Hantu Bakteri: Mengungkap Misteri Bakteri Berubah Menjadi Hantu

“Hantu”, istilah hantu yang kita kenal mengarah pada makhlus halus bergentayangan dan menakutkan, seperti itulah wujud yang kita pahami di film. Namun hantu bakteri atau bacterial ghosts (BGs) ini, istilah yang dipakai oleh para ilmuwan mengarah pada bakteri dari golongan Gram-negatif yang tidak aktif. Pada dasarnya, ini merupakan selubung sel berongga bakteri Gram-negatif melalui ekspresi terkontrol gen lisis PhiX174 E. Gen E mengkode 91 asam amino, memiliki aksi litik tetapi tidak memiliki aktivitas enzimatik yang melekat. E mewakili protein membran dengan kemampuan oligomerisasi menjadi struktur terowongan transmembran. Gen ini mengkode protein kecil dengan daerah hidrofobik di terminal N-nya. Setelah berikatan dengan membran bagian dalam dinding sel bakteri, terminal N hidrofobik dari protein lisis E meningkatkan tekanan osmotik internal, yang memicu pembentukan struktur transmembran. Struktur ini memfasilitasi pelepasan komponen seluler, seperti ribosom dan asam nukleat, sehingga menghasilkan “hantu bakteri”.

Sebuah studi oleh Witte dkk. (1992) menunjukkan bahwa pembentukan terowongan pada permukaan bakteri tidak terjadi secara acak tetapi terjadi di lokasi pembelahan sel yang potensial, menunjukkan bahwa pembelahan sel merupakan hal yang wajib untuk pembentukan hantu bakteri. Terowongan transmembran yang dihasilkan memiliki diameter sekitar 40-200 nm dan memungkinkan terjadinya pelepasan sitoplasma, sekaligus menjaga integritas dan morfologi selubung seluler. Pengamatan dengan mikroskop elektron mengungkapkan bahwa selubung bakteri yang kosong ini mempertahankan struktur permukaan bakteri asli, seperti protein membran luar, adhesi, lipopolisakarida (LPS), dan lapisan peptidoglikan.

Bagaimana cara memperoleh hantu bakteri?

Hantu bakteri dapat diperoleh melalui 2 cara, yaitu rekayasa genetik dan menggunakan bahan kimia. Ekspresi terkontrol melalui teknik kloning gen lisis E, hanya cocok untuk produksi sel hantu bakteri Gram-negatif. Kelemahan metode ini rumit dan mahal, memerlukan penambahan beberapa enzim atau bahan kimia untuk mencapai inaktivasi lengkap. Metode kimia, berdasarkan minimum inhibitory concentrations (MIC) atau minimum growth concentrations (MGC) dengan menggunakan bahan kimia tertentu, misalnya NaOH. Keuntungannya layak dan mudah diterapkan, serta dapat digunakan untuk produksi bakteri Gram-negatif dan Gram-positif. Kelemahannya jika menggunakan NaOH, memiliki efek merusak pada antigen yang ada di dinding sel, sehingga menyebabkan hilangnya sebagian antigenisitas dan imunogenisitas sel hantu. Bahan kimia lain yang dapat digunakan yaitu asam klorida (HCl), asam sulfat (HSO₄), natrium dodesil sulfat (SDS), asam nitrat (HNO₃), hidrogen peroksida ( H₂O₂), dan Tween-80.

Aplikasi Bacterial Ghosts (BGs)

Menurut penelitian hantu bakteri dapat diisi dengan DNA, protein, dan obat-obatan, sehingga dapat bermanfaat untuk produksi vaksin. Bakteri tersebut dapat membawa DNA yang digunakan dalam terapi gen. Hantu bakteri yang berfungsi sebagai pembawa yang efisien untuk mengantarkan antigen ke sistem kekebalan, dapat diisi dengan antigen spesifik dengan memasukkannya ke dalam ruang dalam hantu atau menampilkannya pada permukaan selubung sel.

Strain bakteri hantu yang menjadi target diantaranya Salmonella typhimurium, Escherichia coli, Salmonella enteridis, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas hydrophila, Actinobacillus-pleuropneumoniae, Haemophilus influenzae, Pasteurella multocida, Brucella dan Vibrio cholerae. Pengembangan vaksin dari hantu bakteri Lactobacillus casei secara efektif memediasi respons imun dan dapat digunakan sebagai sistem pengiriman vaksinasi DNA. Hantu bakteri yang diinduksi secara kimia telah muncul sebagai platform vaksin yang aman dan tidak dapat direplikasi. Hantu bakteri ini dibuat dengan menghilangkan kandungan sitoplasma sel bakteri secara selektif dengan menjaga integritas struktural selubung sel melalui induksi bahan kimia. Proses ini menghasilkan selubung bakteri kosong yang memiliki keunggulan utama untuk berbagai aplikasi biomedis, termasuk pengiriman obat dan pengembangan vaksin. 

Hantu bakteri yang diinduksi secara kimia berperan dalam imunogenisitas dan modulasi respon imun, dengan mempertahankan komponen struktural dan antigen permukaan sel bakteri, seperti LPS, protein membran luar, dan molekul permukaan lainnya. Komponen-komponen ini dikenali oleh sistem imun sebagai antigen asing sehingga memicu respons imun. Struktur permukaan utuh pada hantu bakteri meningkatkan imunogenisitasnya, sehingga menimbulkan respons imun yang kuat. Hantu bakteri dapat mengaktifkan respons imun bawaan melalui pengenalan pathogen-associated molecular patterns (PAMP) pada permukaannya. Komponen seperti LPS dan molekul permukaan bakteri lainnya dikenali oleh pattern recognition receptors (PRR) pada sel imun, seperti makrofag dan sel dendritik. Pengenalan ini mengarah pada sekresi sitokin pro-inflamasi dan rekrutmen sel imun lebih lanjut, sehingga meningkatkan respons imun terhadap antigen target. Hantu bakteri juga merangsang respon imun adaptif melalui aktivasi sel B dan T.  Antigen pada permukaan atau di dalam bakteri tersebut memfasilitasi presentasi antigen ke sel imun, yang mengarah pada pembentukan antibodi spesifik antigen oleh sel B dan aktivasi sel T. Sehingga menghasilkan produksi antibodi spesifik, sel B memori, dan limfosit T sitotoksik, yang berperan dalam kekebalan jangka panjang.

Umumnya hantu bakteri berasal dari bakteri patogen menimbulkan masalah. Karena membran bakteri tidak dapat terpecah seluruhnya selama pembuatan, mengakibatkan kecenderungan kembali ke sifat patogenisitasnya. Selain itu, lipopolisakarida (LPS) dan efek endotoksik pada selubung hantu bakteri tidak dapat dihilangkan. Saat ini, mayoritas hantu bakteri yang dilaporkan dari hasil penelitian berasal dari bakteri patogen, dan sebagian besar terbuat dari bakteri gram negatif. Oleh karena itu, bakteri inang yang aman harus digunakan untuk mengembangkan “BG atau hantu bakteri” sebagai aplikasi sistem pengiriman.

Referensi

1. Ali RH, Ali ME, Samir R. Production and Characterization of Bacterial Ghost Vaccine against Neisseria meningitidis. Vaccines. 2023; 11(1):37. https://doi.org/10.3390/vaccines11010037
2. Chen H, Ji H, Kong X, Lei P, Yang Q, Wu W, Jin L, Sun D. Bacterial Ghosts-Based Vaccine and Drug Delivery Systems. Pharmaceutics. 2021; 13(11):1892. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13111892
3. Ebrahimi-Nik, Bassami, M.R., Mohri, M., Rad, M., Khan, M.I. 2018. Bacterial ghost of avian pathogenic E. coli (APEC) serotype O78:K80 as a homologous vaccine against avian colibacillosis. Plos One, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0194888
4. He, C., Yang, J.H., Ye, Y.B., Zhao, H.L., Lhu, M., Yang, Q.L., Liu, B.S., He, S., Chen, Z. 2022. Proteomic and Antibody Profiles Reveal Antigenic Composition and Signatures of Bacterial Ghost Vaccine of Brucella abortus A19. Front.Immunol (15)  https://doi.org/10.3389/fimmu.2022.874871
5. Park, SY. Chemically induced bacterial ghosts: a novel approach for advancing biomedical applications. Mol. Cell. Toxicol. (2023). https://doi.org/10.1007/s13273-023-00389-4
6. Witte, A., Wanner, G., Sulzner, M. et al. Dynamics of PhiX174 protein E-mediated lysis of Escherichia coli . Arch. Microbiol. 157, 381–388 (1992). https://doi.org/10.1007/BF00248685
7. Amro Abd Al Fattah Amara. Bacterial and Microbial Ghosts Preparation. Biomed J Sci & Tech Res, 48(2)-2023. BJSTR. MS.ID.007638. DOI: 10.26717/BJSTR.2023.48.007638