sisi aktif menunjukan bahwa protein ini tidak bisa menampung protein dengan ukuran yang besar (fibril) sehingga menyebabkan aktivitasnya terhadap protein daging tidak terdeteksi. Selain itu, kantung pengikatan substrat juga secara kimia didominasi oleh asam amino bermuatan negatif yang kemungkinan tidak cocok untuk protein-protein dari daging. Secara keseluruhan, pendekatan kami ini dapat dijadikan dasar untuk produksi Clp dari L. plantarum IIA-1A5 dalam produksi skala besar untuk berbagai aplikasi di produk susu dan turunannya. Akan tetapi, penelitian dasar pada protein ini masih harus dilakukan untuk bisa diaplikasikan secara optimal.