BIOTEKNOLOGI
Seorang insinyur berkebangsaan Hungaria mengenalkan istilah "bioteknologi" pada tahun 1919. Istilah itu digunakan untuk menamai suatu proses produksi massal suatu bahan dengan bantuan mikroba dalam tong kayu.
Tapi sebagai suatu praktek, bioteknologi sudah dikenal sejak tahun 4000 SM. Ketika itu, bangsa Mesir menggunakan ragi untuk membuat roti dan minuman anggur -suatu teknik yang hingga kini pun belum kadaluwarsa. Seribu tahun kemudian bangsa Peru sudah mulai menyeleksi dan membudidayakan kentang
Kini bioteknologi digunakan pada hampir segala bidang: pertanian, pangan, kesehatan, industri, lingkungan, dan kelautan. Ia digunakan untuk menjawab persoalan agar diperoleh kemanfaatan.
Perkembangan pesat bioteknologi, bagi banyak orang, tampak bagai selaput tipis yang bersentuhan antara dunia fantasi dengan realita. Itu pun bukan ujung-akhir kemungkinan penjelahannya.
BAKTERI DAN REKAYASA GENETIKA
BAKTERI
Bakteri adalah organisme uniseluler. Meskipun ada beberapa bakteri yang menjadi penyebab banyak penyakit manusia, ada banyak strain yang tidak berbahaya bahkan penting bagi manusia. Terdapat banyak strain yang sangat penting dalam lab bioteknologi! Salah satu kegunaan penting dari kultur bakteri adalah sebagai penghasil protein yang bermanfaat. Sebagai contoh, spesies bakteri yang disebut e. Coli dapat direkayasa secara genetik sehingga mampu memproduksi sejumlah besar insulin manusia, yang dapat diberikan pada penderita diabetes. Berikut ini adalah gambaran singkat dari beberapa karakteristik bakteri yang membuatnya sesuai untuk berbagai aplikasi bioteknologi.
Bakteri adalah hewan prokariot, yang berarti mereka tidak mempunyai inti sel. Hewan prokariot terdiri atas sel tunggal, meskipun sering berkembang dalam kelompok di mana bakteri saling melekat satu sama lain. Kelompok bakteri ini disebut koloni. Genom bakteri terdiri atas suatu molekul DNA utas ganda yang berbentuk lingkaran, terdapat dalam sitoplasma sel. Molekul DNA yang besar atau kromosom bakteri, mengandung sebagian besar gen bakteri. Sebagai tambahan untuk molekul DNA besar, bakteri sering memiliki molekul DNA berbentuk lingkaran yang lebih kecil yang disebut plasmid. Plasmid juga mengandung DNA, tetapi tidak seperti lingkaran kromosom yang besar, plasmid sangat mobil. Plasmid dapat berpindah dengan mudah dari satu bakteri ke bakteri lain, dan dengan jalan ini gen-gen dipertukarkan antar bakteri. Molekul plasmid, sekali berada dalam sel bakteri penerima, dapat terintegrasi secara permanen dalam kromosom bakteri yang besar.
Kemampuan plasmid untuk memasuki sel bakteri dan menyatu dalam kromosom Sel membuatnya menjadi alat yang sangat bermanfaat untuk memasukkan suatu gen ke dalam sel bakteri. Mengapa? Kita akan menjelaskan bagaimana plasmid digunakan dengan metode ini dalam bagian rekayasa genetik.
Rekayasa Genetik
Apakah Rekayasa Genetik itu?
Rekayasa genetik adalah proses mengidentifikasi dan mengisolasi DNA dari suatu sel hidup atau mati dan memasukkannya dalam sel hidup lainnya. Sebelum dimasukkan, materi genetik tersebut dapat direkayasa di lab. Setelah proses rekayasa genetik berhasil, DNA yang baru tergabung secara permanen dalam kromosom sel baru, dan tampak pula dalam DNA sel-sel keturunannya. Bagaimana para ilmuwan melakukan rekayasa genetik? Mereka menggunakan teknologi DNA rekombinan.
Teknologi DNA Rekombinan
Metode mengisolasi, memanipulasi, menggandakan, memotong, dan menggabungkan urutan DNA yang teridentifikasi secara keseluruhan disebut teknologi penggabungan DNA atau DNA rekombinan. Tiga bagian selanjutnya akan memperkenalkan beberapa teknik DNA rekombinan yang digunakan untuk menemukan lokasi, mengisolasi, dan menggandakan DNA. Bagian terakhir menunjukkan bagaimana teknik penggabungan yang lain dapat digunakan untuk memasukkan DNA baru dalam sel.
Menemukan lokasi suatu gen
Ada banyak teknik dalam biologi molekuler yang dapat digunakan untuk mengetahui di mana lokasi suatu gen tertentu dalam genom manusia. Ini bukan tugas mudah karena genom manusia mengandung beribu-ribu gen, dan banyak di antaranya masih belum diidentifikasi. Cara yang sering digunakan adalah dengan menggunakan perunut DNA.
Apakah Perunut DNA itu?
Satu cara untuk menemukan suatu gen spesifik adalah dengan menggunakan perunut DNA, yaitu suatu molekul DNA utas tunggal yang relatif pendek yang merupakan pasangan dari sekuen gen yang dikehendaki. Dengan kata lain, jika segmen dari gen yang diinginkan tersebut diketahui adalah AGTTCG, maka segmen pasangan dari DNA perunut akan menjadi TCAAGC, karena A berpasangan dengan T dan C berpasangan dengan G. (sebenarnya, karena detail struktural tertentu dari molekul DNA, sekuen pasangannya seharusnya ditulis CGAACT, yaitu TCAAGC terbalik. Walaupun demikian, untuk menghindari kebingungan kita menggunakan pola yang secara teknis kurang tepat).
Suatu perunut dna yang sebenarnya mungkin terdiri atas paling sedikit beberapa lusin pasang nukleotida untuk suatu segmen yang sama panjang dengan gen yang dikehendaki. Perunut terbuat dari bahan radioaktif, sehingga dapat dideteksi dengan mudah.
Karena perunut DNA akan berpasangan dengan DNA utas tunggal, teknik yang disebut southern blotting dapat digunakan untuk memisahkan sampel DNA utas ganda menjadi utas tunggal dan mentransfernya ke membran nilon. Saat diinkubasi dengan membran dalam larutan, perunut mengikat bagian-bagian yang merupakan pasangannya dalam DNA dan "melekat" pada membran. Setelah itu, dilakukan kontak antara membran dengan selembar film fotografis yang sensitif terhadap emisi radioaktif. Hanya bagian-bagian dari sampel tempat lokasi gen yang terlihat sebagai titik gelap pada film, karena hanya bagian itulah yang terikat pada perunut radioaktif.
Perunut DNA memiliki beberapa aplikasi dalam biologi molekuler, termasuk metode genetik dari prediksi dan diagnosis penyakit, di mana perunut yang mengidentifikasi sekuen yang diketahui mengendalikan penyakit digunakan. Perunut DNA juga digunakan dalam sidik jari DNA, suatu teknik yang sering dilakukan oleh ahli forensik untuk menentukan apakah DNA yang ditemukan di lokasi kejahatan sesuai dengan DNA tersangka.
Bagaimana Perunut DNA Disusun ?
Perunut DNA dapat dirancang bahkan sebelum sekuen gen itu sendiri diketahui! Caranya adalah dengan mengerjakan secara terbalik dari protein yang diproduksi gen tersebut. Jika diingat kembali diskusi kita mengenai bagaimana protein dibuat, dapat dikatakan bahwa suatu gen ditranskripsikan menjadi RNA messenger (mRNA) atau RNA pembawa, berdasarkan aturan sederhana dari pasangan basa nukleotida. Kemudian mRNA dikeluarkan dari nukleus dan digunakan sebagai suatu cetakan untuk membentuk rantai asam amino, yang menyatu membentuk protein.
Kita dapat mengisolasi protein yang diproduksi oleh gen-gen yang kita pelajari, dan mengetahui 30 asam amino pertama dari protein tersebut. Berdasarkan informasi ini, kita dapat menentukan 90 nukleotida pertama dari copy mRNA protein tersebut (ingat bahwa tiap 3 kode nukleotida menyandikan satu asam amino, sehingga rasionya 90:30). Dan karena copy mRNA adalah pasangan dari gen yang dipelajari, kita sekarang dapat mengetahui sekuen perunut RNA yang harus dipakai sehingga cocok dengan 90 nukleotida pertama dari gen yang dipelajari.
Untuk menyusun perunut DNA, kita menggunakan "mesin gen", yang mampu menghasilkan molekul DNA utas tunggal pendek sintetik yang mengandung sekuen nukleotida yang diinginkan hanya dalam beberapa jam.
Mengisolasi Gen
Jika kita ingin memasukkan suatu gen manusia ke dalam sel lain, tidak cukup hanya dengan mengetahui lokasi gen dalam genom manusia. Kita juga perlu mengisolasi copy gen tersebut, sehingga dapat disisipkan dalam sel baru.
Sebagai contoh, gen insulin manusia harus diisolasi dari sel manusia sehingga dapat digabungkan dalam sel bakteri e. Coli. Gen yang disisipkan tersebut menyebabkan sel bakteri memproduksi protein insulin manusia, yang dapat diberikan pada penderita diabetes.
Salah satu metode untuk mengisolasi gen adalah dengan bekerja secara terbalik dari protein yang dihasilkan. Pertama, paling tidak ada bagian dari protein yang telah dikenali, artinya urutan asam amino yang menyusun rantai protein telah ditentukan. Biasanya, mengetahui 30 asam amino pertama dari protein tersebut sudah cukup. Selanjutnya, berdasarkan urutan asam amino yang telah diketahui dan memahami proses sintesis protein, kita dapat memperkirakan urutan nukleotida dari sebagian copy mRNA protein tersebut.
Berikutnya, perunut DNA utas tunggal disusun menurut pasangan dari sekuen m DNA yang diperkirakan. Misalnya, kalau bagian dari perkiraan sekuen DNA itu CUA GUA CGA, bagian yang dikenali oleh perunut DNA akan menjadi GAT CAT GCT,karena G berpasangan dengan C dan A berpasangan dengan T. (sebenarnya, karena detail susunan tertentu dari molekul DNA, sekuen pasangannya seharusnya ditulis TCG TAC TAG, yang merupakan kebalikan dari GAT CAT GCT. Meskipun begitu, di sini kita menggunakan urutan yang secara teknis tidak tepat, untuk menghindari kebingungan). Perunut DNA terbuat dari radioaktif sehingga dapat terdeteksi ketika mengikat DNA kembarannya.
Perunut DNA utas tunggal lalu diinkubasi dengan sampel yang mengandung copy lengkap mRNA protein. Saat kita mengisolasi mRNA yang diikat oleh perunut DNA, kita telah menemukan mRNA yang dicari.
Setelah mRNA ditemukan, yang harus dilakukan adalah membalik proses yang dibutuhkan untuk mensintesis utas DNA yang akan menjadi copy dari mRNA. Yaitu, kita harus mensintesis DNA dari RNA. Enzim yang dapat melakukannya disebut transkriptase balik, dan ditemukan dalam partikel virus tertentu yang disebut retrovirus. Virus ini memiliki RNA sebagai materi genetik dan menggunakan enzim transkriptase balik untuk membentuk DNA saat menginfeksi sel inang. Para ahli bisa mencampur enzim tersebut dengan mRNA in vitro (di luar sel hidup di lab, biasanya dalam tabung plastik kecil). Hasilnya, sekuen DNA dari gen yang diinginkan disintesis oleh enzim tersebut, berdasarkan utas mRNA yang diberikan. Karena DNA yang dihasilkan dibuat secara buatan sebagai pasangan (complementary) dari mRNA, maka disebut cDNA.
Penggandaan DNA: Polymerase Chain Reaction
Seringkali, jumlah sampel DNA terlalu sedikit untuk dapat digunakan. Untungnya teknik yang diciptakan tahun 1980-an bernama Polymerase Chain Reaction (PCR), dapat dipakai untuk "menggandakan" jumlah DNA dalam sampel.
Mesin PCR sebenarnya hanyalah mesin pemanas dan pendingin yang sangat teliti. Mesin ini memiliki lubang-lubang kecil tempat tabung berisi sampel DNA dan bahan reaksi lainnya diletakkan. Bahan tambahan ini termasuk suplai nukleotida tunggal (A, telah, G, dan C), molekul DNA utas tunggal pendek yang disebut primer dan enzim Thermus Aquaticus Polimerase atau disingkat TAQ polimerase. Enzim ini berasal dari bakteri yang hidup di sumber air panas dan merupakan salah satu enzim yang mampu berfungsi pada suhu yang sangat tinggi.
Siklus dimulai saat mesin memanaskan tabung sampai suhu sekitar 90 - 95 oC, sehingga tiap molekul DNA utas ganda pada sampel awal membelah menjadi dua utas tunggal.
(Ingat bahwa ikatan hidrogen yang mengikat kedua utas pada DNA double heliks sangat lemah dibandingkan ikatan kovalen yang mengikat masing-masing rantai nukleotida. Proses pemanasan menyebabkan ikatan hidrogen putus, membuka serta memisahkan kedua rantai, sedangkan ikatan kovalen tidak terpengaruh).
Selanjutnya, suhu diturunkan perlahan, sehingga DNA primer dapat mengikat utas yang terpisah. Primer dapat mengikat karena merupakan pasangan dari sekuen tertentu dari tiap utas DNA yang melekat pada DNA sehingga mengalami replikasi di tengah. Sekali primer telah melekat pada utas tunggal, enzim TAQ polimerase dengan nukleotida tunggal yang mengapung dalam tabung, mensintesis satu utas pasangan untuk tiap utas tunggal asli. Hal ini melengkapi siklus pertama, dan menggandakan jumlah sampel DNA dalam tabung menjadi dua kalinya.
Dalam siklus selanjutnya, mesin PCR dipanaskan dan didinginkan seperti sebelumnya, sehingga molekul DNA utas ganda yang baru terpisah kembali, dan utas pasangan yang baru kembali disintesis oleh TAQ polimerase.
Tiap kali satu siklus dilaksanakan, jumlah perbanyakan dari sekuen DNA yang diinginkan (terletak antara 2 primer) secara teori bertambah dua kali. Setelah sekitar 30 siklus (sekitar 3 jam), telah dihasilkan cukup copy DNA dari sekuen DNA tersebut untuk digunakan dalam teknik biotek selanjutnya.
--------------------------------------------------------------------
Dari berbagai sumber
