BIOTEKNOLOGI

Bioteknologi adalah pemanfaatan prinsip-prinsip ilmiah yang

menggunakan makhluk hidup untuk menghasilkan produk dan jasa

guna kepentingan manusia. 

Ilmu-ilmu pendukung dalam bioteknologi

meliputi mikrobiologi, biokimia, genetika, biologi sel, teknik

kimia, dan enzimologi. Dalam bioteknologi biasanya digunakan

mikroorganisme atau bagian-bagiannya untuk meningkatkan nilai

tambah suatu bahan. Bioteknologi dapat digolongkan menjadi

bioteknologi konvensional/tradisional dan modern.

BIOTEKNOLOGI KONVENSIONAL

Bioteknologi konvensional merupakan

bioteknologi yang memanfaatkan mikroorganisme untuk

memproduksi alkohol, asam asetat, gula, atau bahan makanan,

seperti tempe, tape, oncom, dan kecap.

Mikroorganisme dapat mengubah bahan pangan. Proses

yang dibantu mikroorganisme, misalnya dengan fermentasi, hasilnya

antara lain tempe, tape, kecap, dan sebagainya termasuk keju

dan yoghurt. Proses tersebut dianggap sebagai bioteknologi masa

lalu. Ciri khas yang tampak pada bioteknologi konvensional, yaitu

adanya penggunaan makhluk hidup secara langsung dan belum tahu

adanya penggunaan enzim.

BIOTEKNOLOGI MODERN

Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan, para ahli telah mulai lagi mengembangkan bioteknologi

dengan memanfaatkan prinsip-prinsip ilmiah melalui penelitian.

Dalam bioteknologi modern orang berupaya dapat menghasilkan produk secara efektif dan efisien.

Bioteknologi modern merupakan bioteknologi yang didasarkan pada manipulasi atau rekayasa DNA, selain

memanfaatkan dasar mikrobiologi dan biokimia.

Aplikasi bioteknologi modern juga mencakup berbagai aspek kehidupan manusia, misalnya pada aspek pangan,

pertanian, peternakan, hingga kesehatan dan pengobatan.

Bioteknologi modern tidak hanya dimanfaatkan dalam industri makanan tetapi telah mencakup berbagai bidang,

seperti rekayasa genetika, penanganan polusi, penciptaan sumber energi, dan sebagainya.

Dengan adanya berbagai penelitian serta perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, maka bioteknologi

makin besar manfaatnya untuk masa-masa yang akan datang.

Beberapa penerapan bioteknologi modern sebagai berikut.

REKAYASA GENETIKA

Rekayasa genetika merupakan suatu cara memanipulasikan

gen untuk menghasilkan makhluk hidup baru dengan sifat yang

diinginkan. Rekayasa genetika disebut juga pencangkokan gen atau

rekombinasi DNA.

Dalam rekayasa genetika digunakan DNA untuk menggabungkan

sifat makhluk hidup. Hal itu karena DNA dari setiap

makhluk hidup mempunyai struktur yang sama, sehingga dapat

direkomendasikan. Selanjutnya DNA tersebut akan mengatur sifat-sifat

makhluk hidup secara turun-temurun.

Untuk mengubah DNA sel dapat dilakukan melalui banyak

cara, misalnya melalui transplantasi inti, fusi sel, teknologi plasmid,

dan rekombinasi DNA.

Proses Rekayasa Genetika

Pada proses penyisipan gen diperlukan tiga faktor utama yaitu :

1. Vektor, yaitu pembawa gen asing yang akan disisipkan, biasanya berupa plasmid. Plasmid

diambil dari bakteri dan disisipi dengan gen asing.

2. Bakteri, berperan dalam memperbanyak plasmid. Plasmid di dalam tubuh bakteri akan

mengalami replikasi atau memperbanyak diri, makin banyak plasmid yang direplikasi makin

banyak pula gen asing yang dicopy sehingga terjadi cloning gen.

3. Enzim, berperan untuk memotong dan menyambung plasmid. Enzim ini disebut enzim

endonuklease retriksi, enzim endonuklease retriksi yaitu enzim endonuklease yang dapat

memotong DNA pada posisi dengan urutan basa nitrogen tertentu.

 Plasmid

Plasmid adalah molekul DNA berantai rangkap dan berbentuk cincin. Plasmid ditemukan didalam sel bakteri dan dapat berbiak secara bebas, lepas dari kromosom induk. Dalam rekayasa genetika, plasmid berperan sebagai vektor (kendaraan) yang digunakan untuk mentransfer dan memperbanyak gen asing.

Keuntungan penggunaan plasmid adalah dapat di pindahkan dari satu sel ke sel yang lain, misalnya melalui cara transformasi. Ketika satu gen “asing” (biasanya diekstrak dari satu kromosom sel eukariotik) telah disisipkan ke dalam satu plasmid, ia akan bertindak seperti kendaraaan yang mengangkut gen ke dalam sell bakteri. Plasmid yang membawa gen tersebut siap diabsorpsi dan direplikasikan oleh bakteri sehingga setiap anakan sel yang dihasilkan akan mewarisi gen-gen baru. Selanjutnya, setiap bakteri didalam kultur gen-gen akan menginstruksi, misalnya menghasilkan hormon insulin manusia.

Adapun beberapa cara pemindahan DNA diantaranya adalah:

1.  Konjugasi: pemindahan DNA dalam sel bakteri melalui kontak fisik antar kedua sel.

2. Transformasi: pengambilan DNA oleh bakteri dari lingkungan sekitarnya.

3.  Transduksi: pemindahan DNA daribsatu sel ke sel lainnya melaui perantara

cDNA

DNA Komplementer (cDNA) merupakan DNA yang disintesis dari template mRNA dalam sebuah reaksi yang

dikatalis oleh enzim reverse transcriptase (enzim yang digunakan untuk mensintesis mRNA menjadi untai

DNA). Kegunaan cDNA yaitu untuk kloning gen eukariot dalam prokariot.

Proses pembuatan cDNA yaitu sbb :

1. Sel eukariot mentranskripkan DNA (dari gen) menjadi RNA (pre-mRNA)

2. Sel yang sama kemudian melakukan proses splicing pada untai pre-mRNA, dan menambahkan

ujung poly-A tail dan 5’ Methyl-Guanine cap.

3. Campuran untai mRNA diekstrak dari sel

4. Sebuah primer oligonukleotida poly-T berhibridisasi dengan poly-A tail dari templet mRNA, atau

primer hexamer acak dapat ditambahkan yang mana mengandung 6 basa yang paling mungkin ada

dalam untai DNA dan dapat berhibridisasi di mana saja dalam RNA (dipelukan reverse transcriptase)

5. Penambahan Reverse transcriptase, dan juga deoxynucleoside triphosphates (A, T, G, C).

6. Enzim reverse transcriptase akan mengecek mRNA dan mensinstesi sebuah DNA yang

merupakan pasangan dari mRNA tersebut.

ALASAN MENGGUNAKAN cDNA karena denga proses cDNA   kita dapat mengetahui urutan

dari DNA suatu oganisme atau suatu klon fragment DNA

 Enzim

Dalam rekayasa genetika dikenal dua macam bahan kimia yang berperan penting. Kedua macam bahan kimia tersebut adalah enzim pemutus (retriksi endonuklease) dan enzimperekat (ligase).

Enzim retriksi endonuklease merupakan enzim khusus dari bakteri yang berguna sebagai alat pertahanan tubuh. Misalnya untuk melawan DNA asing yang menyusup masuk, seperti yang berasal dari virus. Dalam dunia rekayasa genetika, enzim tersebut bertindak sebagai gunting biologi yang berfungsi untuk memotong / menggunting rantai DNA pada tempat- tempat khusus. Enzim retriksi endonuklease memiliki dua keutamaan. Pertama, memiliki fungsi kerja spesifik. Dalam hal ini enzim mampu mengenal dan memotong urutan nukleotida tertentu pada DNA. Kedua, mampu menghasilkan potongan- potongan runcing ketika memotong rantai ganda DNA. Fragmen- fragmen yang dihasilkannya adalah berupa ujung runcing (ujung lengket) yang terdiri atas untaian tunggal. Setiap ujung dari fragmen memiliki bagian yang menjorok dengan urutan basa yang dapat dikenali dan dipasangi oleh basa yang terletak di ujung untaian lainnya. Misalnya, ujung untaian tunggal dengan urutan basa AATT pada satu ujung dan TTAA pada ujung yang lain. Kedua fragmen tersebut dapat disambungkan sehingga membentuk satu untaian nukleotida lagi. Dalam hal ini, enzim ligase berfungsi untuk merekatkan dan mempersatukan fragmen- fragmen/ potongan- potongan DNA.

Rekombinasi DNA

Rekombinasi DNA adalah proses penggabungan DNA-DNA

dari sumber yang berbeda. Tujuannya adalah untuk menyambungkan

gen yang ada di dalamnya. Oleh karena itu, rekombinasi

DNA disebut juga rekombinasi gen.

Rekombinasi DNA dapat dilakukan karena alasan-alasan

sebagai berikut.

1. Struktur DNA semua spesies sama

2. DNA dapat disambung-sambungkan

3. Ditemukan enzim pemotong dan penyambung

4. Gen dapat terekspresi di sel apa pun

Transfer DNA atau perpindahan DNA ke dalam bakteri dapat melalui tiga cara yaitu konjugasi, transformasi, dan transduksi.

Konjugasi merupakan perpindahan DNA dari satu sel (sel donor) ke dalam sel bakteri lainnya (sel resipien) melalui kontak fisik antara kedua sel.

Transformasi merupakan pengambilan DNA oleh bakteri dari lingkungan di sekelilingnyaTransduksi adalah cara pemindahan DNA dari satu sel ke dalam sel lainnya melalui perantaraan fage.

DNA yang masuk ke dalam sel bakteri selanjutnya dapat ber-integrasi dengan DNA atau kromosom bakteri sehingga terbentuk kromosom rekombinan.

Contoh rekombinasi DNA

   a. pembuatan insulin

   b. pembuatan vaksin

a. Pembuatan Insulin

}  DNA sel manusia dipotong dengan enzim pemotong.

}  Diambil gen penghasil insulin dari DNA yang dipotong tersebut.

}  Gen disambungkan pada plasmid bakteri Escherichia coli.

}  Hasil sambungan dimasukkan ke dalam sel bakteri Escherichia coli.

}  Spesies ini dipelihara di tempat khusus dan dikembangbiakkan.

}  Sehingga mampu memproduksi insulin manusia

b. Pembuatan vaksin hepatitis

}  Gen yang digunakkan sel ragi Saccharomyces yang menghasilkan protein virus (tidak berbahaya).

}  Jika protein disuntikkan ke tubuh akan menghasilkan antibodi.

Cara pembuatannya sama dengan insulin hanya menggunakan sel ragi.

KULTUR JARINGAN

Kultur jaringan merupakan salah satu cara perbanyakan tanaman secara vegetatif. Kultur jaringan

merupakan teknik perbanyakan tanaman dengan cara mengisolasi bagian tanaman seperti daun, mata

tunas, serta menumbuhkan bagian-bagian tersebut dalam media buatan secara aseptik yang kaya nutrisi

dan zat pengatur tumbuh dalam wadah tertutup yang tembus cahaya sehingga bagian tanaman dapat

memperbanyak diri dan bergenerasi menjadi tanaman lengkap. Prinsip utama dari teknik kultur jaringan

adalah perbayakan tanaman dengan menggunakan bagian vegetatif tanaman menggunakan media buatan

yang dilakukan di tempat steril. Keuntungan dari kultur jaringan lebih hemat tempat, hemat waktu, dan

tanaman yang diperbanyak dengan kultur jaringan mempunyai sifat sama atau seragam dengan induknya. 

Keunggulan inilah yang menarik bagi produsen bibit untuk mulai mengembangkan usaha kultur jaringan

ini. Saat ini sudah terdapat beberapa tanaman kehutanan yang dikembangbiakkan dengan teknik kultur

jaringan, antara lain adalah: jati, sengon, akasia, dll.

Tahapan yang dilakukan dalam perbanyakan tanaman dengan teknik kultur jaringan adalah:

1) Pembuatan media

2) Inisiasi

3) Sterilisasi

4) Multiplikasi

5) Pengakaran

6) Aklimatisasi

MAKHLUK HIDUP TRANSGENIK

Makhluk hidup transgenik dihasilkan melalui rekayasa genetika dengan cara menyisipkan sel tertentu yang

diinginkan pada makhluk hidup tertentu.

Hewan transgenik merupakan hewan yang diinjeksi dengan DNA dari hewan lain. Transformasi gen tersebut yang umumnya berasal dari spesies yang sama, tapi dapat juga berasal dari spesies berbeda yang dilakukan terhadap embrio sebelum hewan transgenik tersebut dilahirkan. Transformasi genetik diharapkan menyebabkan mutasi spontan sehingga genetik dari hewan yang ditransformasi termodifikasi sesuai dengan gen yang diharapkan muncul sebagai performans.

Hewan transgenik dikembangkan dengan 3 cara, yaitu mikroinjeksi DNA, transfer gen dengan media retrovirus dan transfer gen dengan media sel cangkokan embrionik. Mikroinjeksi DNA dilakukan dengan melakukan injeksi langsung gen terpilih yang diambil dari anggota lain dalam spesies yang sama ataupun berbeda ke dalam pronukleus ovum yang telah dibuahi. Transfer gen dengan media retrovirus menggunakan retrovirus sebagai vector, kemudian menginjeksikan DNA ke dalam sel inang. DNA dari retrovirus berintegrasi ke dalam germ untuk bekerja. Transfer gen dengan media sel cangkokan embrionik diaplikasikan dengan menggunakan sequence DNA yang diharapkan muncul ke dalam kultur in vitro sel cangkokan embrionik. Sel cangkokan dapat menjadi organisme lengkap. Sel kemudian berikatan dalam embrio pada tahap perkembangan blastosit (Bains, 1993).

Hewan yang telah berhasil dikembangkan menjadi hewan transgenik adalah mencit sebagai hewan pioneer yang pertama kali dibuat. Saat ini telah dikembangkan ke tikus, kelinci, domba, sapi dan babi. Salah satu tujuan dilakukan manipulasi genetik adalah untuk menghasilkan hewan yang memiliki karakter yang diharapkan (breeding).

Manipulasi genetik dilakukan untuk beberapa tujuan. Pada bidang pertanian, dengan manipulasi genetik dihasilkan hewan yang memiliki karakter yang diharapkan (breeding), pangan yang lebih sehat dihasilkan lebih cepat (kualitas pangan) dan resistensi terhadap infeksi bakteri yang tersebar bebas (resistensi penyakit). Bidang industri, produk baru (kambing yang menghasilkan sutra laba-laba) dapat diciptakan. Dalam bidang riset, memunculkan model riset baru dan evolusi yang dipaksa (organisme baru dengan karakter yang lebih diharapkan).

Transgenik

}  Transgenik = tanaman yang telah direkayasa bentuk maupun kualitasnya melalui penyisipan gen

atau DNA binatang, bakteri, mikroba, atau virus untuk tujuan tertentu.

}   Organisme transgenik adalah organisme yang mendapatkan pindahan gen dari organisme lain.

}   Gen yang ditransfer dapat berasal dari jenis (spesies) lain seperti bakteri, virus, hewan, atau

tanaman lain.

}  Contoh tanaman transgenik = kacang kedelai, jagung, kentang, dan kapas.

Tujuan Transgenik

Tujuan memindahkan gen tersebut untuk mendapatkan organisme baru yang memiliki

sifat lebih baik.

Hasilnya saat ini sudah banyak jenis tanaman transgenik, misalnya jagung, kentang,

kacang, kedelai, dan kapas. Keunggulan dari tanaman transgenic tersebut umumnya

adalah tahan terhadap serangan hama.

Rekayasa genetika seperti dalam pembuatan transgenik dilakukan untuk kesejahteraan

manusia.

KLONING 

Kloning dalam biologi adalah proses menghasilkan individu-individu dari jenis yang sama

(populasi) yang identik secara genetik. Kloning merupakan proses reproduksi aseksual yang

biasa terjadi di alam dan dialami oleh banyak bakteria, serangga, atau tumbuhan.

Dalam bioteknologi, kloning merujuk pada berbagai usaha-usaha yang dilakukan manusia untuk

menghasilkan salinan berkas DNAatau gen, sel, atau organisme.

Spesies yang berhasil dikloning

Kecebong  (1952)

Ikan  (1963)

Domba  (1996)

Monyet

Anak sapi

Kucing

Kuda

Anjing

Serigala

Kodok

Pada tahun 1996, Ian Wilmut mengklona domba. Ia menggunakan sel kelenjar susu domba finn dorset sebagai donor inti dan sel telur domba blackface sebagai resipien. Sel telur domba blackface dihilangkan intinya dengan cara mengisap nukleusnya keluar dari sel menggunakan pipet mikro. Kemudian, sel kelenjar susu domba finn dorset difusikan dengan sel telur blackface yang tanpa nukleus. Hasil fusi ini kemudian berkembang menjadi embrio dalam tabung percobaan dan kemudian dipindahkan ke rahim domba blackface. Kemudian embrio berkembang dan lahir dengan ciri- ciri sama dengan finn dorset. Domba hasil kloning ini diberi nama Dolly. Dolly disuntik mati pada tanggal 14 februari 2003 karena menderita penyakit yang sulit disembuhkan.

Perlu diperhatikan bahwa Wilmut melakukan 277 percobaan kloning dan dari sekian banyak percobaan, hanya 29 yang berhasil menjadi embrio domba yang dapat ditransplantasikan ke rahim domba, dan hanya satu yang menjadi domba normal. Dengan demikian, tingkatkeberhasilan kloning domba masih sangat rendah

Kloning : yaitu teknik perbanyakan sel, jaringan atau organisme secara aseksual, bias melibatkan dua induk atau satu induk.Adapun teknik rekayasa genetika yang umum dilakukan adalah sebagai berikut :A. Perbanyakan (Pengklonan) DNAKloning DNA umumnya adalah perbanyakan DNA rekombinan, yaitu DNA yang sudah direkayasa dengan teknik penggabungan/penyisipan gen (DNA) dari organisme satu ke dalam genom organisme lain (transplantasi gen/teknologi plasmid). Contohnya : kloning gen penghasil insulin dari kelenjar pankreas manusia, disisipkan ke dalam plasmid bakteri Escherichia coli, sehingga bakteri dapat mengekspresikan gen tersebut dan menghasilkan insulin manusia dalam jumlah yang banyak, mengingat bakteri sangat cepat membelah diri dan bertambah banyak dengan cepat.Mekanisme Penyisipan Gen/DNA :1. DNA yang ingin disisipkan, diisolasi dan dipotong oleh enzim endonuklease restriksi, ditempat yang urutan nukleotidanya spesifik.2. DNA yang akan digunakan sebagai inang, misalnya plasmid bakteri E. coli, diisolasi dan dipotong pula oleh enzim yang sama. Plasmid ini biasanya disebut sebagai vektor pengklon.3. Fragmen DNA kemudian disisipkan ke dalam vektor dan disatukan oleh enzim endonuklease ligase.4. Plasmid yang telah disisipi, dimasukkan kembali ke dalam bakteri, kemudian bakteri tersebut dikembangbiakan menjadi banyak, sehingga rekombinan pun ikut bertambah banyak, demikian pula hasil ekspresi gennya (Gambar 1).

B. Kloning Gen Eukariotik dalam Plasmid BakteriPengekspresian gen eukariot di dalam ruang lingkup gen prokariot sangatlah sulit, karena kedua gen tersebut susunannya berbeda, selain itu adanya daerah bukan pengkode (intron) di dalam DNA eukariotik yang cukup panjang, dapat mencegah ekspresi gen yang benar oleh sel prokariot.Untuk mengatasi hal tersebut, maka ketika enzim restriksi memotong DNA eukariot, dibagian hulu fragmen DNA tersebut harus disisipi oleh promoter prokariot. Pada saat gen eukariot disisipkan, bakteri dapat mengenali promoter, dan langsung mengekspresikan gen tersebut. Untuk hal yang kedua, bisa diatasi dengan merubah mRNA menjadi DNA komplementer (‘complementary DNA’/cDNA), menggunakan enzim transkriptase balik (‘reverse transcriptase’), yaitu enzim yang diisolasi dari retrovirus. mRNA bisa digunakan karena pada mRNA, intronnya telah dikeluarkan pada saat proses ‘splicing’ .Setelah DNA ditransplantasi menghasilkan DNA rekombinan, maka DNA tersebut harus dimasukkan kembali ke dalam inang, supaya bisa berekspresi. Pemasukkan DNA rekombinan bisa dengan cara elektroporasi (memberikan kejutan listrik untuk membuka membran sel), atau dengan cara penyuntikan (mikroinjeksi), atau dengan cara transformasi, yaitu penyerapan DNA rekombinan dari larutan.

C. Kloning DNA secara In VitroPengklonan DNA di dalam sel tetap merupakan metode terbaik untuk mempersiapkan gen tertentu dalam jumlah banyak. Namun ketika sumber DNA sangat sedikit dan tidak murni, maka dapat digunakan metode PCR (‘Polymerase Chain Reaction’), sehingga setiap fragmen DNA dapat disalin beberapa kali dengan cepat dan diperkuat (amflipikasi) tanpa menggunakan sel. Mekanisme PCR dapat dilihat pada gambar 3. Adapun yang dibutuhkan dalam PCR ini adalah enzim DNA polimerase yang tahan panas, potongan DNA untai tunggal sebagai primer, dan pasokan nukleotida.Sejak tahun 1985, PCR telah banyak digunakan dalam penelitian biologis kedokteran, sosial, dan hukum. Contohnya : PCR digunakan untuk memperkuat DNA gajah purba (Mamoth), yang telah berusia 40.000 tahun, PCR digunakan untuk mendeteksi pelaku kejahatan dari sampel DNA air mani, darah atau jaringan tubuh pelaku lainnya, atau PCR ini digunakan untuk mendeteksi patogen yang sulit terdeteksi, seperti DNA virus HIV.