Rekayasa genetika

TUGAS MAKALAH

Peran Rekayasa Genetika dalam

Pengembangan Bioteknologi Molekuler

Nama                   : ABD.RAHMAN

                             N I M                   : H311 08 011

                                    \

JURUSAN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS HASANUDDIN

MAKASSAR

2011

Peran Rekayasa Genetika dalam

Pengembangan Bioteknologi Molekuler

A. Pendahuluan

Rekayasa genetika (Inggris. genetic engineering) dalam arti paling luas adalah penerapan genetika untuk kepentingan manusia. Dengan pengertian ini kegiatan pemuliaan hewan atau tanaman melalui seleksi dalam populasi dapat dimasukkan. Demikian pula penerapan mutasi buatan tanpa target dapat pula dimasukkan. Walaupun demikian, masyarakat ilmiah sekarang lebih bersepakat dengan batasan yang lebih sempit, yaitu penerapan teknik-teknik biologi molekular untuk mengubah susunan genetik dalam kromosom atau mengubah sistem ekspresi genetik yang diarahkan pada kemanfaatan tertentu.

Obyek rekayasa genetika mencakup hampir semua golongan organisme, mulai dari bakteri, fungi, hewan tingkat rendah, hewan tingkat tinggi, hingga tumbuh-tumbuhan. Bidang kedokteran dan farmasi paling banyak berinvestasi di bidang yang relatif baru ini. Sementara itu bidang lain, seperti ilmu pangan, kedokteran hewan, pertanian (termasuk peternakan dan perikanan), serta teknik lingkungan juga telah melibatkan ilmu ini untuk mengembangkan bidang masing-masing.

B. PEMBAHASAN DAN PERKEMBANGAN.

Ilmu terapan ini dapat dianggap sebagai cabang biologi maupun sebagai ilmu-ilmu rekayasa (keteknikan). Dapat dianggap, awal mulanya adalah dari usaha-usaha yang dilakukan untuk menyingkap material yang diwariskan dari satu generasi ke generasi yang lain. Ketika orang mengetahui bahwa kromosom adalah material yang membawa bahan terwariskan itu (disebut gen) maka itulah awal mula ilmu ini. Tentu saja, penemuan struktur DNA menjadi titik yang paling pokok karena dari sinilah orang kemudian dapat menentukan bagaimana sifat dapat diubah dengan mengubah komposisi DNA, yang adalah suatu polimer bervariasi.

Tahap-tahap penting berikutnya adalah serangkaian penemuan enzim restriksi (pemotong) DNA, regulasi (pengaturan ekspresi) DNA (diawali dari penemuan operon laktosa pada prokariota), perakitan teknik PCR, transformasi genetik, teknik peredaman gen (termasuk interferensi RNA), dan teknik mutasi terarah (seperti Tilling). Sejalan dengan penemuan-penemuan penting itu, perkembangan di bidang biostatistika, bioinformatika dan robotika/automasi memainkan peranan penting dalam kemajuan dan efisiensi kerja bidang ini.

Perkembangan genetika pada saat ini telah sangat pesat. Sejak struktur DNA diketahui dan juga kode genetika sudah dapat dipecahkan maka perkembangan di bidang genetika akan lebih pesat lagi. Beberapa ahli biomolekuler berhasil melakukan rekayasa genetika, seperti pemotongan gen yang terkontrol, dan rekombinasi DNA yang dilakukan dengan proses kloning DNA (kloning gen). Rekayasa genetika melalui DNA rekombinan atau kloning gen secara in vitro dapat menciptakan rekombinasi genetik yang tidak terbatas dan dengan menggunakan teknik ini telah dihasilkan berbagai zat, misalnya insulin pada manusia, hormon pertumbuhan manusia, interferon alfa, dan vaksin hepatitis B.   

Perkembangan bioteknologi secara drastis terjadi sejak ditemukannya struktur helik ganda DNA dan teknologi DNA rekombinan di awal tahun 1950-an. Ilmu pengetahuan telah sampai pada suatu titik yang memungkinkan orang untuk memanipulasi suatu organisme di taraf seluler dan molekuler. Bioteknologi mampu melakukan perbaikan galur dengan cepat dan dapat diprediksi, juga dapat merancang galur dengan bahan genetika tambahan yang tidak pernah ada pada galur asalnya. Memanipulasi organisme hidup untuk kepentingan manusia bukan merupakan hal yang baru. Bioteknologi molekuler menawarkan cara baru untuk memanipulasi organisme hidup. Perkembangan teknologi mutakhir diiringi dengan perkembangan dibidang biokimia dan biologi molekuler melahirkan  teknologi enzim dan rekayasa genetika.  Rekayasa genetika menandai dimulainya era bioteknologi modern.

Penemuan struktur double heliks DNA (gambar 1) oleh Watson dan Cricks (1953) telah membuka jalan lahirnya bioteknologi  modern  dalam bidang rekayasa genetika  yang  merupakan  prosedur  dasar dalam menghasilkan suatu produk bioteknologi. Tahap-tahap penting berikutnya adalah serangkaian penemuan enzim  restriksi  (pemotong) DNA, regulasi (pengaturan ekspresi) gen  (diawali dari penemuan  operon  laktosa pada prokariota), perakitan teknik PCR, transformasi genetik, teknik peredaman gen (termasuk  interferensi RNA), dan teknik mutasi terarah (seperti Tilling). 

.

Rekayasa genetika bermain pada tingkat molekuler khususnya DNA. Beberapa tahapan yang digunakan dalam  rekayasa genetika  yaitu isolasi DNA,  manipulasi DNA, perbanyakan DNA dan visualisasi hasil manipulasi DNA, DNA rekombinan, dan Kloning Gen.

1.  Isolasi DNA

Belakangan ini kita sering mendengar kata DNA di berbagai media,  baik cetak maupun elektronik. Setelah terjadinya peristiwa peledakan bom, kasus pemerkosaan ataupun pembunuhan maka biasanya tim penyelidik dari kepolisian akan mengirimkan sampel untuk analisa DNA yang dikenal dengan istilah uji sidik DNA. DNA (DeoxyriboNucleic Acid) yang merupakan asam nukleat pembawa pesan genetik dalam kehidupan terletak di dalam sel dan tersusun rapi membentuk kromosom. 

Pola DNA penyusun kromosom inilah yang menentukan jenis rambut, warna kulit dan sifat-sifat khusus yang berbeda antara satu individu dengan lainnya. Karena perbedaan DNA yang dimiliki oleh seseorang inilah metode sidik DNA menjadi salah satu alat pembuktian yang cukup handal. Namun karena letaknya yang ada didalam sel maka untuk mendapatkan DNA diperlukan tahap-tahap  khusus yang biasanya dilakukan di laboratorium  tertentu.

DNA dapat diisolasi dari semua bagian tubuh misalnya dari daging, darah, sperma,  ginjal, jantung, hati, dan lain-lain. Begitu pun untuk tanaman, DNA dapat diambil dari semua bagian. DNA juga bisa diperoleh dari spesimen yang berumur ratusan tahun atau fosil.

Untuk mengeluarkan DNA dari sel maka teknik pemurnian DNA secara biokimia dilakukan dengan merusak dinding sel yang telah dilarutkan dalam larutan  penyangga tertentu dengan menggunakan berbagai jenis deterjen. Dengan terbukanya lapisan sel maka DNA dapat dikeluarkan dan diendapkan dengan penambahan alkohol.

2.  Manipulasi DNA

Untuk memanipulasi DNA, diperlukan beberapa perangkat penting meliputi  “gunting” untuk memotong molekul DNA,  “lem/perekat” untuk menggabungkan molekul DNA, dan “gergaji” untuk membelah molekul DNA.

2.1.  Pemotongan molekul DNA

Pada proses pemotongan molekul DNA, “gunting” yang dimaksud bukanlah gunting yang biasa kita pakai untuk memotong sesuatu, tetapi merupakan suatu enzim yang  dihasilkan oleh mikroorganisme tertentu. Enzim ini dikenal dengan nama enzim restriksi. Setiap enzim restriksi mempunyai tempat pemotongan yang spesifik pada suatu urutan molekul DNA. Sebagai contoh adalah enzim EcoRI yang selalu memotong DNA pada posisi  G ! AATTC (tanda ! merupakan tempat pemotongan), seperti terlihat pada molekul di bawah ini :        

2.2.  Penggabungan molekul DNA

Proses penggabungan (ligasi) antara dua molekul DNA menggunakan lem/perekat berupa enzim, yang dikenal dengan nama enzim ligase. Enzim ini berfungsi mensintesis pembentukan ikatan fosfodiester yang menghubungkan nukleotida yang satu dengan nukleotida di sebelahnya. Berikut adalah contoh penggabungan dua molekul DNA (A dan B) menjadi molekul AB :

Jadi, fungsi DNA ligase hanya membuat ikatan fosfodiester yang menghubungkan basa G dan basa C pada urutan DNA bagian atas, dan basa C dengan basa A pada urutan DNA bagian bawah.

3.  Polymerase Chain Reaction (PCR)

PCR merupakan suatu reaksi enzimatis untuk melipatgandakan suatu urutan nukleotida tertentu secara  in vitro. Metode ini dikembangkan pertama kali  oleh Kary B. Mulis pada tahun 1985. Dengan menggunakan metode PCR, akan diperoleh pelipatgandaan suatu fragmen DNA sebesar 200.000 kali melalui

20 siklus reaksi selama 220 menit. Pembelahan molekul DNA sangat penting dalam proses amplifikasi DNA melalui teknik Polymerase Chain Reaction (PCR) atau reaksi berantai polimerase. Seperti telah diketahui bahwa molekul DNA selalu dalam keadaan berpasangan (double stranded  DNA),dan untuk membelah molekul DNA digunakan “gergaji” yang bisa berupa pemanasan (suhu ≥ 90 ^oC) atau dengan larutan NaOH (konsentrasi 0,4 M).

Empat komponen utama dalam proses PCR adalah :

1.      DNA cetakan yaitu fragmen DNA yang akan dilipatgandakan.

2.      Oligonukleotida primer, yaitu suatu urutan nukleotida pendek ( 15-25 basa nukleotida), digunakan untuk mengawali sintesis rantai DNA.

3.      Deoksiribonukleotida trifosfat (dNTP), terdiri atas dATP, dCTP, dGTP, dan dCTP .

4.      Enzim DNA polimerase, yaitu enzim yang mengkatalisis reaksi sintesis DNA.

PCR melibatkan banyak siklus yang masing-masing mempunyai tiga tahapan berulang yaitu denaturasi DNA cetakan  pada suhu 94-100 ^oC,  annealing  (penempelan) pasangan primer pada DNA target pada suhu 37-60 ^oC,  dan extension  (pemanjangan) primer pada suhu 72 ^oC (Gambar 3.).

4.  Elektroforesis

Untuk menganalisis hasil manipulasi DNA dapat dilihat melalui elektroforesis.  Elektroforesis adalah suatu teknik yang menggunakan medan listrik untuk memisahkan molekul berdasarkan ukuran. Karena mengandung fosfat yang  bermuatan negatif, DNA akan bergerak menuju elektroda positif dalam medan listrik.    Prinsip alat  ini adalah : kecepatan migrasi molekul DNA berbeda-beda tergantung pada    beberapa faktor diantaranya ukuran molekul. DNA bermigrasi di dalam gel padat yang terletak di dalam larutan penyangga yang dialiri arus listrik seperti pada gambar 4 berikut ini :

Molekul yang lebih pendek akan bermigrasi lebih cepat melalui pori-pori gel daripada molekul yang lebih panjang. Ada dua jenis gel yang sering digunakan untuk proses elektroforesis, yaitu gel agarose dan gel polyacrilamida.  Gel agarosa, digunakan untuk memisahkan molekul-molekul DNA yang perbedaan panjangnya hanya satu nukleotida dan digunakan untuk menentukan urutan basa DNA. Gel poliakrilamid digunakan untuk memisahkan fragmen DNA yang memiliki perbedaan ukuran lebih besar.

Pita DNA pada gel dapat dilihat dengan menggunakan berbagai teknik. Pemberian zat warna ethidium bromide, memungkinkan visualisasi langsung semua pita DNA di bawah sinar UV dengan menggunakan alat transiluminator dan dilakukan pada ruangan khusus yang gelap. Hasil visualisasi DNA kemudian difoto. Urutan yang spesifik biasanya dapat dideteksi dengan probe berlabel. Probe adalah DNA untai tunggal yang dapat membentuk pasangan basa dengan uruan komplementer pada polinukleotida untai tunggal lain yang tersusun dari DNA atau RNA.

5.  Pengurutan DNA (DNA Sekuensing)

Urutan nukleotida DNA dari sebagian besar organisme masih tidak diketahui. Mengetahui urutan dari DNA suatu oganisme atau suatu klon fragment DNA memberikan informasi yang sangat berharga untuk studi lanjutan. Urutan dari suatu gen dapat digunakan untuk memprediksi fungsi dari gen, untuk membandingkannya dengan urutan yang sama dari organisme yang berbeda, dan untuk mengidentifikasi mutasi atau keselahan dalam urutan DNA. Hal ini karena genom dari sebagian besar organisme terdiri dari milyaran nukleotida seh ingga molekul DNA yang digunakan untuk reaksi sekuensing harus dipotong terlebih dahulu menjadi fragmen yang lebih kecil dengan menggunakan enzim restriksi.

Gambar  7  merupakan proses untuk memahami bagaimana  DNA disekuensing. Kita mencampurkan suatu fragment DNA yang tidak dketahui, DNA polimerase, dan 4 jenis nukelotida yaitu A, C, G, T dalam suatu tabung. Masing-masing nukelotida dalam jumlah sedikit diberi pewarna fluorescen (berpendar)  yang juga

memodifikasi struktur nukleotida. Apabila sebuah nukelotida modifikasi berfluorescent bergabung dalam rantai sintesis baru, maka reaksi akan berhenti. Hal ini akan menghasilkan rantai DNA dengan panjang yang berbeda-beda. Reaksi sekuensing sudah lengkap jika fragment DNA dipisahkan dengan menggunakan elektroforesis gel. Gel kemudian dianalisis dalam suatu mesin sekuensing otomatis untuk mendeteksi warna dari masing-masing nukelotida bertanda. Urutan dari cetakan DNA  asal akan  terlihat dari perbedaan fragmen bertanda.

6.  DNA rekombinan

Secara alami, proses rekombinasi dapat terjadi sehingga memungkinkan suatu gen dapat berpindah dari satu organisme ke organisme lain. Persitiwa tersebut biasanya terjadi diantara organisme yang memiliki kekerabatan  yang dekat. Dengan kemajuan teknologi molekuler, perpindahan gen dapat terjadi meskipun antara organisme yang tidak memiliki hubungan kekerabatan. Misalnya gen manusia yang dipindahkan ke bakteri atau ke hewan seperti babi. Teknik penggabungan molekul DNA tersebut dikenal sebagai Teknik rekombinan DNA.

Untuk membuat DNA rekombinan digunakan dua macam enzim yaitu enzim restriksi yang berfungsi memotong molekul DNA dan enzim ligase yang berfungsi menggabungkan molekul DNA. Proses masuknya DNA rekombinan ke sel bakteri  disebut transformasi, dan proses ini dapat menyebabkan fenotip sel bakteri mengalami perubahan. Untuk mengetahui sel bakteri telah mengandung DNA rekombinan, maka sel bakteri ditumbuhkan dalam medium padat yang mengandung antibiotik, X-gal ( zat kimia yang berfungsi sebagai indikator) dan IPTG (zat kimia yang berfungsi sebagai  inducer). Jika sel bakteri tersebut mengandung DNA rekombinan, maka terdapat koloni berwarna putih pada kultur medium padat.

Penggunaan teknik DNA rekombinan untuk diagnosis penyakit dengan memanfaatkan sifat polimorfisme DNA. Seperti diketahui bahwa polimorfisme dalam genom berfungsi sebagai dasar bagi penggunaan teknik DNA rekombinan dalam diagnostik penyakit. Polimorfisme adalah variasi dalam urutan DNA. Dalam genom manusia terdapat jutaan polimorfisme yang berlainan. Yang pertama kali diidentifikasi adalah mutasi titik, substitusi (penggantian) satu basa oleh basa lain. Penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa delesi (penghilangan) dan insersi (penyisipan) juga bertanggung jawab atas variasi dalam urutan DNA. Sebagian polimorfisme terjadi di dalam daerah pengkode gen. Untuk mendeteksi adanya polimorfisme menggunakan polimorfisme panjang fragmen restriksi (RFLP :  restriction fragment length polymorphism)

7.  Kloning Gen

Kloning merupakan  suatu  teknik untuk menghasilkan banyak salinan dari satu gen tunggal, kromosom, atau keseluruhan individu. Klon (clone) berasal dari kata Yunani yang berarti ranting. Jaringan-jaringan non reproduktif digunakan untuk pengklonan keseluruhan individu.  Secara alami, seringkali proses kloning

terjadi. Misalnya pada tanaman kentang yang mampu berkembang biak secara vegetatif yaitu mampu menghasilkan tanaman baru dari tuber (umbi). Dalam hal ini, kentang bisa dikatakan mengalami proses kloning. 

Kloning dapat diartikan perbanyakan sel maupun individu secara vegetatif sehingga menghasilkan individu yang identik sama dan seragam dengan induknya.

Kloning juga terjadi karena pengaruh atau campur tangan manusia. Kultur jaringan atau mikropropagasi merupakan salah satu cara perbanyakan tanaman dengan menempatkan sejumlah kecil sel yang berasal dari tanaman induk yang kemudian ditumbuhkan dalam medium kaya nutrien yang mengandung hormon pertumbuhan.

Secara konvensional, kloning dapat dilakukan pada tumbuhan, misalnya setek batang dan setek daun, menyambung, dan mencangkok. Adapun secara modern dapat dilakukan dengan teknik kultur jaringan.

Kloning DNA adalah memasukkan DNA asing ke dalam plasmid suatu sel bakteri, DNA yang dimasukkan ini akan bereplikasi dan diturunkan pada sel anak pada waktu sel tersebut membelah. Jadi gen asing ini tetap melakukan fungsi seperti sel asalnya, walaupun berada dalam sel bakteri. Pembentukan DNA rekombinan ini disebut juga rekayasa genetika. Perekayasaan genetika terhadap satu sel dapat dilakukan dengan hanya menghilangkan, menyisipkan atau menularkan satu atau beberapa pasang basa nukleotida penyusun molekul DNA tersebut. Untuk kloning ini diperlukan plasmid dan enzim untuk memotong DNA, serta enzim untuk menyambungkan gen yang disisipkan itu  ke plasmid.

Dalam melakukan pengklonan suatu DNA asing atau DNA yang diinginkan atau DNA sasaran harus memenuhi hal-hal sebagai berikut.

1.      DNA plasmid vektor harus dimurnikan dan dipotong dengan enzim yang sesuai sehingga terbuka. DNA yang akan disisipkan ke molekul vektor untuk membentuk rekombinan buatan harus dipotong dengan enzim yang sama.

2.      Reaksi pemotongan dan penggabungan harus dipantau dengan menggunakan elektroforesis gel.

3.      Rekombinan buatan harus ditransformasikan ke  E. coli  atau ke vektor lainnya.

4.      Tahapan proses kloning DNA (gambar 9) adalah melakukan isolasi DNA plasmid dan DNA target.

5.      Menggunakan enzim restriksi untuk memotong DNA sehingga diperoleh fragment DNA target.

6.      Selanjutnya DNA target disisipkan pada plasmid dan ditransformasikan ke dalam sel inang.

7.      Hasilnya akan diperoleh bakteri yang mengandung DNA rekombinan dan ada pula bakteri yang tidak mengalami proses transformasi. Untuk membedakannya, digunakan medium selektif yang mengandung antibiotik. Bakteri yang mengandung DNA rekombinan mengandung gen yang resisten terhadap antibiotik sehingga akan tetap hidup dalam medium selektif.

8.      Bakteri rekombinan diperbanyak dengan cara kloning sehingga diperoleh klon-klon dalam jumlah yang besar yang bias digunakan dalam berbagai bidang seperti untuk menemukan gen yang resisten hama, gen yang bisa membuat bakteri membersihkan toksik, gen untuk meghasilkan hormon, dan lain-lain.

Karena adanya teknik rekayasa genetika di atas maka dengan mudah kita menciptakan suatu bioteknologi molekuler terbaru yang dapat bemanfaat, contohnya pada organisme transgenik yang dihasilkan dari rekayasa genetika. Ada 3 macam organisme transgenik yang telah ditemukan saat ini, yaitu:

1. Hewan transgenik 

Beberapa organisme transgenik telah dihasilkan untuk meningkatkan pasokan makanan dan kesehatan manusia. Kambing transgenik telah direkayasa untuk mensekresi protein yang disebut anti trombin III, yang digunakan untuk mencegah manusia membentuk gumpalan-gumpalan darah  selama operasi.

Para peneliti berupaya untuk menghasilkan ayam dan kalkun transgenik yang tahan terhadap penyakit. Beberapa spesies ikan juga telah direkayasa secara genetis untuk tumbuh lebih cepat. Di masa depan, transgenik organisme dapat digunakan sebagai sumber organ untuk transplantasi organ.

2. Tanaman transgenik 

Pada tahun 2003,  sekitar  67.7 juta hektar  telah  ditanami  dengan tanaman transgenik  oleh 7 juta petani di 18 negara. Tanaman ini termasuk  kedelai, jagung, kapas, dan canola  tahan  herbisida  dan insektisida. Rekayasa genetika  juga dilakukan untuk menghasilkan kapas, seperti tahan terhadap  hama serangga.

Selain itu, para peneliti juga mengembangkan kacang dan kedelai yang tidak menyebabkan reaksi alergi.  Tanaman lain yang ditanam secara komersial dan  telah diuji termasuk tanaman ubi jalar yang resisten terhadap virus yang  dapat mengurangi  panen  di  sebagian besar Afrika, tanaman padi dengan  mengandung besi dan vitamin yang bisa mengurangi kekurangan gizi di negara-negara Asia,  tanaman mampu  bertahan kondisi cuaca ekstrim,  tanaman pisang yang memproduksi vaksin untuk penyakit menular, seperti hepatitis B, dan tanaman yang memproduksi plastik biodegradable.

3. Bakteri Transgenik

Insulin, hormon pertumbuhan, dan zat  yang melarutkan gumpalan darah dapat  dibuat oleh bakteri transgenik. Transgenik bakteri juga memperlambat pembentukan kristal es pada tanaman untuk melindungi mereka dari kerusakan embun beku, membersihkan tumpahan minyak secara lebih efisien, dan sampah membusuk.

C. KESIMPULAN

            Dalam perkembangan Bioteknologi Molekuler tidak akan pernah lepas dari peran Rekayasa Genetika yang menjadi awal dan batu loncatan untuk semua bioteknologi molekuler yang telah kita rasakan saat ini. Jadi rekayasa genetika memiliki peran yang sangat penting dalam proses perkembangan bioteknologi molekuler yang sampai saat ini banyak digunakan di seluruh dunia IPTEK.

DAFTAR PUSTAKA

Biggs, Alton., etc., 2008, Biology, Mc Graw Hill, New York.

Campbell, N.A., etc., 2009, Biology, 8th edition, Pearson Benjamin Cumming, San Fransisco.

Djuminar, A., 2006, Biologi Molekuler, Poltekkes Jurusan Analis Kesehatan, Bandung.

Ibrahim, M., dkk., 2004, Sains, Materi Pelatihan Terintegrasi, Dirjen Pendidikan Dasar dan Menengah, Jakarta.

Kee, L.H., 2002, The Living Science, Pearson Education Asia Pte. Ltd., Singapore.

Muladno, 2002, Seputar Teknologi Rekayasa Genetika, Penerbit Pustaka Wirausaha Muda, Bogor.

Nur Azhar, T., 2008, Dasar-dasar Biologi Molekuler, Penerbit Widya Padjadjaran, Bandung.

Ridley, M., 2005, Genom: Kisah Spesies Manusia dalam 23 Bab, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta.

Sumastri, 2005, Bioteknologi, PPPG IPA Bandung,  Bandung.

Susilowarno, G., dkk., 2007, Biologi SMA/MA Kelas XII, PT. Grasindo, Jakarta.

Yuwono, T., 2006, Teori dan Aplikasi Polymerase Chain Reaction, Penerbit Andi, Yogyakarta.