Bioteknologi

PENGANTAR BIOTEKNOLOGI

PENGANTAR BIOTEKNOLOGI

Pengertian Bioteknologi

Beberapa definisi dari bioteknologi:

• Bioteknologi adalah penggunaan biokimia, mikrobiologi, dan rekayasa genetika secara terpadu, untuk menghasilkan barang atau lainnya bagi kepentingan manusia.
• Bioteknologi adalah cabang ilmu yang mempelajari pemanfaatan makhluk hidup (bakteri, fungi, virus, dan lain-lain) maupun produk dari makhluk hidup (enzim, alkohol) dalam proses produksi untuk menghasilkan barang dan jasa.
• Teknologi yang menggunakan fenomena biologi untuk mengkopi dan menghasilkan bermacam-macam produk yang berguna.
• Bioteknologi adalah tidak lebih dari sebuah istilah diberikan untuk sekumpulan teknik-teknik dan proses-proses.
• Bioteknologi adalah penggunaan organisme hidup dan komponennya dalam bidang pertanian, pangan dan proses-proses industri lainnya.
• Aplikasi berbagai teknik yang menggunakan organisme hidup atau bagiannya serta untuk menghasilkan produk dan/atau jasa.
• Bioteknologi adalah ilmu yang memanfaatkan organisme atau makhluk hidup.

Perkembangan Bioteknologi

Pada masa ini, bioteknologi berkembang sangat pesat, terutama di negara negara maju. Kemajuan ini ditandai dengan ditemukannya berbagai macam teknologi semisal rekayasa genetika, kultur jaringan, rekombinan DNA, pengembangbiakan sel induk, kloning, dan lain-lain. Teknologi ini memungkinkan kita untuk memperoleh penyembuhan penyakit-penyakit genetik maupun kronis yang belum dapat disembuhkan, seperti kanker ataupun AIDS. Penelitian di bidang pengembangan sel induk juga memungkinkan para penderita stroke ataupun penyakit lain yang mengakibatkan kehilangan atau kerusakan pada jaringan tubuh dapat sembuh seperti sediakala.

• Era bioteknologi generasi pertama : bioteknologi sederhana.
  Penggunaan mikroba masih secara tradisional, dalam produksi makanan dan tanaman serta pengawetan makanan. Contoh: pembuatan tempe, tape, cuka, dan lain-lain.
• Era bioteknologi generasi kedua.
  Proses berlangsung dalam keadaan tidak steril. Contoh:
  a. produksi bahan kimia: aseton, asam sitrat
  b. pengolahan air limbah
  c. pembuatan kompos
• Era bioteknologi generasi ketiga.
  Proses dalam kondisi steril. Contoh: produksi antibiotik dan hormon.
• Era bioteknologi generasi baru : bioteknologi baru.
  Contoh : produksi insulin, interferon, antibodi monoklonal.

Komponen Bioteknologi

• Gen : DNA
• Vektor : Berupa plasmid bakteri atau viral ADN virus.
• Enzim : Terdiri dari enzim Restriksi (pemotong plasmid/ADN) dan enzim Ligase (penyambung ptongan-potongan ADN)

DNA dan RNA

DNA (deoxyribonucleic acid) atau asam deoksiribosa nukleat (ADN) merupakan tempat penyimpanan informasi genetik. Menurut Klug dan Cummings 1994, DNA adalah asam nukleat yang mengandung materi genetic dan berfungsi sebagai pengatur perkembangan biologis seluruh bentuk kehidupan secara seluler. DNA terdapat dalam nucleus, mitokondria dan kloroplas. DNA juga dapat diartikan sebagai material khas kromosom yang tidak terdapat pada bagian lain atau pada bagian lain yang tidak terdapat konsentarsi yang cukup untuk dapat memperlihatkan warna (Robert Feulgen). DNA juga merupakan serangkaian molekul tersusun dari basa purin (adenine dan guanine) dan pirimidin (timine dan cytosine) serta gula dan phosphate sebagai bahan dasar penyusun gen.

Struktur DNA. Pada tahun 1953, Frances Crick dan James Watson menemukan model molekul DNA sebagai suatu struktur heliks beruntai ganda atau yang lebih dikenal dengan heliks ganda Watson – Crick. DNA merupakan makromolekul polinukleotida yang tersusun atas polimer nukleotida yang berulang – ulang, tersusun rangkap, membentuk DNA haliks ganda dan berpilin ke kanan. Setiap nukleotida terdiri atas tiga gugus molekul yaitu:

1. Gula 5 karbon (2-deoksiribosa).
2. Basa nitrogen yang terdiri golongan purin yaitu adenin (Adenin = A) dan guanin (guanini = G), serta golongan pirimidin, yaitu sitosin (cytosine = C) dan timin (thymine = T).
3. Gugus fosfat : Struktur doubel helix DNA (Watson and Cricks, 1953) DNA Sebagai Materi Genetik, DNA mempunyai peran penting dalam transformasi materi genetik, istilah transformasi awalnya digunakan untuk menjelaskan kejadian perubahan genetik dari sel bakteri akibat adanya benda asing yang masuk atau diambil oleh bakteri tersebut. Namum dengan ditemukannya bahwa benda asing tersebut adalah DNA pengertian transformasi disini adalah proses pengambilan DNA asing oleh suatu sel yang mengambilnya melalui proses rekombinasi.

Beberapa pembuktian yang menjelaskan masalah tersebut adalah sebagai berikut :

Percobaan F. Griffith (1928) :

1. Noncapsulated pneumococcus (non pathogen).
2. Capsulated pneumococcus: pathogen, mematikan mencit.
3. Noncapsulated pneumococcus (hidup) + capsulated pneumococci yang telah mati mematikan mencit.

Keterangan : Dari kiri ke kanan, galur kasar (tidak mematikan):tikus hidup, galur halus (mematikan):tikus mati, galur halus mati (dipanaskan):tikus hidup, galur kasar dan galur halus mati:tikus mati.

Percobaan Griffith, dilakukan pada tahun 1928 oleh Frederick Griffith, adalah salah satu percobaan pertama yang menunjukkan bahwa bakteri dapat memindahkan informasi genetik melalui proses yang disebut transformasi.

Griffith menggunakan dua galur Pneumococcus (yang menginfeksi tikus), galur tipe III-S dan tipe II-R. Galur III-S memiliki kapsul polisakarida yang membuatnya tahan terhadap sistem kekebalan inangnya sehingga mengakibatkan kematian inang, sementara galur II-R tidak memiliki kapsul pelindung tersebut dan dapat dikalahkan oleh sistem kekebalan tubuh inang.

Dalam eksperimen ini bakteri galur III-S dipanaskan hingga mati, dan sisa-sisanya ditambahkan ke bakteri galur II-R. Meskipun tikus tidak akan mati bila terkena baik sisa-sisa bakteri galur III-S (yang sudah mati) ataupun galur II-R secara terpisah, gabungan keduanya mengakibat kematian tikus inang. Griffith berhasil mengisolasi baik galur pneumococcus II-R hidup maupun III-S hidup dari darah tikus mati ini. Griffith menyimpulkan bahwa bakteri tipe II-R telah tertransformasikan menjadi galur III-S oleh sebuah prinsip transformasi yang entah bagaimana menjadi bagian bakteri galur III-S yang mati.

Kini kita mengetahui bahwa prinsip pentransformasi yang diamati oleh Griffith adalah DNA bakteri galur III-S. Meskipun bakteri itu telah mati, DNA-nya bertahan dari proses pemanasan dan diambil oleh bakteri galur II-R. DNA galur III-S mengandung gen yang membentuk kapsul perlindungan. Dilengkapi dengan gen ini, bakteri galur II-R menjadi terlindung dari sistem kekebalan inang dan dapat membunuhnya. Verifikasi DNA sebagai prinsip pentransformasi ini dilakukan dalam percobaan oleh Avery, McLeod dan McCarty dan oleh Hershey dan Chase.

Ada transforming factor. DNA merupakan Senyawa Khas Kromosom Pembuktian pertama dilakukan dengan cara pewarnaan kromosom dalam studi mikroskopik. Seorang ahli kimia dari Jerman Robert Feulgen, telah menunjukan bahwa bila DNA dipanaskan dengan asam fuchsin akan timbul warna merah tua yang mengikat. Percobaan tersebut dilaksanankan di dalam tabung reaksi dan sepuluh tahun kemudian hasil penemuan Feulgen diterapkan pada sel hidup. Ternyata perlakuan itu tidak merusak sel atau jaringan, kromosom muncul dengan warna yang jelas dan bagian selnya tidak berwarna. Kekhasan DNA pada kromosom yang sebelumnya telah diakui sebagai organel tempat gen, mendorong orang untukl menyimpulkan bahwa DNA merupakan bahan dasr penyusun gen.Replikasi DNAReplikasi adalah peristiwa sintesis DNA. Saat suatu sel membelah secara mitosis, tiap-tiap sel hasila pembelahan mengandung DNA penuh dan identik seperti induknya.Dengan demikian, DNA harus secara tepat direplikasi sebelum pembelahan dimulai.Replikasi DNA dapat terjadi dengan adanya sintesis rantai nukleotida baru dari rantai nukleotida lama.Proses komplementasi pasangan basa menghasilkan suatu molekul DNA baru yang sama dengan molekul DNA lama sebagai cetakan.

Kemungkinan terjadinya replikasi dapat melalui tiga model.

1. Model konservatif yaitu dua rantai DNA lama terpisah dan rantai yang berfungsi sebagai cetakan untuk dua rantai DNA baru.
2. Model semikonservatif yaitu dua rantai DNA lama terpisah dan rantai baru disintesis dengan prinsip komplementasi pada masing – masing rantai DNA lama tersebut.
3. Model dispertif yaitu beberapa bagian dari kedua rantai DNA lama digunakan sebagai cetakan untuk sintesis rantai DNA baru.

Dari ketiga model replikasi tersebut, model semikonservatif merupakan model yang tepat untuk proses replikasi DNA. Replikasi DNA semikonservatif ini berlaku bagi organisme prokariot maupun eukariot. Perbedaan replikasi antara organisme prokariot dengan eukariot adalah dalam hal jenis dan jumlah enzim yang terlibat, serta kecepatan dan kompleksitas replkasi DNA. Pada organisme eukariot, peristiwa replikasi terjadi sebelum pembelahan mitosis, tepatnya pada fase sintsis dalam siklus pembelahan sel. Isolasi DNADNA juga dapat diisolasi, baik pada manusia maupun pada tumbuhan. DNA manusia dapat diisolasi melalui darah. Darah manusia terdiri atas plasma darah, globulus lemak, substansi kimia (karbohidrat, protein dan hormon), dan gas (oksigen, nitrogen dan karbon dioksida). Plasma darah terdiri atas eritrosit (sel darah merah), leukosit (sel darah putih) dan trombosit (platelet). Komponen darah yang diisolasi yaitu sel darah putih. Sel darah putih dijadikan pilihan karena memiliki nukleus, di mana terdapat DNA di dalamnya. DNA pada tumbuhan juga dapat diisolasi, contohnya pada tumbuhan bawang merah (Allium cepa) dan pada pisang (Musa sp.) (Kimball 2005: 8; Kent & Carr 2001: 317)Fungsi dan peranan DNA adalah untuk menentukan sifat – sifat organisme. Timbul pertanyaan bagaimana caranya DNA dapat berperan dalam proses kehidupan?. Dalam sel DNA berperan dengan cara mengandilkan proses pembentukan rantai protein. Protein merupakan salah satu senyawa penting dalam kehidupan organisme. Protein terdapat dalam berbagai bentuk seperti enzim, protein pengangkut, protein cadangan, antibodi, hormon dan sebagainya.

RNA ( ribonucleic acid) atau asam ribonukleat merupakan makromolekul yang berfungsi sebagai penyimpan dan penyalur informasi genetik.RNA sebagai penyimpan informasi genetik misalnya pada materi genetik virus, terutama golongan retrovirus. RNA sebagai penyalur informasi genetik misalnya pada proses translasi untuk sintesis protein. RNA juga dapat berfungsi sebagai enzim ( ribozim ) yang dapat mengkalis formasi RNA-nya sendiri atau molekul RNA lain.

Sruktur dari RNA merupakan rantai tungga polinukleotida. Setiap ribonukleotida terdiri dari tiga gugus molekul, yaitu:

1. 5 karbon
2. Basa nitrogen yang terdiri dari golongan purin (yang sama dengan DNA) dan golongan pirimidin yang berbeda yaitu sitosin (C) dan Urasil (U).
3. Gugus fosfat Purin dan primidin yang berkaitan dengan ribose membentuk suatu molekul yang dinamakan nukleosida atau ribonukleosida, yang merupakan precursor dasar untuk sintesis DNA. Ribonukleosida yang berkaitan dengan gugus fosfat membentuk suatu nukleosida.

RNA merupakan hasil transkripsi dari suatu fragmen DNA, shingga RNA merupakan polimer yang jauh lebih pendek dibandingkan DNA.Tipe RNARNA terdiri dari tiga tipe, yaitu mRNA ( messenger RNA ) atau RNAd ( RNA duta ), tRNA ( transfer RNA ) atau RNAt ( RNA transfer ), dan rRNA ( ribosomal RNA ) atau RNAr ( RNA ribosomal ).RNAdRNAd merupakan RNA yang urutan basanya komplementer dengan salah satu urutan basa rantai DNA.RNAd membawa pesan atau kode genetik (kodon) dari kromosom (di dalam inti sel) ke ribosom (di sitoplasma).Kode genetik RNAd tersebut kemudian menjadi cetakan utnuk menetukan spesifitas urutan asam amino pada rantai polipeptida.RNAd berupa rantai tunggal yang relatif panjang.

Sifat yang membedakan DNA dan RNA

• Gula yang menyusun: DNA: Deoksiribosa, dan RNA: Ribosa.
• Bentuk normal: DNA: ds dan ss (ds=double stranded, ss=single stranded), dan RNA: ss
• Basa purin: DNA: Guanin, Adenin, dan RNA: Guanin, Adenin
  Basa pirimidin: DNA: Timin, Sitosin ,dan RNA: Urasil, Sitosin
• Jenis/macam: DNA: Hanya satu, dan RNA: ada 3:RNAt, RNAd, RNAr
• Tempat: DNA: Inti, dan RNA: Inti Sitoplasma dan Ribosom.
• Kadar: DNA: Tetap, dan RNA: Berubah, tergantung aktifitas sintesis protein.

Denaturasi

Denaturasi merupakan proses lepasnya ikatan hidrogen dari untai double helix DNA (untai ganda) menjadi singgle (untai tunggal).

Penyebab denaturasi DNA:

• Temperatur (diatas temperatur normal)

Semakin tinggi temperatur menyebabkan semakin cepat lepasnya ikatan hidrogen dari untai double DNA menjadi untai tunggal. Semakin lama waktu pemanasan, semakin banyak ikatan hidrogen yang lepas. Untuk mempertahankan untai tunggal agar tetap menjadi untai tunggal, maka setelah dipanaskan diatas suhu normal langsung dimasukkan dalam es (karena dibawah suhu normal)

• Sinar X (cahaya yang kuat)
• Enzim
• Asam dan Basa kuat

Penyebab lama denaturasi:

• Panjangnya untai DNA
• Jumlah Guanin dan Sitosin

Semakin banyak guanin dan sitosin, maka semakin lama proses denaturasi karena membutuhkan suhu yang tinggi dan waktu yang lama.

Re-Naturasi

Re-Naturasi merupakan proses penggabungan/bergabungnya untai tunggal DNA menjadi untai double dari proses bergabungnya basa komplemen yaitu guanin dengan sitosin dan adenin dengan timin.

Penyebab Re-Naturasi:

• Temperatur (suhu kamar 25°C - 33°C)

Denaturasi termal dan renaturasi

Di atas telah disinggung bahwa beberapa senyawa kimia tertentu dapat menyebabkan terjadinya denaturasi asam nukleat. Ternyata, panas juga dapat menyebabkan denaturasi asam nukleat. Proses denaturasi ini dapat diikuti melalui pengamatan nilai absorbansi yang meningkat karena molekul rantai ganda (pada dsDNA dan sebagian daerah pada RNA) akan berubah menjadi molekul rantai tunggal.

Denaturasi termal pada DNA dan RNA ternyata sangat berbeda. Pada RNA denaturasi berlangsung perlahan dan bersifat acak karena bagian rantai ganda yang pendek akan terdenaturasi lebih dahulu daripada bagian rantai ganda yang panjang. Tidaklah demikian halnya pada DNA. Denaturasi terjadi sangat cepat dan bersifat koperatif karena denaturasi pada kedua ujung molekul dan pada daerah kaya AT akan mendestabilisasi daerah-daerah di sekitarnya.

Suhu ketika molekul asam nukleat mulai mengalami denaturasi dinamakan titik leleh atau melting temperature (T_m). Nilai T_m merupakan fungsi kandungan GC sampel DNA, dan berkisar dari 80 ºC hingga 100ºC untuk molekul-molekul DNA yang panjang.

DNA yang mengalami denaturasi termal dapat dipulihkan (direnaturasi) dengan cara didinginkan. Laju pendinginan berpengaruh terhadap hasil renaturasi yang diperoleh. Pendinginan yang berlangsung cepat hanya memungkinkan renaturasi pada beberapa bagian/daerah tertentu. Sebaliknya, pendinginan yang dilakukan perlahan-lahan dapat mengembalikan seluruh molekul DNA ke bentuk rantai ganda seperti semula. Renaturasi yang terjadi antara daerah komplementer dari dua rantai asam nukleat yang berbeda dinamakan hibridisasi.

Struktur tangga berpilin (double helix) DNA

Dua orang ilmuwan, J.D.Watson dan F.H.C.Crick, mengajukan model struktur molekul DNA yang hingga kini sangat diyakini kebenarannya dan dijadikan dasar dalam berbagai teknik yang berkaitan dengan manipulasi DNA. Model tersebut dikenal sebagai tangga berplilin (double helix). Secara alami DNA pada umumnya mempunyai struktur molekul tangga berpilin ini.

Model tangga berpilin menggambarkan struktur molekul DNA sebagai dua rantai polinukleotida yang saling memilin membentuk spiral dengan arah pilinan ke kanan.  Fosfat dan gula pada masing-masing rantai menghadap ke arah luar sumbu pilinan, sedangkan basa N menghadap ke arah dalam sumbu pilinan dengan susunan yang sangat khas sebagai pasangan – pasangan basa antara kedua rantai. Dalam hal ini, basa A pada satu rantai akan berpasangan dengan basa T pada rantai lainnya, sedangkan basa G berpasangan dengan basa C. Pasangan-pasangan basa ini dihubungkan oleh ikatan hidrogen yang lemah (nonkovalen). Basa A dan T dihubungkan oleh ikatan hidrogen rangkap dua, sedangkan basa G dan C dihubungkan oleh ikatan hidrogen rangkap tiga. Adanya ikatan hidrogen tersebut menjadikan kedua rantai polinukleotida terikat satu sama lain dan saling komplementer. Artinya, begitu sekuens basa pada salah satu rantai diketahui, maka sekuens pada rantai yang lainnya dapat ditentukan.