Krisis Penicilin dan Perang Dunia II: Kisah Unik Dibalik Terlahirnya Teknik Bioproses

Teknik bioproses, merupakan sebuah studi tentang bagaimana menghasilkan produk biologis dalam skala besar dengan menggunakan teknologi. Ilmu ini merupakan salah satu cabang dari Bioteknologi dan Teknik Kimia. Bahkan di Universitas Indonesia, ilmu ini telah berdiri sendiri untuk jenjang S1. Namun tahukah anda, ilmu ini muncul dalam serangkaian kejadian yang tidak pernah kita duga. Ilmu ini muncul pada era perang dunia II, dan menjadi ilmu yang menyatukan ilmuwan biologi dan insinyur. Penasaran bagaimana ceritanya? Yuk simak artikel ini.

Awal Mula Penicilin

Penicilin pertama kali ditemukan pada September 1928 oleh Alexander Flemming. Pada awalnya, penemuan penicillin ini dianggap sebagai sebagai sebuah kecelakaan. Hal ini dikarenakan tujuan awal Flemming bukanlah untuk menemukan mikroba tersebut, tapi lebih kepada mengisolasi bakteri penyebab penyakit demam, Staphylococcus aureus. Flemming pada awalnya mengira bahwa mikroba ini adalah sebuah kontaminan, namun setelah diteliti lebih lanjut ternyata mikroba ini memiliki sifat antibakteri yang sekarang banyak dimanfaatkan di dunia kesehatan^[2].

Perlombaan Antibiotik

Pada era Perang Dunia II, aktivitas obat sulfa yang memiliki keterbatasan membuat penelitian terkait inovasi antibiotik yang memiliki efek samping rendah dan aplikasi luas ramai dilakukan. Penicillin merupakan salah satu kandidatnya. Apabila Flemming menemukan penicillin, Howard Florey dan Ernts Chain adalah yang mengembangkan. Hasil penelitian mereka selanjutnya dikembangkan oleh Norman Heatley agar dapat diproduksi lebih banyak. Norman Heatley adalah seorang insinyur, namun dilatih ilmu biokimia, inilah saat pertama kalinya Teknik Bioproses diterapkan^[3].

Kurang lebih sebulan lamanya, akhirnya peneliti dan insinyur berhasil meyakinkan bahwa penicillin bekerja pada beberapa hewan. Delapan belas bulan kemudian, penicillin mendapatkan persetujuan untuk diuji coba pada manusia. Orang pertama yang mendapat pengobatan dengan penicillin ini adalah polisi inggris (atau biasa disebut London bobby) yang saat itu didiagnosis terkena infeksi darah. Penicillin pada saat itu dapat dikatakan bekerja dan berhasil, namun tidak maksimal. Polisi inggris tersebut meninggal dunia, dikarenakan penyakitnya kambuh kembali. Florey dan Chain menduga hal tersebut diakibatkan oleh kurangnya dosis penicillin yang dibutuhkan, sehingga beliau mengatakan perlunya industri untuk memperbanyak penicillin tersebut agar dapat digunakan secara maksimal^[5].

Dari Inggris ke Amerika

Pada era perang dunia II, seluruh fasilitas industri dikhususkan untuk perang. Hal ini menyebabkan penicillin terhambat perkembangannya. Florey dan rekan-rekannya memutar otak agar penelitian tersebut tetap berjalan. Hingga akhirnya pihak Florey meminta industri Amerika untuk mengembangkan produksi penicillin, karena pada saat itu Amerika tidak terlibat perang. Beberapa industri farmasi menerima permintaan tersebut. Industri yang terlibat diantaranya Pfizer, Squibb, dan Merck. Pada saat itu, penicillin diproduksi secara kimiawi. Beberapa perusahaan tidak memilih metode fermentasi karena saat itu metode tersebut sulit dikendalikan dalam skala industri. Namun, walaupun sukses diterapkan pada produksi obat lain, sintesis kimia sulit diterapkan dalam produksi penicillin^[6].

Keberhasilan pengujian klinis dari penicillin berhasil menarik perhatian beberapa pengusaha, salah satunya A.L. Elder. Elder melihat potensi besar dari penicillin. Ia pun turun tangan ikut membantu memproduksi penicillin. Di tangan beliau, proses fermentasi kembali dipilih, walaupun pemasalahan terkait proses fermentasi pada tingkat industri masih ada^[1].

Perkembangan Teknologi Fermentasi Penicilin

Pada tahun 1939, proses fermentasi memang menjadi permasalahan. Faktanya, konsentrasi akhir penicillin melalui proses fermentasi hanya sebesar 0.001 g/l, lebih sedikit dari kadar emas di laut. Apabila diaplikasikan pada sebuah reaktor, dibutuhkan reaktor berskala besar untuk dapat memenuhi kebutuhan penicillin yang diinginkan. Hal tersebut tentunya tidak efisien, ditambah konsentrasi yang kecil dan sifat rapuh dari penicillin membuat bahan ini sulit dipulihkan dan dimurnikan^[2].

Hal tersebut menyebabkan peneliti dari Nothern Regional Research Laboratory ikut berkontribusi dalam program penicillin. Beberapa penelitian menemukan strain (variasi genetik dari penicillium) dan medium yang dapat meningkatkan kuantitas dan kualitas dari penicillin. Medium tersebut adalah liquor (sejenis minuman keras) berbasis laktosa, yang dipercaya mampu meningkatkan produksi penicillin hingga sepuluh kali lipatnya^[2].

Permasalahan selanjutnya adalah terkait metode yang digunakan. Awalnya, metode pertumbuhan lumut di atas permukaan dedak lembab dipilih, namun kemudian dihapus karena proses yang membutuhkan kondisi yang sulit dikendalikan. Metode pertumbuhan lumut kemudian dialihkan ke metode permukaan medium diam. Proses ini diterapkan di dalam botol susu, yang selanjutnya dikenal sebagai pabrik botol, dan menghasilkan penicillin dalam jumlah besar walaupun waktu produksinya masih cukup lama dan butuh pekerja dalam jumlah besar^[2].

Permasalahan terkait waktu tersebut kembali menjadi pertimbangan. Faktanya untuk memenuhi kebutuhan penicillin di era perang dunia, dibutuhkan botol sepanjang kota New York sampai San Francisco. Hal tersebut membuat para insinyur memilih proses baru, yaitu dengan tangki yang ditanam. Namun, kendala lain kembali muncul. Faktanya proses fermentasi membutuhkan keadaan yang steril dan oksigen yang mencukupi, dan hal tersebut menyebabkan biaya produksi jadi lebih mahal. Keadaan tidak steril dapat menyebabkan produk penicillin menurun dan justru dapat menjadi beracun. Masalah selanjutnya yang muncul adalah terkait pemulihan dan pemurnian. Namun hal ini dapat diatasi dengan kontrol pH dan ekstraksi cair-cair. Pada akhir perang dunia II, akhirnya kebutuhan penicillin terpenuhi untuk hampir 100 ribu pasien per tahun^[2].  

Cerita tersebut menunjukkan tentang betapa pentingnya sebuah jurusan dimana ada orang yang bisa mempelajari Teknik dan Life Science. Sehingga beberapa industri ingin membuat sebuah ilmu dimana seseorang dapat memahami tentang Teknik, seperti pembuatan reaktor, pemurnian dan pemulihan, serta memahami tentang Life Science, seperti fisiologi mikroba, struktur mikroba, dll. Ilmu tersebut sekarang kita kenal sebagai Teknik Bioproses.

Sumber :

[1] Elder, AL. 1970. The History of Penicillin Production. Chem. Eng. Symp. Ser. 66 (#100) America Institute of Chemical Engineering (AIChE) New York.

[2] Hobby, GL. 1985. Penicillium : Meeting the Challenge. Yale University Press, New Haven.

[3] Moberg, CL. 1991. Penicillin Forgotten Man : Norman Heatley. Science 253:734-735.

[4] Mateles, RI. 1998. Penicillin : A Paradigm for Biotechnology. Candida Corp., Chicago.

[5] Sheehan, JC. 1982. The Enchanted Ring. The Untold Story of Penicillin. MIT Press, Cambridge.

[6] Shuler, ML. dan Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering Basic Concepts 2^nd Ed. Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, New Jersey.