Regulasi Genetika pada Bakteri E. coli: Mekanisme Lac Operon dalam Mengontrol Metabolisme Laktosa

Pengertian Lac Operon  

     Lac operon adalah suatu sistem genetika pada bakteri E. coli yang mengatur sintesis enzim-enzim yang terlibat dalam metabolisme laktosa. Pada E. coli, gen-gen yang mengode enzim-enzim tersebut terletak pada suatu fragmen DNA yang disebut operon. Terdapat tiga gen yang terdapat pada operon lac, yaitu gen lacZ, gen lacY, dan gen lacA. Gen lacZ mengode enzim β-galaktosidase, gen lacY mengode permease laktosa, dan gen lacA mengode transacetylase.

Lalu bagaimana Mekanisme Lac Operon dalam meregulasi metabolisme laktosa? 

     Mekanisme lac operon saat terdapat glukosa dan laktosa secara bersamaan dapat dijelaskan sebagai berikut:

     Glukosa Tersedia, Laktosa Tidak Tersedia Ketika glukosa tersedia, maka E. coli akan lebih memilih untuk menggunakan glukosa sebagai sumber energi daripada laktosa. Pada kondisi ini, konsentrasi cAMP (cyclic adenosine monophosphate) akan rendah karena tidak dibutuhkan untuk mengaktivasi operon lac. Represor lac (lac repressor) akan tetap terikat pada operator (O) dan mencegah RNA polimerase (RNAP) untuk mengikat pada promoter (P), sehingga ekspresi gen-gen pada operon lac akan dihambat.

     Laktosa Tersedia, Glukosa Tidak Tersedia Ketika laktosa tersedia namun glukosa tidak tersedia, konsentrasi cAMP akan meningkat. Peningkatan konsentrasi cAMP akan mengaktivasi CAP (catabolite activator protein) untuk terikat pada DNA pada wilayah CAP binding site, sehingga RNA polimerase dapat mengikat pada promoter. Pada kondisi ini, lac repressor tidak dapat terikat pada operator karena adanya laktosa, sehingga RNAP dapat mengikat pada promoter dan menginisiasi transkripsi gen-gen pada operon lac. 

     Glukosa dan Laktosa Tersedia Secara Bersamaan Ketika glukosa dan laktosa tersedia secara bersamaan, konsentrasi cAMP akan rendah dan lac repressor akan tetap terikat pada operator, sehingga ekspresi gen-gen pada operon lac akan dihambat. Meskipun terdapat laktosa, tetapi karena konsentrasi cAMP rendah maka CAP tidak dapat teraktivasi untuk mengikat pada DNA dan RNA polimerase tidak dapat mengikat pada promoter.

Lac operon termasuk dalam kategori operon inducible. Dalam operon lac, regulasi ekspresi gen ditentukan oleh mekanisme feedback loop negatif yang terjadi antara gen-gen pada operon lac dengan produknya, yaitu laktosa. Adanya laktosa akan merubah konformasi lac repressor sehingga repressor tidak dapat terikat pada operator, sehingga RNA polimerase dapat mengikat pada promoter dan menginisiasi transkripsi gen-gen pada operon lac.

Sumber:

Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry, Seventh Edition. W. H. Freeman and Company.

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Molecular Biology of the Cell, Sixth Edition.