Bioteknologi Dengan Menggunakan Rekayasa Genetik

Bioteknologi berkembang sejalan dengan kemajuan ilmu pengetahuan. Perkembangan dan kemajuan yang dicapai dalam bidang biologi molekuler telah melahirkan teknologi rekombinan DNA atau yang dikenal dengan sebutan rekayasa genetik. Bioteknologi dengan menggunakan rekayasa genetik digolongkan dalam bioteknologi modern.

PENGERTIAN REKASA GENETIKA

Rekayasa genetik atau DNA rekombinan atau pencangkokan gen adalah suatu kumpulan teknik-teknik eksperimental yang memungkinkan peneliti untuk mengisolasi, mengidentifikasi, dan melipatgandakan suatu fragmen DNA dalam bentuk murninya. Manipulasi-manipulasi tersebut dilakukan secara in vitro dengan menggunakan material-material biologi.

TAHAPAN DASAR REKAYASA GENETIKA 

Rekayasa genetik dimulai kira-kira 50 tahun yang lalu melalui penelitian Dr. Paul Berg dari Stanford University di California, USA, dan usaha sekelompok penyelidik lainnya, yaitu Dr. Stanley Cohen dan Dr. Annie Chang dari Stanford University, serta Dr. Herbert Boyer dan Dr. Robert Helling dari University of California di San Francisco.

Mereka menemukan bahwa bahan-bahan kimia tertentu yang disebut enzim restriksi endonuklease mampu berfungsi sebagai "gunting molekuler", yaitu dapat mengenal dan kemudian memotong secara kimiawi tempat-tempat khusus di sepanjang sebuah molekul DNA. Enzim-enzim yang mampu menggunting gen dari DNA suatu makhluk tersebut ternyata mampu memotong tempat-tempat serupa dalam molekul DNA dari makhluk yang berkaitan.

Penemuan penting lainnya adalah bahwa suatu enzim yang disebut ligase, dapat menggabungkan potongan DNA yang digunting dari suatu gen dengan potongan DNA gen lain dari makhluk yang tidak berkaitan. Hibrid yang terbentuk dengan cara ini disebut DNA rekombinan.

Selama ini, lebih dari 200 enzim restriksi endonuklease telah ditemukan. Dengan demikian tersedialah beraneka ragam gunting molekuler untuk memotong gen-gen yang diinginkan dan mencangkokkannya di tempat yang diinginkan. Para ahli genetika kini dapat membongkar sel-sel bakteri, virus, hewan, dan tanaman guna mengambil DNA-nya dan memasukkannya ke dalam makhluk lain. Namun pekerjaan tersebut bukanlah sekadar memotong dan menempel. Sebuah gen harus diangkut oleh suatu materi genetik khusus yang disebut vektor. Salah satu jenis vektor yang bermanfaat adalah plasmid. Plasmid adalah molekul DNA sirkuler kecil yang terdapat di luar kromosom sel bakteri. 

Sebuah plasmid berasal dari bakteri. Untaian DNA plasmid yang sirkuler dipotong dengan enzim restriksi, kemudian fragmen DNA baru disisipkan ke dalamnya, dan plasmid dikembalikan ke dalam bakteri. Selanjutnya setiap kali bakteri tersebut membelah diri menjadi dua, plasmid rekombinan tersebut juga membelah diri. Oleh karenanya, DNA 

Pembentukan DNA rekombinan dengan bantuan enzim restriksi endonuklease dan ligase

MANFAAT REKAYASA GENETIKA

Rekayasa genetik sangat bermanfaat pada berbagai bidang kehidupan manusia. Misalnya bidang kedokteran dan farmasi, peternakan dan pertanian, serta perindustrian.

Manfaat Rekayasa Genetik di Bidang Kedokteran dan Farmasi

Beberapa penemuan penting yang sudah berhasil dan masih dilakukan adalah sebagai berikut.

Pembuatan insulin manusia oleh bakteri

Insulin merupakan suatu protein yang bertugas mengatur metabolisme gula di dalam tubuh manusia. Gen insulin adalah suatu daerah di dalam DNA yang memiliki informasi untuk menghasilkan insulin. Penderita diabetes tidak mampu membentuk insulin dalam jumlah yang dibutuhkan. Penderita diabetes akut harus menerima suntikan insulin setiap hari. Sebelumnya, insulin didapatkan dari kelenjar pankreas sapi dan babi. Biasanya untuk memperoleh 0,45 kg insulin yang dibutuhkan oleh 750 pasien diabetes selama satu tahun, diperlukan 3.600 kg kelenjar pankreas yang berasal dari 23.000 ekor hewan. 

Dengan teknik rekayasa genetik para peneliti berhasil memanipulasi bakteri untuk membentuk insulin yang mirip dengan insulin manusia. Melalui penelitian dapat dibuktikan pula bahwa salinan insulin manusia lebih baik daripada insulin hewani dan dapat diterima lebih baik oleh tubuh manusia. Biaya pembuatan insulin inipun menjadi jauh lebih murah.

Skema proses pembutaan insulin manusia oleh bakteri E. coli melalui pencangkokan gen

Teknik pencangkokan gen dalam pembuatan insulin manusia oleh bakteri berlangsung sebagai berikut . Insulin manusia tersusun dari dua rantai protein, yaitu rantai A dan rantai B. Urutan basa dalam molekul DNA yang mengkode masing-masing rantai dibuat dalam tabung reaksi dengan menggunakan struktur yang sudah diketahui dari insulin. Tiap molekul DNA kemudian dihubungkan dengan gen bakteri (yang mengkode enzim /3-galaktosidase), sehingga membentuk gen hibrid (gabungan). Bila gen-gen ini secara terpisah dimasukkan ke dalam sel-sel bakteri, tiap gen hibrid menunjukkan ekspresinya dan bakteri membuat suatu hibrid protein j3-galaktosidase-insulin A (atau B). Protein hibrid dipisahkan dari protein bakteri lainnya, dan rantai insulin dibebaskan dengan perlakuan kimia. Dua rantai peptida tersebut kemudian bersatu dan terbentuklah insulin manusia yang aktif. 

Terapi gen manusia

Setiap kelainan genetik yang disebabkan alel tunggal yang rusak, secara teoritis mungkin untuk diganti dengan alel yang masih berfungsi normal menggunakan teknik DNA rekombinan. Alel baru tersebut dapat disisipkan ke dalam sel somatik (sel tubuh) jaringan yang dipengaruhi kelainan dalam diri pasien atau bahkan mungkin juga ke dalam sel germinal (sel benih penghasil gamet) atau sel embrionik.

Agar terapi gen sel somatik bersifat permanen, sel yang menerima alel normal harus senantiasa memperbanyak diri di sepanjang hidup si pasien, sehingga alel pencangkokan akan bereplikasi dan terus diekspresikan. Dari percobaan terapi gen yang sedang dilakukan pada manusia, terapi yang paling menjanjikan adalah terapi yang melibatkan sel sumsum tulang. Sel sumsum tulang, termasuk "stem cell" yang menghasilkan semua sel darah dan sistem imun, merupakan kandidat utama sel yang menerima alel normal. Sebagian besar percobaan saat ini masih dalam taraf pendahuluan, yang didesain untuk menguji keamanan dan kelayakan prosedur, bukan untuk menyembuhkan.

Antibodi monoklonal

Antibodi merupakan protein yang dihasilkan oleh sistem imunitas vertebrata sebagai sistem pertahanan untuk melawan infeksi. Antibodi memiliki keunikan dibandingkan protein lainnya karena terdapat berjuta-juta antibodi dengan bentuk-bentuk yang berbeda. Masing-masing antibodi tersebut memiliki tempat pengikatan yang spesifik, yang hanya mengenali molekul target yang juga spesifik (antigen).

Antibodi dapat dihasilkan dengan menyuntikkan beberapa kali suatu sampel yang berisi antigen ke dalam seekor hewan kelinci atau kambing. Kemudian serum darah hewan tersebut diambil karena banyak mengandung antibodi (antiserum). Antiserum tersebut mengandung campuran antibodi yang dihasilkan oleh limfosit-B.

Pada tahun 1976 masalah heterogenitas antiserum dapat diatasi dengan mengembangkan suatu teknik yang merevolusi kegunaan antibodi. Prinsipnya yaitu mengembangbiakkan suatu klon sel-sel limfosit-B yang mensekresikan satu jenis antibodi. Masalahnya adalah sel-sel limfosit-B memiliki rentang waktu hidup yang terbatas dalam suatu kultur. Keterbatasan ini dapat diatasi dengan menggabungkan sel-sel tumor limfosit-B yang menghasilkan satu jenis antibodi dari tikus atau mencit yang telah diimunisasi dengan sel-sel tumor limfosit-B yang 'kekal' (immortal).

Berdasarkan campuran heterogen sel-sel hibrid tersebut, dapat dihasilkan hibrid yang memiliki kemampuan untuk menghasilkan antibodi tertentu dan kemampuan memperbanyak kultur sel tertentu dengan tak terhingga. Hibridoma tersebut kemudian diperbanyak sebagai klon individu yang stabil dan permanen untuk menghasilkan antibodi monoklonal 

Teknik sintesis antibodi monokloral

Antibodi ini dapat mengenali satu jenis . antigen, misalnya antigen yang terdiri dari protein dengan lima rantai samping asam amino.

Manfaat rekayasa genetik di bidang peternakan dan pertanian

Peternakan dan pertanian diharapkan akan memperoleh manfaat paling banyak dari rekayasa genetik misalnya sebagai berikut.

Organisme transgenik

Bakteri bukan satu-satunya organisme yang dapat dimodifikasi dengan teknik klona atau transfer gen. Rekayasa genetik juga dapat mentransfer gen-gen tertentu ke tumbuhan berbunga, jamur, dan mamalia yang mengakibatkan perubahan genotip organisme tersebut atau disebut organisme transgenik. Organisme transgenik merupakan organisme yang menerima gen-gen dari spesies lain (yang berbeda). Hewan maupun tumbuhan transgenik dihasilkan dengan berbagai teknik misalnya transfer gen, klona embrio, dan klona dengan transfer inti.

• Transfer gen pada hewan

Contoh transfer gen pada hewan adalah domba Tracey. Tracey merupakan domba betina yang sehat dan normal, namun DNA-nya telah disisipi oleh gen manusia. Gen manusia tersebut mengkode produksi protein alfa-l-antitripsin (ATT). Protein ATT ini disekresi oleh Tracey pada air susunya. Protein ATT sangat berharga karena berkhasiat untuk mengobati penyakit paru-paru pada manusia, misalnya fibrosis sistik dan emfisema (menggelembungnya ’membran alveoli hingga pecah sehingga menyebabkan bronkitis kronis).

Gen manusia dapat masuk ke dalam tubuh Tracey dengan cara sebagai berikut. Pertama-tama gen manusia yang mengkode ATT diisolasi dan diklon. Gen ini kemudian diinjeksikan ke dalam sel telur yang telah dibuahi sperma dan diadopsi oleh satu kromosom. Sel telur yang telah dibuahi akan membelah secara mitosis menghasilkan sel-sel yang masing-masing mengandung gen ATT. Bila sudah terbentuk embrio pada tahap awal, kemudian embrio ini ditanamkan ke rahim betina domba dewasa yang menjadi induk pengasuhnya. Embrio berkembang kemudian domba Tracey lahir.

• Klona embrio

Klona embrio telah digunakan untuk produksi hewan ternak, misalnya sapi atau domba yang secara genetik identik. Pada sapi atau domba, setiap kehamilan biasanya hanya mengandung seekor anak. Dengan teknik klona embrio akan memungkinkan bagi peternak untuk meningkatkan jumlah hewan ternaknya.

Tahapan teknik klona embrio pada hewan ternak, misalnya sapi, adalah sebagai berikut. Pertama, sel telur yang diambil dari sapi betina dibuahi dengan sperma dari sapi jantan terbaik. Pembuahan dilakukan di dalam cawan petri. Pembuahan ini disebut sebagai fertilisasi in-vitro. Sel telur yang telah dibuahi akan membentuk kumpulan sel-sel. Pada tahapan ini embrio muda tersebut dipisah-pisahkan menjadi beberapa bagian. Setiap bagian embrio merupakan klon yang secara genetik identik (meskipun gennya separuh berasal dari induk sapi jantan dan separuhnya lagi dari induk sapi betina). Embrio-embrio tersebut kemudian ditanamkan pada rahim sapi-sapi betina dewasa lainnya (atau induk angkat yang akan melahirkan anak-anak sapi). Embrio-embrio akan tumbuh menjadi anak-anak sapi yang siap dilahirkan dengan sifat yang sama seperti induknya.

Tahap klona embrio pada hewan ternak 

• Klona dengan transfer inti

Teknik klona dengan transfer inti adalah klon-klon dihasilkan dari satu individu. Misalnya ada seekor sapi betina yang menghasilkan air susu yang melimpah, namun dikhawatirkan bila dikawinkan dengan sapi jantan, anaknya belum tentu memiliki genotip yang sama dengan induk sapi betinanya. Klona dengan transfer inti akan bermanfaat pada kasus ini. Prinsip klona dengan tranfer inti adalah dengan memasukkan donor DNA dari hewan yang karakternya diinginkan ke dalam sel telur hewan yang intinya (DNA-nya) telah dihilangkan. Setelah terbentuk embrio lalu embrio ditanamkan ke rahim induk hewan yang akan membesarkannya.

Contoh klona dengan transfer inti adalah domba Dolly. Dolly merupakan domba hasil klon yang dilakukan oleh ilmuwan dari Skotlandia yang dipimpin oleh Ian Wilmot. Wilmot dan timnya merusak nukleus satu sel telur, kemudian dimasuki nukleus donor yang diambil dari sel-sel kelenjar susu seekor domba dewasa. Sel telur dengan nukleus dari donor memiliki materi genetik yang sama persis dengan induk yang mendonorkan nukleusnya. Kemudian sel telur tersebut distimulasi agar membelah menjadi kumpulan sel-sel (blastomer), yang ditanam ke dalam rahim seekor domba betina dewasa sebagai induk pengganti (surrogate mother). Beberapa waktu kemudian lahirlah domba Dolly.

Tahapan klona dengan transfer inti pada domba Dolly

Klona merupakan proses yang mahal dengan kelebihan yang terbatas dibandingkan dengan teknik reproduksi Jinnya. Klona pada hewan menimbulkan pertanyaan tentang kemungkinan klona pada manusia. Banyak negara yang melarang percobaan klona manusia. 

Saat ini klona pada hewan belum dimanfaatkan secara maksimal karena mahal dan sulit dikerjakan. Klona pada mamalia sepertinya akan dikombinasikan dengan bioteknologi lain untuk menghasilkan organ-organ tubuh hasil klon dan jaringan yang digunakan untuk transplantasi.

Tanaman hasil rekayasa genetik (transgenik)

Gen-gen asing dapat disisipkan ke dalam sel-sel tanaman dengan cara yang cukup alami. Agrobacterium tumefaciens merupakan bakteri tanah penyebab infeksi tumor crown gali pada beberapa tanaman. Bakteri ini menyerang tanaman yang luka dan menyebabkan sel-sel tanaman memperbanyak diri hingga membentuk tumor.

rekayasa genetika pada tanaman menggunakan Agrobacterium

Hal ini dapat terjadi karena Agrobacterium mampu menyisipkan plasmidnya sendiri (plasmid Ti) ke dalam kromosom tanaman. Plasmid gen bakteri ini bergabung dengan DNA tanaman dan menstimulasi pertumbuhan tumor. Ahli-ahli genetika tanaman telah berhasil menggantikan gen yang membentuk tumor pada plasmid Agrobacterium dengan gen-gen yang berguna bagi manusia. Oleh karenanya, dalam hal ini Agrobacterium berfungsi sebagai vektor 

Tumor crown gall

Tanaman transgenik direkayasa dengan menggunakan Agrobacterium tumefaciens untuk memperoleh sifat sebagai berikut.

• Menunda pematangan buah. Suatu gen telah disisipkan ke dalam tomat yang dapat menghambat enzim pematangan. Tomat hasil rekayasa (tomat Flavor savor) dapat bertahan beberapa minggu lebih lama dibandingkan dengan tomat biasa.
• Resistensi (ketahanan) terhadap pestisida dan herbisida. Suatu gen disisipkan ke dalam tanaman pangan sehingga dapat mensintesis protein kristal insektisidal (insecticidal crystal protein = ICP). Protein kristal insektisida mempengaruhi usus hama seperti ulat atau serangga tertentu yang makan tanaman ini sehingga hama menjadi berhenti makan dan kemudian mati.
• Resistensi terhadap kondisi lingkungan. Misalnya transfer gen dapat menghasilkan tanaman yang tahan kering karena memiliki lapisan kutikula yang lebih tebal sehingga tumbuh baik di daerah kering; tanaman yang buahnya seragam; tanaman yang tahan terhadap angin, contohnya adalah tanaman kedelai yang telah dimanipulasi agar memiliki batang yang lebih kuat dengan tinggi yang seragam sehingga lebih tahan terhadap angin kencang.