BIOTEKNOLOGI

MACAM-MACAM PANDANGAN BIOTEKNOLOGI

Wiseman : Principle of BiotechnologySmith, J.E. : Biotechnology PrincipleThorwald,E.: BiotechnologyBrown : Gene Clonning

PENDAHULUANBIOTEKNOLOGI :

Kesepakatan para ahli diberikan untuk / sinonim dengan : REKAYASA GENETIKA (genetic enggineering).

Tetapi lebih dari itu ada 3 pengertian tambahan :1. Isolasi dari makhluk hidup2. Ekstraksi Produk Metabolisme hasil manipulasi

gen, misal esktraksi produk hormon3. Studi Biologi (biomolekuler) dan Biokimia pada

sel hidup atau komponen sel atau keduanya dengan bantuan enzim

REKAYASA GENETIKA :Usaha memilih gen khusus kemudian

merekombinasikan sebagai DNA primer kemudian diinsersikan dan digandakan sebagai rekombinan DNA dalam sel (sel target)

BIOTEKNOLOGI (Definisi paling luwes)

PENERAPAN PRINSIP-PRINSIP SAINS DAN REKAYASA

TERHADAP PEMROSESAN BAHAN DENGAN

MENGGUNAKAN AGEN BIOLOGIK UNTUK

MENGHASILKAN BARANG DAN JASA

Bio(tekno)logi MolekulerPenerapan Ilmu mempelajari sifat, sifat, fungsi dan interaksi molekul-molekul yang ditemui pada organismeBiomolekul : Senyawa-senyawa kimia yang secara alami hanya ditemukan pada makhluk hidup.Komposisi Biomolekul suatu organisme akan menentukan suatu organisme Fungsi-fungsi kehidupan life functions pada dasarnya merupakan manifestasi interaksi biomolekul

BIOTEKNOLOGI MODERN Sama artinya dengan Manipulasi Gen = DNA RekombinanMenetapkan Peranan Gen Dalam Sel•DNA merupakan molekul utama kehidupan•DNA pemberi kode untuk tumbuh dan berbiak•DNA “otak” semua sel, dari DNA keluar perintah mengatur sifat dan jumlah jenis molekul•DNA pembuka rahasia cetak biru genetik makhluk hidup• DNA merupakan bahan genetik primer, terletak eksklusif pada kromosom sbg.histon

•DNA merupakan protein genetik,salah satu buktinya DNA pada virus

RUANG LINGKUP BIOTEKNOLOGI

Bioteknologi merpakan penerapan biosains dan teknologi penerapan organisme hidup atau komponen sub-selulernya pada industri jasa dan manufaktur serta pengelolaan lingkungan

Cakupan :• Transformasi kimia• Produksi sel/biomassa

1. Transformasi kimia :a. Pembentukan produk akhir : enzim, antibiotik,

asam organik, steroidb. Penguraian bahan baku : dekstruksi buangan

industri, degradasi tumpahan minyak2. Produksi Sel/Biomassa :• Produksi protein sel tunggal, produksi khamir

makanan (Food yeasts).Reaksi-reaksi kimia proses bioteknologi, bersifat• Katabolik : kompleks sederhana• Anabolik : sederhana kompleks

Keuntungan Proses Bioteknologi

1.Cenderung lebih ekonomis2.Pemakaian energi lebih sedikit3.Lebih aman >< proses

tradisional4.Residu dapat terurai, hingga tak beracun5. Jangka panjang memberikan harapan pemecahan masalah utama dunia : pangan, polusi, obat2an, sumber enersi baru.

Sejarah Evolusi Bioteknologi

1. Proses Bioteknologi Tidak steril2. Proses Bioteknologi steril3. Bioteknologi Makanan Minuman

Kuno (zaman Louis Pasteur)4 Bioteknologi Modern

a. Rekombinan DNA/Rekayasa genetika

b. Teknologi Enzim (amobilisasi enzim)c. Rekayasa Biokimia ( Bioreaktor

dengan Komputerisasi )d. Rekayasa Sistem Produksi (Sensor

baru)

REPLIKASI,TRANSKRIPSI,DAN TRANSLASI

Replikasi : Proses pembelahan asam nukleat untai ganda manjadi untai tunggal.Proses pembelahan untai gandamenjadi tunggal yang identik melalui proses replikasi “semi konservatif”Model replikasi :bentuk O,bentuk Y, D-loop,DNA sirkul;er, sirkuler berulang,

Garpu Replikasi

Garpu replikasi (Replication fork)

Melibatkan enzim-enzim1.Topoisomerase I (Gyrase)2.Helikase3.Single strand binding

protein (SSBP)4.Primase DNA polimerase III

partikel Okazaki5.DNA polimerase I lagging

strand6.DNA ligase

Penjelasan1.Primase :Sintesis RNA primer2.DNA Pol III: Sintesis untaianDNA baru3. DNA Pol I : Memindahkan primer RNA4. Helikase: Menyusunbentukan heliks5. SSBP: Stabilisasi untaian tunggal6. DNA ligase: Menggabungkan yang

masih terjadi gap7. Topoisomerase: mengurangi

terjadinya supercoils (bentukan seperti spiral yang mengganggu)

PROSES REPLIKASI DNA

1. Tahap Permulaan (Inisiasi)2. Tahap Pemanjangan (Elongasi,

Polimeri sasi)3. Tahap penghentian (Terminasi)

1. Tahap INISIASI :- Origin: Pemisahan dua untai DNA- Gelembung replikasi Garpu replikasi- Penyediaan bahan dasar d-

TTP,CTP,GTP,ATP- Pembentukan primer

. 2. Tahap Pemanjangan-1. Arah pemanjangan rantai 5’-3’-2. Nukleotida tersusun mpk komplemenDNA template -3. Pasangan DNA, A dengan T, C dengan G-4. Pasangan pada RNA A dengan U-Pemanjangan RNA “primer”,dengan kaidah :-5. “Primer RNA “ melekat di belakangnya.-6. Replikasi berlangsung kedua arah

3.Penghentian (Terminasi)

1. Pembuangan RNA primer pada potongan Okazaki

2. Memanjangkan rantai DNA dengan ligase, melepas RNA primer

3. Berhenti (stop)

TRANSKRIPSI

Transkripsi: Proses pembentukan RNA dari DNA

Ada 3 macam bentuk RNA :1. Messenger RNA (m-RNA)2. Transfer RNA (t-RNA)3. Ribosomal RNA (r-RNA)

Penjelasan m-RNA,t-RNA,r-RNA

• m-RNA: membawa sekuen pengkode a.a. dari suatu nukleotida atau lebih yang spesifik pada gen atau satu set gen

• t-RNA: penghubung untuk membaca informasi pada m-RNA dan mentransfer ke sistem sintesis protein

• R-RNA: molekul yang menyatukan diri dengan protein membentuk mesin sintesis protein. Molekul itu disebut ribosom

TRANSLASITranslasi: Penyusunan rantai

polinukleotida• Berlangsung dalam ribosom• Urutan a.a. disusun dengan bantuan

t-RNA• Susunan mengacu urutan kodon m-

RNA• Kodon pertama pada m-RNA di dekat

ujung 5’ berinteraksi dengan t-RNA yang telah membawa a.a. yang berada pada gugus terujung amino bebas molekul protein

• Demikian seterusnya pemanjangan rantai polinukleotida

Gen, Ekspresi Gen, dan Mekanisme Kerja Gen

• Gen ??• 1865MendelTeori Gen• 1900de Vries dkk. mengujimenerimaTeori

Mendel• 1902de Vries Teori mutasi• 1913Morgan Gen terdapat dlm kromosom• 1944Avery, Mc Leod, Mc Carty Gen = DNA• 1953Watson & Crick DNA heliks ganda

GENENZIM• 1961Brenner dan JacobsDNAm-

RNAProteinGen : POTONGAN URUTAN

NUKLEOTIDA(BASA N) YANG MAMPU MENGKODA PEMBANTUKAN RNA

PROTEIN

MEKANISME KERJA GEN• GARRORD (1909). Alkaptunoria

(penyakit metabolik herediter, karena ketiadaan suatu enzim pemecah cincin benzena pada urineurin mengandung cincin benzena.

GEN ENZIM ?• BEADLE & TATUM (1942). Mutasi pada

Neurospora crassa menyebabkan hilangnya enzim2 tertentu.GEN = ENZIM

LANJUTAN MEKANISME KERJA GEN

• PAULING (1949) Sickle Cell Diseases. Adanya Hb abnormal

GEN PROTEIN• BRENNER & JACOBS (1961)

menemukan m-RNA dikukuhkan “dogma sentral”

Gen (DNA) m-RNAProtein, penjabarannya :Urutan nukleotida DNA Urutan nukleotida RNA Urutan asam amino protein

UNSUR2 GENETIK PENGENDALI EKSPRESI GEN

Gen-gen yang berperan dalam pengendalian ekspresi gen adalah :

1. R = Represor, pengendali sistem enzim perangsang. Pada E. coli nampak adanya perangsang (inducers) timbul untuk membuat enzim β-galaktosidase (bila ada laktosa sebagai sumber makanan). Adanya laktosa sangat meningkatkan kecepatan RNA polimerase mengkode gen penghasil enzim β-galaktosidase

LANJUTAN UNSUR2 GENETIK PENGENDALI EKSPRESI GEN

• 2.P = PROMOTOR. Tanda mulai (start) untuk mensintesis RNA, pada tempat ini RNA polimerase mengikat diri pada permulaan suatu operon

• 3. O = OPERATOR. Tempat kedudukan untuk melekatnya perangsang represor

• 4. S = STRUKTURAL. Tempat kedudukan gen-gen untuk proses translasi (sesuai dengan kode-kode genetik yang menyusunnya)

MUTASIMutasi : Perubahan Genetik MenetapPercobaan in vitro membuktikan

bahwa ada :1. Mutasi Titik (Point Mutation):

Pengganti- an satu nukleotida dengan nukleotida lain.

2. Delesi (Deletion):Penghapusan satu atau lebih nukleotida

3. Insersi (Insertion): Penambahan satu atau lebih nukleotida

4. Unequal Cross Over: Persilangan gen menjadi tidak seiring/sesuai dengan pasangan aslinya

PENJELASAN MUTASI• Mutasi Titik :• Mutasi titik merupakan

penggantian satu nuleotida dapat merubah satu asam amino (a.a.) pada protein atau tidak

• Bila perubahan tsb. tidak merubah a.a., maka mutasi tsb. hanya dapat diketahui dengan menentukan urutan nukleotida pada DNA atau m-RNA disebut Mutasi tersembunyi (Silent Mutation) Contoh : UUG Leu

UUA Leu

LANJUTAN PENJELASAN MUTASI TITIK

• Bila penggantian nukleotida merubah asam amino :UUGleu UUGleu UUGleu

UUCphe UCGser GUGvalada 3 macam akibat :

• Fungsi protein tak terganggu• Fungsi ptoein menurun• Protein tak berfungsi• Terminasi prematur, Contoh : CAAUAA

stop

PENJELASAN DELESI dan INSERSI

• Delesi: Terhapusnya satu atau lebih nukleotida menyebabkan terjadinya pergeseran tanda baca.

• Protein menjadi tidak berfungsi• Tanda baca tak berubah bila delesi

meliputi 3 nukleotida secara berurutan• Insersi : Penambahan nukleotida juga

menyebabkan pergeseran tanda baca • Protein tak berfungsi• Terminasi prematur• Unequal Cross Over : Sudah jelas di pel.

Genetika SLTA/SMU

KL0NING (1)Latar Belakang Pentingnya Kloning (DNA

Rekombinan):

- Belum jelasnya transkripsi dan translasi, dan kode genetik pada gen-genTuntutan: Sifat gen harus dapat diwariskan

- Tuntutan: Mekanisme kerja gen harus dapat diramalkan hasilnya

- Tuntutan: Peningkatan kualitas dan uantitas pada dunia aplikasi

KLONING (2)Pengertian Kloning Gen :1 Fragmen DNA diinsersikan pada DNA

sirkuler sebagai vektor sbg. Wahana,2 Vektor pembawa gen masuk ke

dalam tuan rumah (host), biasanya baketri,

3 Vektor berreplikasi4 Sel tuan rumah membelahreplikasi

vektor selanjutnya5 Klon sel host yang identikklon

mengandung 1 atau lebih mol DNA rekombinan

Langkah2 Dasar dlm Kloning Gen

1. Memotong Gen2. Menyisipkan Gen pada Vektor3. Menata Mol. DNA Rekombinan4. Memasukkan ke dlm sel tuan

rumah5. Multiplikasi Mol. DNA

Rekombinan dlm. Sel tuan rumah

6. Perbanyakan Sel7. Pengujian klon2 sel yang yang

mengandung DNA rekombinan di media agar (padat)

Pengamatan dengan Elektroforesis

Southern Blotting

Agrobacterium

Wahana/Vektor/Vehicle

Wahana: Pembawa gen masuk ke dlm. Sel tuan rumah

Harus memiliki sifat:1. Mampu memasuki sel tuan

rumah2. Mengadakan replikasi utk.

Menghasilkan kopi (bertanggung jawab atas hasil replikasinya)

Ada 2 mol alamiah wahana :1. Plasmid2. Kromosom virus/bakteriofaga

Ciri2 Dasar PlasmidCiri dasar plasmid :• DNA sirkuler yang terdapat bebas

dalam sel bakteri• Membawa satu gen atau lebih yang

mempunyai ciri-ciri penting• Semua plasmid memiliki paling

sedikit satu urutan DNA yg. bertindak sbg. asal replikasi

• Berapa plasmid dpt. Mengadakan replikasi

Contoh:* Kemampuan hidup bakteri dlm

antibotik disebabkan permbawa gen resisten antibiotik

Kopi Plasmid

• Faktor yang berpengaruh thd. jumlah molekul plasmid dlm. bakteri blm. diketahui

• Jumlah kopi tiap plasmid khas 1-50

• Kopi plasmid bermampuan terhadap sifat resistensi thd. antibiotik

• Ukuran molekul kecil < 10 kilobasa (Molekul besar cenderung pecah waktu pemurnian & Lebih sulit dimanipulasi

Klasifikasi PlasmidAda 5 jenis utama:1. Plasmid fertilitas (“F”), hanya membawa

gen tra, hanya melakukan transfer gen dgn. cara konjugasi. Contoh: Plasmid F. E.coli.

2. Plasmid Resistensi (“R”), membawa gen penyebab resistensi bakteri. Contoh: RP4

3. Plasmid Col.: Mengkode Kolisin.Contoh: Pada E.coli.

4. Plasmid Degradatif. Memetabolisme mol. Yang tidak biasa. Contoh: Plasmid. Tol.

5. Plasmid Virulensi. Penyebab patogenitas pada bakteri tuan rumah. Contoh: Plasmid Ti

Gambar-gambar Plasmid (1)

Gambar-gambar Plasmid(2)

Gambar-gambar Plasmid (3)

Mikroba mengandung plasmid (4)

Gambar Plasmid pBR322

Gambar Plasmid pUC18/19

Plasmid makhluk tk. rendah -

tk.tinggi • Pada Saccharomyces

cerevisiae 2μm circle• Pencarian plasmid pada

eukariota (filamentosa, tanaman, hewan) selalu gagal, diperkiranakan pada organisme tingkat tinggi memang tidak punya plasmid.

Bakteriofaga

Bakteriofaga: virus yang menginfeksi bakteri

• Struktur: Sederhana t.d. 1 mol. DNA (kadang-kadang RNA) membawa sejumlah gen, “tubuhnya” dikelilingi kapsid.

Microinjection

Melakukan Microinjection