Modul Genetika - Universitas Brawijaya

BAB I
REKOMBINASI DNA
Teknologi DNA rekombinan
Teknik DNA rekombinan adalah rekayasa genetika untuk
menghasilkan sifat baru dengan cara merekombinasikan gen tertentu
dengan DNA genom. Teknik DNA rekombinan merupakan
kumpulan bertujuan untuk merekombinasi gen dalam tabung reaksi.
Teknik DNA rekombinan meliputi isolasi DNA, teknik memotong
DNA, teknik menggbung DNA dan teknik untuk memasukan DNA
ke dalam sel hidup. Teknologi DNA rekombinan atau sering disebut
juga rekayasa genetika ini adalah suatu ilmu yang mempelajari
pembentukan kombinasi materi genetik yang baru dengan cara
penyisipan molekul DNA ke dalam suatu vektor sehingga
memungkinkannya terjadinya integrasi dan mengalami perbanyakan
dalam suatu sel organisme lain yang berperan sebagai sel inang.
Manfaat rekayasa genetika ini diantaranya adalah dimungkinkannya
melakukan isolasi dan mempelajari fungsi masing-masing gen dan
mekanisme kontrolnya. Selain itu, rekayasa genetika juga
memungkinkan diperolehnya suatu produk dengan sifat tertentu
dalam waktu lebih cepat dan jumlah lebih besar daripada produksi
secara konvensional. Sejak jaman dahulu, nenek moyang kita telah
mengetahui
adanya
keanekaragaman
makhluk
hidup.
Keanekaragaman makhluk hidup ini memungkinkan manusia untuk
memilih jenis makhluk hidup yang dikehendakinya. Salah satu upaya
nenek moyang kita dalam memilih jenis makhluk hidup yang unggul
adalah dengan breeding atau mengawinkan beberapa spesies unggul
untuk didapatkan keturunan yang unggul pula dan memiliki sifat dari
kedua induknya. Dengan semakin berkembangnya ilmu genetika dan
ditemukannya gen, maka manusia pun memiliki alternatif lain yang
lebih efektif yaitu melalui teknik rekayasa genetika (Genetic Engineering)
dengan cara melakukan perubahan langsung pada DNA. Salah satu
upaya yang dilakukan adalah dengan DNA rekombinan. Teknik DNA
rekombinan adalah suatu teknik di dalam rekayasa genetika untuk
menghasilkan sifat baru dengan cara merekombinasikan gen tertentu
dengan DNA genom. Teknik DNA rekombinan merupakan
kumpulan teknik untuk merekombinasi gen dalam tabung reaksi.
Teknik itu diantaranya isolasi DNA, teknik memotong DNA, teknik
menggbung DNA dan teknik untuk memasukan DNA ke dalam sel
hidup. Setelah DNA rekombinan terbentuk maka dilakukan proses
transformasi ke host cell kemudian dilkakukan proses inkubasi sel
bakteri tersebut. Setelah dilakukan inkubasi maka sel bakteri dapat
diuji kehadiran DNA rekombinannya yaitu melalui uji antibiotik, uji
medium seleksi dan seleksi putih biru. Setelah didapatkan bakteri
dengan DNA rekombinan maka dilakukan purifikasi untuk
mengisolasi gen yang direplikasi.
Secara klasik analisis molekuler protein dan materi lainnya
dari kebanyakan organisme ternyata sangat tidak mudah untuk
dilakukan karena adanya kesulitan untuk memurnikannya dalam
jumlah besar. Namun, sejak tahun 1970-an berkembang suatu
teknologi yang dapat diterapkan sebagai pendekatan dalam mengatasi
masalah tersebut melalui isolasi dan manipulasi terhadap gen yang
bertanggung jawab atas ekspresi protein tertentu atau pembentukan
suatu produk. Teknologi yang dikenal sebagai teknologi DNA
rekombinan, atau dengan istilah yang lebih populer rekayasa genetika,
ini melibatkan upaya perbanyakan gen tertentu di dalam suatu sel
yang bukan sel alaminya sehingga sering pula dikatakan sebagai
kloning gen. Banyak definisi telah diberikan untuk mendeskripsikan
pengertian teknologi DNA rekombinan. Salah satu di antaranya, yang
mungkin paling representatif, menyebutkan bahwa teknologi DNA
rekombinan adalah pembentukan kombinasi materi genetik yang baru
dengan cara penyisipan molekul DNA ke dalam suatu vektor
sehingga memungkinkannya untuk terintegrasi dan mengalami
perbanyakan di dalam suatu sel organisme lain yang berperan sebagai
sel inang. Teknologi DNA rekombinan mempunyai dua segi manfaat.
Pertama, dengan mengisolasi dan mempelajari masing-masing gen
akan diperoleh pengetahuan tentang fungsi dan mekanisme
kontrolnya. Kedua, teknologi ini memungkinkan diperolehnya
produk gen tertentu dalam waktu lebih cepat dan jumlah lebih besar
daripada produksi secara konvensional. Pada dasarnya upaya untuk
mendapatkan suatu produk yang diinginkan melalui teknologi DNA
rekombinan melibatkan beberapa tahapan tertentu. Tahapan-tahapan
tersebut adalah isolasi DNA genomik atau kromosom yang akan
diklon, pemotongan molekul DNA menjadi sejumlah fragmen
dengan berbagai ukuran, isolasi DNA vektor, penyisipan fragmen
DNA ke dalam vektor untuk menghasilkan molekul DNA
rekombinan, transformasi sel inang menggunakan molekul DNA
rekombinan, reisolasi molekul DNA rekombinan dari sel inang, dan
analisis DNA rekombinan.
Dasar teknologi DNA rekombinan
Bakteri memiliki mekanisme seksual yang telah dibuktikan
pada tahun 1946. Konsekwensi dari mekanisme seksual adalah:
1. Menyebabkan terbentuknya kombinasi gen-gen yang berasal dari
dua sel yang berbeda
2. Terjadi pertukaran DNA atau gen dari satu sel ke sel yang lain.
Mekanisme seksual ini tidak bersifat reproduktif atau tidak
menghasilkan keturunan
Gambar 1. Hasil Penelitian Lederberg dan Tatum
Transfer DNA atau perpindahan DNA atau perpindahan
DNA ke dalam bakteri dapat melalui tiga cara, yaitu konjugasi,
transformasi, dan transduksi. DNA yang masuk ke dalam sel bakteri
selanjutnya dapat berintegrasi dengan DNA atau kromosom bakteri
sehingga terbentuk kromosom rekombinan. Konjugasi merupakan
perpindahan DNA dari satu sel (sel donor) ke dalam sel bakteri
lainnya (sel resepien) melalui kontak fisik antara kedua sel. Sel donor
memasukkan sebagian DNA-nya ke dalam sel resepien. Transfer
DNA ini melalui pili seks yang dimiliki oleh sel donor. Sel resepien
tidak memiliki pili seks. DNA dari sel resepie berpindah ke sel
resipien secara replikatif sehingga setelah proses ini selesai, sel jantan
tidak kehilangan DNA. Ke dua sel tidak mengalami peningkatan
jumlah sel dan tidak dihasilkan sel anak. Oleh karena itu, proses
konjugasi disebut juga sebagai proses atau mekanisme seksual yang
tidak reproduktif.
Gambar 2. Proses konjugasi
Gambar 3. Proses konjugasi yang menyebabkan resistensi pada plasmid
Transformasi merupakan pengambilan DNA oleh bakteri dari
lingkungan di sekelilingnya. DNA yang berada di sekitar bakteri
(DNA asing) dapat berupa potongan DNA atau fragmen DNA yang
berasal dari sel bakteri yang lain atau organisme yang lain. Masuknya
DNA dari lingkungan ke dalam sel bakteri ini dapat terjadi secara
alami. Pada tahun 1928 ditemukan strain bakteri yang tidak virulen
dapat berubah sifatnya menjadi virulen disebabkan adanya strain yang
tidak virulen dicampur dengan sel-sel bakteri strain virulen yang telah
dimatikan. Tahun 1944 ditemukan bahwa perubahan sifat atau
transformasi dari bakteri yang tidak virulen menjadi virulen
disebabkan oleh adanya DNA dari sel bakteri strain virulen yang
masuk ke dalam bakteri strain yang tidak virulen.
Gambar 4. Proses transformasi
Gambar 5. Proses transformasi pada sel bakteri
Transduksi adalah cara pemindahan DNA dari satu sel ke
dalam sel lainnya melalui perantaraan bakteriofage. Beberapa jenis
virus berkembang biak di dalam sel bakteri. Virus-virus yang inangnya
adalah bakteri sering disebut bakteriofag atau fage. Ketika virus
menginfeksi bakteri, fage memasukkan DNA-nya ke dalam sel
bakteri. DNA tersebut kemudian akan bereplikasi di dalam sel bakteri
atau berintegrasi dengan kromosom baketri. DNA fage yang dikemas
ketika membentuk partikel fage baru akan membawa sebagian DNA
bakteri yang menjadi inangnya. Selanjutnya jika fage tersebut
menginfeksi bakteri yang lain, maka fage akan memasukkan DNAnya yang sebagian mengandung DNA sel inang sebelumnya. Jadi,
secara alami fage memindahkan DNA dari satu sle bakteri ke bakteri
yang lain.
Gambar 6. Proses transduksi pada sel bakteri
Perangkat teknologi DNA rekombinan
Adapun perangkat yang digunakan dalam teknik DNA
rekombinan diantaranya enzim restriksi untuk memotong DNA,
enzim ligase untuk menyambung DNA dan vektor untuk
menyambung dan mengklonkan gen di dalam sel hidup, transposon
sebagai alat untuk melakukan mutagenesis dan untuk menyisipkan
penanda, pustaka genom untuk menyimpan gen atau fragmen DNA
yang telah diklonkan, enzim transkripsi balik untuk membuat DNA
berdasarkan RNA, pelacak DNA atau RNA untuk mendeteksi gen
atau fragmen DNA yang diinginkan atau untuk mendeteksi klon yang
benar. Vektor yang sering digunakan diantarnya plasmid, kosmid dan
bakteriofag.
Gambar 7. Plasmid bakteri sebagai vektor
Enzim restriksi digunakan untuk memotong DNA. Enzim
restriksi mengenal dan memotong DNA pada sekuens spesifik yang
panjangnya empat sampai enam pasang basa. Enzim tersebut dikenal
dengan nama enzim endonuklease restriksi. Berikut ini adalah
macam-macam enzim endonuklease restriksi.
Tabel 1. Enzim restriksi yang sering digunakan pada proses rekombinasi DNA
Enzyme
Source
Recognition
Sequence
Cut
EcoRI
Escherichia coli
5'GAATTC
3'CTTAAG
5'---G AATTC---3'
3'---CTTAA G---5'
EcoRII
Escherichia coli
5'CCWGG
3'GGWCC
5'--- CCWGG---3'
3'---GGWCC ---5'
BamHI
Bacillus
amyloliquefaciens
5'GGATCC
3'CCTAGG
5'---G GATCC--3'
3'---CCTAG G--5'
HindIII
Haemophilus
influenzae
5'AAGCTT
3'TTCGAA
5'---A AGCTT---3'
3'---TTCGA A---5'
TaqI
Thermus aquaticus
5'TCGA
3'AGCT
5'---T CGA---3'
3'---AGC T---5'
5'---GC GGCCGC--3'
3'---CGCCGG CG--5'
NotI
Nocardia otitidis
5'GCGGCCGC
3'CGCCGGCG
HinfI
Haemophilus
influenzae
5'GANTCA
3'CTNAGT
5'---G ANTC---3'
3'---CTNA G---5'
Sau3A
Staphylococcus aureus 3'CTAG
5'GATC
5'--- GATC---3'
3'---CTAG ---5'
PovII*
Proteus vulgaris
5'CAGCTG
3'GTCGAC
5'---CAG CTG---3'
3'---GTC GAC---5'
SmaI*
Serratia marcescens
5'CCCGGG
3'GGGCCC
5'---CCC GGG---3'
3'---GGG CCC---5'
HaeIII*
Haemophilus
aegyptius
5'GGCC
3'CCGG
5'---GG CC---3'
3'---CC GG---5'
HgaI[33]
Haemophilus
gallinarum
5'GACGC
3'CTGCG
5'---NN NN---3'
3'---NN NN---5'
AluI*
Arthrobacter luteus
5'AGCT
3'TCGA
5'---AG CT---3'
3'---TC GA---5'
5'GATATC
3'CTATAG
5'---GAT ATC---3'
3'---CTA TAG---5'
EcoP15I Escherichia coli
5'CAGCAGN25NN
3'GTCGTCN25NN
5'--CAGCAGN25NN --3'
3'---GTCGTCN25
NN---5'
KpnI[34]
Klebsiella pneumoniae 3'CCATGG
5'GGTACC
5'---GGTAC C---3'
3'---C CATGG---5'
PstI[34]
Providencia stuartii
5'CTGCAG
3'GACGTC
5'---CTGCA G---3'
3'---G ACGTC---5'
SacI[34]
Streptomyces
achromogenes
5'GAGCTC
3'CTCGAG
5'---GAGCT C---3'
3'---C TCGAG---5'
SalI[34]
Streptomyces albus
5'GTCGAC
3'CAGCTG
5'---G TCGAC---3'
3'---CAGCT G---5'
ScaI[34]
Streptomyces
caespitosus
5'AGTACT
3'TCATGA
5'---AGT ACT---3'
3'---TCA TGA---5'
EcoRV* Escherichia coli
SpeI
Sphaerotilus natans
5'ACTAGT
3'TGATCA
5'---A CTAGT---3'
3'---TGATC A---5'
SphI[34]
Streptomyces
phaeochromogenes
5'GCATGC
3'CGTACG
5'---G CATGC---3'
3'---CGTAC G---5'
StuI[35][36]
Streptomyces
tubercidicus
5'AGGCCT
3'TCCGGA
5'---AGG CCT---3'
3'---TCC GGA---5'
XbaI[34]
Xanthomonas badrii 3'AGATCT
5'TCTAGA
5'---T CTAGA---3'
3'---AGATC T---5'
Ada beberapa bagian terpenting yang selalu digunakan dalam
rekayasa genetika.Yang pertama adalah enzim seluler dan yang kedua
adalah vektor. Hal tersebut akan dibahas sebagai berikut:
Enzim seluler
Enzim yang dipakai oleh orang-orang bioteknologi dalam
memanipulasi DNA diantaranya adalah enzim Endonuklease, yaitu
enzim yang mengenali batas-batas sekuen nukleotida spesifik dan
berfungsi dalam proses restriction atau pemotongan bahan-bahan
genetik. Penggunaan enzim ini yang paling umum antara lain pada
sekuen palindromik. Enzim ini dibentuk dari bakteri yang dibuat
sedemikian rupa sehingga dapat menahan penyusupan DNA, seperti
genom bacteriophage.Ada juga DNA polimerisasi, yaitu enzim yang
biasa dipakai untuk meng-copy DNA. Enzim ini mengsintesis DNA
dari sel induknya dan membentuk DNA yang sama persis ke sel
induk barunya. Enzim ini juga bisa didapatkan dari berbagai jenis
organisme, yang tidak mengherankan, karena semua organisme pasti
harus meng-copy DNA mereka. Selain DNA polimerisasi, ada juga
enzim RNA polimerisasi yang berfungsi untuk ’membaca’ sekuen
DNA dan mengsintesis molekul RNA komplementer. Seperti halnya
DNA polimerisasi, RNA polimerisasi juga banyak ditemukan di
banyak organisme karena semua organisme harus ’merekam’
gennya.Selanjutnya yang akan dibahas adalah enzim DNA ligase.
Enzim DNA ligase merupakan suatu enzim yang berfungsi untuk
menyambungkan suatu bahan genetik dengan bahan genetik yang
lain. Contohnya saja, enzim DNA ligase ini dapat bergabung dengan
DNA (atau RNA) dan membentuk ikatan phosphodiester baru antara
DNA (atau RNA) yang satu dengan lainnya.Kemudian, ada pula
enzim reverse transcriptases yang berfungsi membentuk blue-print
dari molekul RNA membentuk cDNA (DNA komplementer). Enzim
ini dibuat dari virus RNA yang mengubah genom RNA virus menjadi
DNA ketika virus menginfeksi inangnya. Enzim ini biasa dipakai
ketika bertemu dengan gen eukariotik yang biasanya terpisah-pisah
menjadi potongan kecil dan dipisahkan oleh introns dalam
kromosom.
Vektor natural
Sebagai salah satu cara untuk memanipulasi DNA di luar sel,
para ilmuwan dalam bioteknologi harus bisa membuat suatu tempat
yang keadaannya stabil dan cocok dengan tempat DNA yang
dimanipulasi. Sekali lagi, alam telah memberikan solusi dari masalah
ini. Vektor disini bisa diartikan sebagai alat yang membawa DNA ke
dalam sel induk barunya. Agar suatu metode dalam rekayasa genetika
dianggap berhasil, di dalam vektor, DNA hasil rekombinan
seharusnya benar-benar hanya dibawa setelah sebelumnya DNA
rekombinan digabungkan dengan DNA vektor melalui enzim ligase.
Namun di dalam vektor, DNA rekombinan tidak termutasi lagi
membentuk DNA dengan sifat baru. Contoh dari vektor natural dari
alam adalah plasmid dan virus atau bacteriophage.
Manfaat teknologi rekombinan DNA
Aplikasi teknik DNA rekombinan dalam bioteknologi
diantaranya adalah produksi vaksin, insulin, antibodi dan sebagainya.
Misalkan saja insulin yang digunakan untuk mengatasi diabetes
diproduksi dengan menggunakan teknik DNA rekombinan. Gen
insulin yang berasal dari sapi kemudian ditentukan urutan DNA-nya
setelah itu direkombinasikan di dalam suatu vektor misal plasmid
kemudian dimasukan dalam sel bakteri. Selanjutnya bakteri ini
mengalami transformasi dan bisa menghasilkan insulin. Ini adalah
salah satu contoh aplikasi teknik DNA rekombinan dalam
bioteknologi. Beberapa produk DNA rekombinan yang digunakan
dalam terapi manusia, diantaranya :
Insulin untuk penderita diabetes
Faktor VIII untuk laki-laki menderita hemofilia a
Faktor IX untuk hemofilia b
Hormon pertumbuhan manusia (hgh)
Erythropoietin (epo) untuk mengobati anemia
Beberapa jenis interferon
Beberapa interleukin
Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (gm-csf)
untuk menstimulasi sumsum tulang setelah transplantasi sumsum
tulang
Granulocyte koloni-stimulating factor (g-csf) untuk merangsang
neutrofil produksi, misalnya, setelah kemoterapi dan untuk
memobilisasi sel induk hematopoietik dari sumsum tulang ke
dalam darah.
Aktivator plasminogen jaringan (tpa) untuk melarutkan gumpalan
darah
Adenosin deaminase (ada) untuk mengobati beberapa bentuk
severe combined immunodeficiency (scid)
Hormon paratiroid
Beberapa antibodi monoklonal
Antigen permukaan hepatitis B untuk vaksinasi terhadap virus
hepatitis B
C1 inhibitor (c1inh) digunakan untuk mengobati edema
angioneurotic turun-temurun.
Gambar 8. Pembuatan Tanaman Transgenik dengan teknik rekombinasi DNA
Rekombinasi terjadi akibat adanya perubahan susunan basa
nitrogen dan sifat yang dibawa oleh suatu individu, berbeda dari sifat
parentalnya. Rekombinan terjadi secara alami, baik melalui induksi,
transformasi, konjugasi, maupun akibat dari adanya suatu crossing over
saat meiosis. Rekombinasi DNA dapat terjadi baik secara alami
maupun buatan oleh manusia. Rekombinasi terjadi sebagai suatu
bentuk untuk bertahan dan beradaptasi terhadap perubahan yang
terjadi. Pada tahun 1962 berhasil diisolasi genom bakteriofage dari
plasmid sel bakteri. Genom bakteriofag ini menyebabkan terjadinya
rekombinasi DNA bakteri. Rekombinasi DNA bakteri terjadi melalui
3 mekanisme yang berbeda, yaitu adanya transduksi, transformasi,
dan konjugasi. Berikut merupaan meknisme terjadinya rekombinasi
pada bakteri.
Gambar 9. Bakteriofag mengakibatkan terjadinya rekombinasi pada bakteri
melalui mekanisme transduksi
Gambar 10. Rekombinasi yang terjadi diakibatkan oleh induksi materi genetik
dari bakteriofage
Transduksi merupakan suatu bentuk rekombinasi yang
disebabkan adanya induksi dari bakteriofage. DNA virus menempel
pada plasmid bakteri ketika bakteriofag menginfeksi bakteri.
Bakteriofag memiliki suatu mekanisme tersebdiri untuk membuka
pita DNA bakteri. Bakteriofag memiliki enzim yang mirip dengan
DNA polimmerase I dan helikase sehingga pita DNA membuka dan
DNA bakteri dapat disisipi dengan DNA bakteriofag. DNA akan
mengalami ligasi yang dibantu oleh enzim ligase. Bakteriofag
meyisipkan DNAnya secaran langsung ke dalam DNA atau plasmid
bakteri dengan tyujuan agar semua kinerja dan protein yang dihasilkan
oleh sel bakteri dapat dikontrol secara langsung untuk membentuk
dan merakit bakteriofag. DNA atau plasmid dari bakteri akan
dipotongmenggunakan enzim restriksi endonuklease sehingga
menjadi potongan kecil dan digunakan untuk membentuk materi
genetik bakteriofag. Ketika perakitan bakteiofag selesai, bakteriofag
akan keluar dari bkteri dan sel bankteri akan mengalami lisis. Materi
genetik yang terdapat dalam kapsid bakteriofag terdir dari materi
genetik bakteri dan bakteriofag. Ketika bakteriofag menginfeksi
bakteri lainnya. Akan terjadi penyisipan materi genetik dari
bakteriofag ke dalam materi genetik bakteri. Transduksi ini
menyebabkan terjadinya rekombinasi DNA yang terjadi karena vektor
dari bakteriofag atau virus dan menyebabkan bakteri memiliki gen
yang berasal dari bakteri lainnya.
Gambar 11. Transformasi DNA bakteri
Gambar 12. Percobaan tentang transformasi
Transformasi DNA telah lama diketahui. Percobaan tentang
transformasi pertamakali dilakukan oleh Griffith. Percobaan ini
mrnggunakan bakteri strain S dan strain R. bakteri strain S
merupakan bakteri virulen yang dapat mengakibatkan kematian pada
hewan coba. Bakteri strain R merupakan bakteri nonvirulen yang
tidak mengakibatkan kematian pada hewan coba yang diinjeksi
dengan bakteri ini. Percobaan ini dilakukan dengan membunuh
bakteri strain S dengan merebusnya, dan kemudian diinjeksikan pada
mencit. Mencit yang diinjeksi dengan bakteri strain S yang telah
dibunuh tersebut tidak mati dan tidak mengalami suatu kelainan.
Kemudian, bakteri strain S yang telah direbus tersebut dicampurkan
dengan bakteri strai R yng masih hiidup dan diinjeksikan ke mencit.
Mencit tersebut mati. Berdasarkan hasil percobaan tersebut,
memunculkan suatu pertanyaan besar, mengapa mencit yang diinjeksi
dengan mencampurkan bakteri stain S yang telah dibunuh dengan
cara dipanaskan dan bakteri strain R mati, padahal bakteri strain R
bersifat nonvirulen. Berdasarkan percobaan tersebut diketahui bahwa
terjadi rekombinasi DNA. Rekombinasi tersebut diakibatkan adanya
trasnformasi. Sel yang terpapar oleh meteri genetik akan dengan
mudah mengambil materi genetiok tersebut dari lingkungannya.
Materi genetik yang berasal dari lingkungan akan berikatan dengan
materi genetik dari sel yang mengakibatkan sel memiliki suatu sifat
yang berbeda dari sifat sebelumnya. Penambahan materi genetik ini
mempengaruhi eksprtesi gen dan protein yang dibentu oleh sel.
Trnasformasi sangat lazim terjadi. Pene;iti yang bekerja dengan DNA
maupun RNA dari makhluk lainnya harus berhati-hati karena materi
genetik tersebut dapat dengan mudah masuk ke dalam sel dan
menempel pada materi genetik yang terdapat dalam sel.
Gambar 13. Konjugasi
Konjugasi merupakan suatu cara alami untuk mentrasfer
materi genetik antar bakteri. Ketika suatu bakteri telah kehabisan
energi untuk melakukan pembelahan. Konjugasi sep[erti gambar 5
dilakukan oleh 2 jenis bakteri yang berbeda. Bakteri 1 memiliki
plasmid yang mengandung faktor R sehingga resistan terhadap
antibiotik. Sedangkan bakteri 2 memiliki plasmid tetapi tidak memiliki
faktor R sehingga peka terhadap antibiotik. Konjugasi merupakan
peristiwa pengiriman atau membagi materi genetik yang dilakukan
dengan menggunakan Sex filli. Plasmid mengalami replikasi dan
ditrnasfer menuju vakteri lainnya melalui sex filli. Setelah selesai,
bakteri 2 akan memiliki gen yang mengandung faktor R sehingga
bersifat resisten terhadap antibiotik. Terdapat beberapa uji yang
dilakukan untuk mengetahui terjadinya rekombinan atu tidak. Analisis
yang sering dilakukan adalah dengan elektroforesis dan PCR.
Gambar 14. Metode elektroforesis
Elektroforesis gel memisahkan makromolekul berdasarkan
laju perpindahan melewati gel dengan dipengaruhi oleh medan listrik.
Pada asam nukleat, laju perpindahan molekul berbanding terbalik
dengan ukuran molekulnya. Semakin besar molekul, maka semakin
lambat laju perpindahannya dan jarak yang mampu ditempuh akan
semakin pendek. Elektroforesis ini bisa digunakan untuk menentukan
basa nitrogen yang menyusun DNA dan dapaty digunakan untuk
membuat DNA sequencing.
Gambar 15. Metode PCR
PCR dilakukan untuk menentukan susunan nitrogen yang
menyusun DNA. PCR dilakukan dengan mengisolasi DNA dari
organisme dan dirunning untuk menentukan basa nitrogen yang
menysunnya dengan menggunakan computer. Metode yng digunakan
dalam PCR meliputi denaturasi, anneling, dan expanding.
Gambar 16. Transformasi gen diperantarai plasmid
Cara pembuatan insulin secara Rekombinan
a. Ekstraksi mRNA dari sample pankreas manusia. Gunakan
pelarut untuk melepaskan protein tanpa mempengaruhi DNA
/RNA Sebagian mRNA manusia mempunyai ekor yang
terdiri dari basa adenin yang berpasangan dengan timin dan
sitosin dengan guanin.
b. Hal ini mendesak mRNA untuk bergeser ke arah bead (affinity
chromatography). Sebagian besar DNA dan non-mRNA tidak
dapat melekat pada bead dan keduanya terpisah dari mRNA
c. Plasmid disisipkan ke bakteri secara transformasi sehingga
banyak salinan plasmid yang akan dibuat.biasanya setiap
bakteri memilki satu plasmid. Khususnya Escherichia coli,
bakteri usus sebagai ’pekerja’. Bakteri rekombinan yang baru
memiliki gen yang baru. DNA mengkode sebuah protein yang
menginstruksi bakteri untuk membuat mRNA baru yang
membuat protein baru. Tujuannya untuk menciptakan bakteri
yang menghasilkan insulin bagi manusia.
d. Karena sejumlah mRNA telah diekstraksi, maka terdapat gen
aktif pankreas. Untuk menemukan bakteri rekombinan
spesifik dengan insulin sebagai target spesifik, kita
membutuhkan ‘peta’ . Pada proses ini, perlu dibedakan baik
sekuen insulin DNA ataupun protein insulin. Sel yang dapat
mengekspresikan insulin dengan benar diidentifikasi.
Kemudian dapat berkembang dalam jumlah banyak dalam
media yang dibuat dalam asam amino, vitamin dan
gula.sehingga insulin dalam jumlah banyak dapat diproduksi
dengan cepat (bakteri menggandakan diri setiap 40 menit).
Pecahkan sel, kemudian murnikan insulin dari protein bakteri
dengan kromatografi.
e. Kemas insulin murni, lalu simpan di vial atau injeksi.
Rekombinasi membutuhkan enzim spesifik
Proses identifikasi dan memahami enzim-enzim tersebut
ditunjukan oleh E. coli. Enzim rekombinasi penting dikode oleh gen
recA, B, C, dan D dan oleh gen ruvC. Gen rec B, C, dan D
mengkode enzim RecBCD yang dapat menginisiasi rekombinan
dengan melepaskan DNA. Protein RecA mempromosikan semua
tahapan sentral pada proses: pemasangan dua DNA, formasi Holliday
intermediate, dan cabang imigrasi seperti yang dijelaskan berikut.
Nukleus tersebut sering disebut resolvases; resolvase E. coli
merupakan protein RuvC. Enzim RecBCD berikatan dengan DNA
linear pada salah satu ujung dan menggunakan energi ATP untuk
berpindah sepanjang helix, melepaskan DNA didepan dan
melepaskannya kembali dibelakang. Pelepasan kembali lebih lambat
dari pelepasan sehingga gelembung strand tunggal segera terbentuk
dan membesar. Strand tunggal dalam gelembung segera dipotong saat
enzim
bertemu
susunan
tertentu
yang
disebut
chi
((5’)GCTGGTGG(3’). Ada sekitar 1000 dari sususan tersebut pada
genom E. coli, dan berpengaruh meningkatkan frekuensi rekombinasi
pada daerah dimana rekombinasi itu terjadi. Susunan yang
meningkatkan frekuensi rekombinasi diidentifikasi pada beberapa
organisme.
Protein RecA tidak biasa telibat dalam metabolism DNA
karena bentuk aktif enzim ini merupakan perintah, filament helix
yang memasang secara kooperatif pada DNA dan mampu melibatkan
monomer RecA. Formasi filament ini secara normal terjadi pada
DNA strand tunggal seperti yang diproduksi oleh enzim RecBCD.
Filamen juga akan terbentuk pada DNA duplex dengan gap strand
tunggal, dimana monomer RecA berikataan pertama kali dengan
DNA strand tunggal dalam gap dan kemudian kumpulan filament
menyelimuti dupleks tetangganya. Paradigma in vitro yang berguna
untuk aktivitas rekombinasi filament RecA adalah reaksi yang disebut
pertukaran DNA strand. DNA dalam filament dibentangkan dengan
DNA duplex kedua, dan strand ditukar antar dua DNA untuk
membentuk heteroduplex DNA. Pertukaran yang terjadi antara
tingkatan 3 samapi 6 pasangan basa dan berkembang menjadi arah
yang unik, 5’_3’ yang berkaitan dengan DNA strand tunggal didalam
filament. Reaksi ini dapat melibatkan tiga sampai empat strand, dan
pada kasus berikutnya struktur Holliday merupakan intermediate
dalam proses. Ketika intermediate Holliday terbentuk, enzim yang
terlibat dalam melengkapi rekombinasi termasuk topoisomerase,
resolvase, dan nuclease yang lain, DNA polymerase I atau III, dan
DNA ligase. Protein RuvC (Mr20.000) pada E. coli menyayat
intermediate Holliday banyak detail dari reaksi ini yang dilaksanakan
oleh enzim rekombinasi dan koordinasi dari enzim ini belum banyak
diketahui. Contoh enzim restriksi endonuklease yang biasa digunakan
dalam DNA rekombinan ditunjukkan oleh tabel 1.Teknologi DNA
rekombinan meliputi beberapa teknik, yaitu:
1. Teknik untuk mengisolasi DNA
2. Teknik untuk memotong DNA
3. Teknik untuk nggabungkan atau menyambungkan DNA
4. Teknik untuk memasukkan DNA rekombinan ke dalam sel hidup
sehingga DNA rekombinan tersebut dapat bereplikasi dan dapat
diekspresikan dalam sel bakteri lainnya atau sel resipien melalui
kontak fisik antara dua sel.
Isolasi DNA
Isolasi DNA diawali dengan perusakan dan atau pembuangan
dinding sel, yang dapat dilakukan baik dengan cara mekanis seperti
sonikasi, tekanan tinggi, beku-leleh maupun dengan cara enzimatis
seperti pemberian lisozim. Langkah berikutnya adalah lisis sel. Bahanbahan sel yang relatif lunak dapat dengan mudah diresuspensi di
dalam medium bufer nonosmotik, sedangkan bahan-bahan yang lebih
kasar perlu diperlakukan dengan deterjen yang kuat seperti triton X100 atau dengan sodium dodesil sulfat (SDS). Pada eukariot langkah
ini harus disertai dengan perusakan membran nukleus. Setelah sel
mengalami lisis, remukan-remukan sel harus dibuang. Biasanya
pembuangan remukan sel dilakukan dengan sentrifugasi. Protein yang
tersisa dipresipitasi menggunakan fenol atau pelarut organik seperti
kloroform untuk kemudian disentrifugasi dan dihancurkan secara
enzimatis dengan proteinase. DNA yang telah dibersihkan dari
protein dan remukan sel masih tercampur dengan RNA sehingga
perlu ditambahkan RNAse untuk membersihkan DNA dari RNA.
Molekul DNA yang telah diisolasi tersebut kemudian dimurnikan
dengan penambahan amonium asetat dan alkohol atau dengan
sentrifugasi kerapatan menggunakan CsCl.Teknik isolasi DNA
tersebut dapat diaplikasikan, baik untuk DNA genomik maupun
DNA vektor, khususnya plasmid. Untuk memilih di antara kedua
macam molekul DNA ini yang akan diisolasi dapat digunakan dua
pendekatan. Pertama, plasmid pada umumnya berada dalam struktur
tersier yang sangat kuat atau dikatakan mempunyai bentuk covalently
closed circular (CCC), sedangkan DNA kromosom jauh lebih
longgar ikatan kedua untainya dan mempunyai nisbah aksial yang
sangat tinggi. Perbedaan tersebut menyebabkan DNA plasmid jauh
lebih tahan terhadap denaturasi apabila dibandingkan dengan DNA
kromosom. Oleh karena itu, aplikasi kondisi denaturasi akan dapat
memisahkan DNA plasmid dengan DNA kromosom. Pendekatan
kedua didasarkan atas perbedaan daya serap etidium bromid, zat
pewarna DNA yang menyisip atau melakukan interkalasi di sela-sela
basa molekul DNA. DNA plasmid akan menyerap etidium bromid
jauh lebih sedikit daripada jumlah yang diserap oleh DNA kromosom
per satuan panjangnya. Dengan demikian, perlakuan menggunakan
etidium bromid akan menjadikan kerapatan DNA kromosom lebih
tinggi daripada kerapatan DNA plasmid sehingga keduanya dapat
dipisahkan melalui sentrifugasi kerapatan.
Enzim Restriksi
Tahap kedua dalam kloning gen adalah pemotongan molekul
DNA, baik genomik maupun plasmid. Perkembangan teknik
pemotongan DNA berawal dari saat ditemukannya sistem restriksi
dan modifikasi DNA pada bakteri E. coli, yang berkaitan dengan
infeksi virus atau bakteriofag lambda (l). Virus l digunakan untuk
menginfeksi dua strain E. coli, yakni strain K dan C. Jika l yang telah
menginfeksi strain C diisolasi dari strain tersebut dan kemudian
digunakan untuk mereinfeksi strain C, maka akan diperoleh l progeni
(keturunan) yang lebih kurang sama banyaknya dengan jumlah yang
diperoleh dari infeksi pertama. Dalam hal ini, dikatakan bahwa
efficiency of plating (EOP) dari strain C ke strain C adalah 1. Namun,
jika l yang diisolasi dari strain C digunakan untuk menginfeksi strain
K, maka nilai EOP-nya hanya 10-4. Artinya, hanya ditemukan l
progeni sebanyak 1/10.000 kali jumlah yang diinfeksikan. Sementara
itu, l yang diisolasi dari strain K mempunyai nilai EOP sebesar 1, baik
ketika direinfeksikan pada strain K maupun pada strain C. Hal ini
terjadi karena adanya sistem restriksi atau modifikasi (r/m) pada
strain K. Pada waktu bakteriofag l yang diisolasi dari strain C
diinfeksikan ke strain K, molekul DNAnya dirusak oleh enzim
endonuklease restriksi yang terdapat di dalam strain K. Di sisi lain,
untuk mencegah agar enzim ini tidak merusak DNAnya sendiri, strain
K juga mempunyai sistem modifikasi yang akan menyebabkan
metilasi beberapa basa pada sejumlah urutan tertentu yang
merupakan tempat-tempat pengenalan (recognition sites) bagi enzim
restriksi tersebut. DNA bakteriofag l yang mampu bertahan dari
perusakan oleh enzim restriksi pada siklus infeksi pertama akan
mengalami modifikasi dan memperoleh kekebalan terhadap enzim
restrisksi tersebut. Namun, kekebalan ini tidak diwariskan dan harus
dibuat pada setiap akhir putaran replikasi DNA. Dengan demikian,
bakteriofag l yang diinfeksikan dari strain K ke strain C dan
dikembalikan lagi ke strain K akan menjadi rentan terhadap enzim
restriksi. Metilasi hanya terjadi pada salah satu di antara kedua untai
molekul DNA.Berlangsungnya metilasi ini demikian cepatnya pada
tiap akhir replikasi hingga molekul DNA baru hasil replikasi tidak
akan sempat terpotong oleh enzim restriksi. Enzim restriksi dari
strain K telah diisolasi dan banyak dipelajari. Selanjutnya, enzim ini
dimasukkan ke dalam suatu kelompok enzim yang dinamakan enzim
restriksi tipe I. Banyak enzim serupa yang ditemukan kemudian pada
berbagai spesies bakteri lainnya. Pada tahun 1970 ditemukan enzim
pertama yang kemudian dimasukkan ke dalam kelompok enzim
restriksi lainnya, yaitu enzim restriksi tipe II. Ia mengisolasi enzim
tersebut dari bakteri Haemophilus influenzae strain Rd, dan sejak saat itu
ditemukan lebih dari 475 enzim restriksi tipe II dari berbagai spesies
dan strain bakteri. Semuanya sekarang telah menjadi salah satu
komponen utama dalam tata kerja rekayasa genetika. Enzim restriksi
tipe II antara lain mempunyai sifat-sifat umum yang penting sebagai
berikut:
1. Mengenali urutan tertentu sepanjang empat hingga tujuh pasang
basa di dalam molekul DNA
2. Memotong kedua untai molekul DNA di tempat tertentu pada
atau di dekat tempat pengenalannya
3. Menghasilkan fragmen-fragmen DNA dengan berbagai ukuran
dan urutan basa.
Sebagian besar enzim restriksi tipe II akan mengenali dan
memotong urutan pengenal yang mempunyai sumbu simetri rotasi.
Pemberian nama kepada enzim restriksi mengikuti aturan sebagai
berikut. Huruf pertama adalah huruf pertama nama genus bakteri
sumber isolasi enzim, sedangkan huruf kedua dan ketiga masingmasing adalah huruf pertama dan kedua nama petunjuk spesies
bakteri sumber tersebut. Huruf-huruf tambahan, jika ada, berasal dari
nama strain bakteri, dan angka romawi digunakan untuk
membedakan enzim yang berbeda tetapi diisolasi dari spesies yang
sama.
Tempat pemotongan pada kedua untai DNA sering kali
terpisah sejauh beberapa pasang basa. Pemotongan DNA dengan
tempat pemotongan semacam ini akan menghasilkan fragmenfragmen dengan ujung 5’ yang runcing karena masing-masing untai
tunggalnya menjadi tidak sama panjang. Dua fragmen DNA dengan
ujung yang runcing akan mudah disambungkan satu sama lain
sehingga ujung runcing sering pula disebut sebagai ujung lengket
(sticky end) atau ujung kohesif. Hal itu berbeda dengan enzim restriksi
seperti Hae III, yang mempunyai tempat pemotongan DNA pada
posisi yang sama. Kedua fragmen hasil pemotongannya akan
mempunyai ujung 5’ yang tumpul karena masing-masing untai
tunggalnya sama panjangnya. Fragmen-fragmen DNA dengan ujung
tumpul (blunt end) akan sulit untuk disambungkan. Biasanya
diperlukan perlakuan tambahan untuk menyatukan dua fragmen
DNA dengan ujung tumpul, misalnya pemberian molekul linker,
molekul adaptor, atau penambahan enzim deoksinukleotidil
transferase untuk menyintesis untai tunggal homopolimerik 3’.
Ligasi molekul DNA
Pemotongan DNA genomik dan DNA vektor menggunakan
enzim restriksi harus menghasilkan ujung-ujung potongan yang
kompatibel. Artinya, fragmen-fragmen DNA genomik nantinya harus
dapat disambungkan (diligasi) dengan DNA vektor yang sudah
berbentuk linier. Ada tiga cara yang dapat digunakan untuk meligasi
fragmen-fragmen DNA secara in vitro. Pertama, ligasi menggunakan
enzim DNA ligase dari bakteri. Kedua, ligasi menggunakan DNA
ligase dari sel-sel E. coli yang telah diinfeksi dengan bakteriofag T4
atau lazim disebut sebagai enzim T4 ligase. Jika cara yang pertama
hanya dapat digunakan untuk meligasi ujung-ujung lengket, cara yang
kedua dapat digunakan baik pada ujung lengket maupun pada ujung
tumpul. Sementara itu, cara yang ketiga telah disinggung di atas, yaitu
pemberian enzim deoksinukleotidil transferase untuk menyintesis
untai tunggal homopolimerik 3’. Dengan untai tunggal semacam ini
akan diperoleh ujung lengket buatan, yang selanjutnya dapat diligasi
menggunakan DNA ligase. Suhu optimum bagi aktivitas DNA ligase
sebenarnya 37ºC. Akan tetapi, pada suhu ini ikatan hidrogen yang
secara alami terbentuk di antara ujung-ujung lengket akan menjadi
tidak stabil dan kerusakan akibat panas akan terjadi pada tempat
ikatan tersebut. Oleh karena itu, ligasi biasanya dilakukan pada suhu
antara 4 dan 15ºC dengan waktu inkubasi (reaksi) yang diperpanjang
(sering kali hingga semalam). Pada reaksi ligasi antara fragmenfragmen DNA genomik dan DNA vektor, khususnya plasmid, dapat
terjadi peristiwa religasi atau ligasi sendiri sehingga plasmid yang telah
dilinierkan dengan enzim restriksi akan menjadi plasmid sirkuler
kembali. Hal ini jelas akan menurunkan efisiensi ligasi. Untuk
meningkatkan efisiensi ligasi dapat dilakukan beberapa cara, antara
lain penggunaan DNA dengan konsentrasi tinggi (lebih dari
100µg/ml), perlakuan dengan enzim alkalin fosfatase untuk
menghilangkan gugus fosfat dari ujung 5’ pada molekul DNA yang
telah terpotong, serta pemberian molekul linker, molekul adaptor,
atau penambahan enzim deoksinukleotidil transferase untuk
menyintesis untai tunggal homopolimerik 3’ seperti telah disebutkan
di atas.
Transformasi Sel Inang
Tahap berikutnya setelah ligasi adalah analisis terhadap hasil
pemotongan DNA genomik dan DNA vektor serta analisis hasil
ligasi molekul-molekul DNA tersebut. menggunakan teknik
elektroforesis (lihat Bab X). Jika hasil elektroforesis menunjukkan
bahwa fragmen-fragmen DNA genomik telah terligasi dengan baik
pada DNA vektor sehingga terbentuk molekul DNA rekombinan,
campuran reaksi ligasi dimasukkan ke dalam sel inang agar dapat
diperbanyak dengan cepat. Dengan sendirinya, di dalam campuran
reaksi tersebut selain terdapat molekul DNA rekombinan, juga ada
sejumlah fragmen DNA genomik dan DNA plasmid yang tidak
terligasi satu sama lain. Tahap memasukkan campuran reaksi ligasi ke
dalam sel inang ini dinamakan transformasi karena sel inang
diharapkan akan mengalami perubahan sifat tertentu setelah dimasuki
molekul DNA rekombinan. Teknik transformasi pertama kali
dikembangkan pada tahun 1970 oleh M. Mandel dan A. Higa, yang
melakukan transformasi bakteri E. coli. Sebelumnya, transformasi
pada beberapa spesies bakteri lainnya yang mempunyai sistem
transformasi alami seperti Bacillus subtilis telah dapat dilakukan.
Kemampuan transformasi B. subtilis pada waktu itu telah
dimanfaatkan untuk mengubah strain-strain auksotrof (tidak dapat
tumbuh pada medium minimal) menjadi prototrof (dapat tumbuh
pada medium minimal) dengan menggunakan preparasi DNA
genomik utuh. Baru beberapa waktu kemudian transformasi
dilakukan menggunakan perantara vektor, yang selanjutnya juga
dikembangkan pada transformasi E.coli. Hal terpenting yang
ditemukan oleh Mandel dan Higa adalah perlakuan kalsium klorid
(CaCl2) yang memungkinkan sel-sel E. coli untuk mengambil DNA
dari bakteriofag l. Pada tahun 1972 S.N. Cohen dan kawan-kawannya
menemukan bahwa sel-sel yang diperlakukan dengan CaCl2 dapat juga
mengambil DNA plasmid. Frekuensi transformasi tertinggi akan
diperoleh jika sel bakteri dan DNA dicampur di dalam larutan CaCl2
pada suhu 0 hingga 5ºC. Perlakuan kejut panas antara 37 dan 45ºC
selama lebih kurang satu menit yang diberikan setelah pencampuran
DNA dengan larutan CaCl2 tersebut dapat meningkatkan frekuensi
transformasi tetapi tidak terlalu esensial. Molekul DNA berukuran
besar lebih rendah efisiensi transformasinya daripada molekul DNA
kecil. Mekanisme transformasi belum sepenuhnya dapat dijelaskan.
Namun, setidak-tidaknya transformasi melibatkan tahap-tahap berikut
ini. Molekul CaCl2 akan menyebabkan sel-sel bakteri membengkak
dan membentuk sferoplas yang kehilangan protein periplasmiknya
sehingga dinding sel menjadi bocor. DNA yang ditambahkan ke
dalam campuran ini akan membentuk kompleks resisten DNase
dengan ion-ion Ca2+ yang terikat pada permukaan sel. Kompleks ini
kemudian diambil oleh sel selama perlakuan kejut panas diberikan.
Seleksi Transforman dan Seleksi Rekombinan
Oleh karena DNA yang dimasukkan ke dalam sel inang
bukan hanya DNA rekombinan, maka kita harus melakukan seleksi
untuk memilih sel inang transforman yang membawa DNA
rekombinan. Selanjutnya, di antara sel-sel transforman yang
membawa DNA rekombinan masih harus dilakukan seleksi untuk
mendapatkan sel yang DNA rekombinannya membawa fragmen
sisipan atau gen yang diinginkan. Pada dasarnya ada tiga kemungkinan
yang dapat terjadi setelah transformasi dilakukan, yaitu (1) sel inang
tidak dimasuki DNA apa pun atau berarti transformasi gagal, (2) sel
inang dimasuki vektor religasi atau berarti ligasi gagal, dan (3) sel
inang dimasuki vektor rekombinan dengan/tanpa fragmen sisipan
atau gen yang diinginkan. Untuk membedakan antara kemungkinan
pertama dan kedua dilihat perubahan sifat yang terjadi pada sel inang.
Jika sel inang memperlihatkan dua sifat marker vektor, maka dapat
dipastikan bahwa kemungkinan kedualah yang terjadi. Selanjutnya,
untuk membedakan antara kemungkinan kedua dan ketiga dilihat pula
perubahan sifat yang terjadi pada sel inang. Jika sel inang hanya
memperlihatkan salah satu sifat di antara kedua marker vektor, maka
dapat dipastikan bahwa kemungkinan ketigalah yang terjadi.
Seleksi sel rekombinan yang membawa fragmen yang
diinginkan dilakukan dengan mencari fragmen tersebut menggunakan
fragmen pelacak (probe), yang pembuatannya dilakukan secara in vitro
menggunakan teknik reaksi polimerisasi berantai atau polymerase chain
reaction (PCR). Penjelasan lebih rinci tentang teknik PCR dapat dilihat
pada Bab XII. Pelacakan fragmen yang diinginkan antara lain dapat
dilakukan melalui cara yang dinamakan hibridisasi koloni (lihat Bab
X). Koloni-koloni sel rekombinan ditransfer ke membran nilon,
dilisis agar isi selnya keluar, dibersihkan protein dan remukan sel
lainnya hingga tinggal tersisa DNAnya saja. Selanjutnya, dilakukan
fiksasi DNA dan perendaman di dalam larutan pelacak. Posisi-posisi
DNA yang terhibridisasi oleh fragmen pelacak dicocokkan dengan
posisi koloni pada kultur awal (master plate). Dengan demikian, kita
bisa menentukan koloni-koloni sel rekombinan yang membawa
fragmen yang diinginkan.
Gambar 17. Teknik rekombinan DNA
Teknologi yang dikenal sebagai teknologi DNA rekombinan
merupakan suatu upaya perbanyakan gen tertentu di dalam suatu sel
lain atau lebih dikenal dengan kloning gen, sehingga dalam hal ini
terjadi pembentukan kombinasi materi genetik yang baru dengan
menyisipkan molekul DNA ke dalam suatu vektor sehingga
memungkinkannya untuk terintegrasi dan mengalami perbanyakan di
dalam suatu sel organisme lain yang berperan sebagai sel inang.
Dalam hal ini perlu dilakukan beberapa teknik yaitu teknik isolasi
DNA, teknik pemutusan DNA dengan menggunakan enzim retriksi
endonuklease, teknik penyambungan DNA dan teknik pemasukan
DNA ke dalam sel lain. Dalam penggunaan DNA rekombinan ini
memungkinkan didapatkannya produk dengan gen tertentu dalam
waktu yang lebih cepat dan dalam jumlah yang besar daripada
perlakuan secara konvensional.
Dalam perlakuan dengan menggunakan DNA rekombinan ini
dilakukan beberapa tahapan yang tercakup semua teknik di atas:
1. Isolasi DNA yang diawali dengan melakukan perusakan serta
penghilangan dinding sel. Dalam proses ini dapat dilakukan secara
mekanis ataupun dengan cara enzimatis. Setelah perusakan sel
telah dilakukan, langkah selanjutnya adalah pelisisan sel hal ini
dapat dilakukan dengan menggunakan buffer nonosmotik, serta
deterjen yang kuat seperti triton X-100 atau dengan sodium
dodesil sulfat (SDS). Remukan sel yang diakibatkan oleh lisisnya
sel dibuang dengan melakukan sentrifugasi sehingga bisa
dibedakan antara bagian yang rusak serta organel target. Yang
pada akhirnya didapatlkan DNA yang nantinya dilakukan
pemurnian dengan penambahan amonium asetat dan alkohol.
Teknik isolasi DNA ini dapat diaplikasikan untuk DNA genomik
maupun DNA vektor, khususnya plasmid. Plasmid pada
umumnya berada dalam struktur tersier yang sangat kuat atau
dikatakan mempunyai bentuk covalently closed circular sedangkan
DNA kromosom ikatan antara kedua untaiannya lebih longgar.
Hal ini akan menyebabkan DNA plasmid lebih rentan terhadap
terjadinya denaturasi protein apabila dibandingkan dengan DNA
kromosom. Tahap kedua dalam kloning gen adalah pemotongan
molekul DNA, baik genomik maupun plasmid. Perkembangan
teknik pemotongan DNA berawal dari saat ditemukannya sistem
restriksi dan modifikasi DNA pada bakteri E. coli, yang berkaitan
dengan infeksi virus atau bakteriofag lambda. Virus l digunakan
untuk menginfeksi dua strain E. coli, yakni strain K dan C. Jika l
yang telah menginfeksi strain C diisolasi dari strain tersebut dan
kemudian digunakan untuk mereinfeksi strain C, maka akan
diperoleh l progeni (keturunan) yang lebih kurang sama
banyaknya dengan jumlah yang diperoleh dari infeksi pertama.
Dalam hal ini, dikatakan bahwa efficiency of plating (EOP) dari strain
C ke strain C adalah 1. Namun, jika l yang diisolasi dari strain C
digunakan untuk menginfeksi strain K, maka nilai EOP-nya
hanya 10-4. Artinya, hanya ditemukan l progeni sebanyak 1/10.000
kali jumlah yang diinfeksikan. Sementara itu, l yang diisolasi dari
strain K mempunyai nilai EOP sebesar 1, baik ketika
direinfeksikan pada strain K maupun pada strain C. Hal ini terjadi
karena adanya sistem restriksi/modifikasi (r/m) pada strain K.
2. Selanjutnya adalah pemotongan DNA dengan menggunakan
enzim restriksi endonuklease. Pemutusan ini dilakukan di dalam
strain tertentu yang bertujuan untuk mencegah agar tidak merusak
DNA. Selain itu strain tersebut juga mempunyai suatu sistem
modifikasi yang menyebabkan pemutusan basa pada urutan
tertentu yang merupakan recognition sites bagi enzim restriksi
tersebut. Pemotongan DNA genomik dan DNA vektor dengan
menggunakan enzim restriksi ini harus menghasilkan ujung-ujung
potongan yang kompatibel dalam arti setiap fragmen DNAnya
harus dapat disambungkan dengan DNA vektor yang sudah
berbentuk linier.
3. Tahap penyambungan DNA terdapat beberapa cara, yaitu
penyambungan dengan menggunakan enzim DNA ligase dari
bakteri, penyambungan dengan menggunakan DNA ligase dari sel
E. coli yang telah diinfeksi dengan bakteriofag T4 atau sering
disebut dengan enzim T4 ligase. Serta dengan pemberian enzim
deoksinukleotidil transferase untuk menyintesis untai tunggal
homopolimerik 3’. Dengan untai tunggal semacam ini akan
diperoleh ujung lengket buatan, yang selanjutnya dapat diligasi
menggunakan DNA ligase. Aktiviotas enzim ini berada pada suhu
37 ºC. namun, proses penyambungan biasa dilakukan pada suhu 4
dan 15ºC.
4. Tahap berikutnya adalah analisa terhadap hasil pemotongan DNA
genomik dan DNA vektor serta analisis hasil ligasi molekulmolekul DNA dengan menggunakan teknik elektroforesis. Hasil
dari penyambungan ini dimasukkan ke dalam sel inang agar dapat
diperbanyak dengan cepat. Dalam hal ini pada campuran reaksi
tersebut selain terdapat molekul DNA rekombinan, juga ada
sejumlah fragmen DNA genomik dan DNA plasmid yang tidak
terligasi satu sama lain. Tahap memasukkan campuran reaksi
ligasi ke dalam sel inang ini dinamakan transformasi. Sehingga
diharapkan sel inang mengalami perubahan sifat tertentu setelah
dimasuki molekul DNA rekombinan.
5. Tahap selanjutnya adalah seleksi transforman dan seleksi
rekombinan. Cara seleksi sel transforman akan diuraikan lebih
rinci pada penjelasan tentang plasmid. Pada dasarnya ada tiga
kemungkinan yang dapat terjadi setelah transformasi dilakukan,
yaitu sel inang tidak dimasuki DNA apa pun atau berarti
transformasi gagal,sel inang dimasuki vektor religasi atau berarti
ligasi gagal, dan sel inang dimasuki vektor rekombinan dengan
atau tanpa fragmen sisipan atau gen yang diinginkan. Untuk
membedakan antara kemungkinan pertama dan kedua dilihat
perubahan sifat yang terjadi pada sel inang. Jika sel inang
memperlihatkan dua sifat marker vektor, maka dapat dipastikan
bahwa kemungkinan kedualah yang terjadi. Seleksi sel
rekombinan yang membawa fragmen yang diinginkan dilakukan
dengan mencari fragmen tersebut menggunakan fragmen pelacak
yang pembuatannya dilakukan secara in vitro menggunakan teknik
reaksi polimerisasi berantai atau polymerase chain reaction .
Gambar 18. Teknik Rekombinasi DNA
Rekombinasi memiliki tiga mekanisme dasar dalam menjalani
prosesnya. Yaitu transformasi, konjugasi dan transduksi.
Transformasi merupakan transfer DNA telanjang yang umumnya
berasal dari satu sel bakteri ke dalam sel yang berbeda. Prosesnya
adalah ketika sebuah sel bakteri pecah atau lisis maka DNA sirkular
akan terlepas ke lingkungan. Efisiensi transformasi bergantung pada
kompetensi sel. Konjugasi merupakan pemindahan materi genetik
berupa plasmid secara langsung melalui kontak sel dengan
membentuk struktur seperti jembatan diantara dua sel bakteri yang
berdekatan. Umumnya terjadi pada bakteri gram negatif. Sedangkan
transduksi merupakan transfer materi genetik dari satu bakteri ke
bakteri lainnya dengan menggunakan virus bakteri sebagai vektor.
Transfer ini menggunakan prinsip dasar dari galur donor yang
menyediakan DNA bagi galur resipien. Perbedaan utamanya dengan
transfer DNA lainnya adalah DNA ditransfer melalui perantaraan
bakteriofag. Terdapat beberapa jenis teknologi rekombinasi yang
sedang berkembang saat ini, diantaranya adalah:
1.
Homologous recombination
Meningkatkan keragaman
Menjaga integritas genome (DNA repair)
2. Site-specific recombination
Termasuk non homolog bagian DNA rekombinasi di bagian
spesifik.
Fragmen DNA bergabung kembali untuk membuat
kombinasi baru
Fragmen yang menyediakan lokasi tertentu dimana akan
terjadinya rekombinasi dan integrasi genom virus
Immunoglobulin gen DNA splicing
3. Transposition
Bagian terkecil DNA (transposons) yang dapat bergerak
sendiri untuk beberapa lokasi dalam kromosom inang DNA.
Integrasi segmen kecil dari DNA ke dalam kromosom
Terjadi di lokasi yang berbeda dalam genom segmen DNA.
Gen Imunoglobulin dirakit dengan rekombinasi
Contoh yang penting dari peristiwa rekombinasi terprogram
yang terjadi selama perkembangan adalah generasi gen Imunoglobulin
dari segmen gen yang dipisahkan pada genome. Imunoglobulin (atau
antibody), diproduksi oleh B lymphocytes, merupakan prajurit darin
sistem imun vertebrata-molekul yang berikatan dengan agen menular
dan semua substansi asing bagi organisme. Mamalia seperti manusia
mampu meproduksi jutaan antibody dengan perbedaan ikatan khusus.
Namun, genom manusia mengandung hanya 100.000 gen.
rekombinasi membiarkan organisme untuk memproduksi perbedaan
yang luar biasa dari sejumlah kecil kapsitas DNA-coking. Vertebrata
umumnya memproduksi kelas ganda immunoglobulin. Untuk
mengilustrasikan bagaimana keanekaragaman antibody digenerisasi,
kami akan fokus pada kelas immunoglobulin (IgG) pada manusia.
Imunoglobulin terdiri atas dua cincin polipeptida berat dan dua cincin
polipeptida ringan, masing-masing cincin memiliki daerah tidak tetap
dengan susunan yang sangat berbeda dari satu immunoglobulin
dengan immunoglobulin yang lainnya. Ada dua family berbeda dari
cincin polipeptida ringan, yaitu kappa dan lambda, yang bebeda pada
susunan daerah konstannya. Masing-masing dari tiga tipe cincin
polipeptida tersebut (cincin berat, cincin ringan kappa, dan lambda),
perbedaan dari daerah variablenya digenerasi dengan mekanisme yang
sama. Gen untuk polipeptida ini dibagi menjadi segmen dan tandan
yang mengandung versi ganda dari masing-masing segmen yang ada
pada genom. Satu versi dari masing-masing segmen digabungkan
untuk membentuk gen lengkap.
Organisasi DNA yang mengkode cincin ringan kappa IgG
manusia dan proses yang mana cincin ringan kappa dewasa digenerasi
ditunjukan oleh GB 24-38b. sel yang tidak terdiferensiasi, informasi
yang dikode untuk cincin polipeptida ini dipisahkan menjadi tiga
segmen. Segmen V (variable)mengkode residu 95 pasangan basa
wilayah variable, segmen J (joining) mengkode residu 12 asam amino
wilayah variable berikutnya, dan segmen C mengkode wilayah
konstan. Ada sekitar 300 segmen V berbeda , 4 segmen J berbeda,
dan 1 segmen C. seperti pada sel batang (stem)tulang sumsum
membedakan untuk membentuk B limposit dewasa, satu V dan satu J
dibawa secara bersama-sama oleh rekombinasi tempat khusus. Ini
merupakan delesi DNA yang deprogram secara efektif, dan DNA
yang terlibat dibuang. Ada 300x 4=1200 kemungkinan kombinasi.
Proses rekombinasi tidaklah senyata rekombinasi tempat khusus
seperti yang dijelaskan sebelumnya, dan beberapa variasi kombinasi
terjadi pada susunan persimpangan V-J yang menambahkan faktor
sekurangnya 2.5 pada total variasi yang mungkin, sehingga sekitar 2.5
x 1200 = 3000 kombinasi V-J yang berbeda dapat digenerasi.
Penggabungan akhir kombinasi V-Jke wilayah C diselesaikan dengan
reaksi penyambungan RNa setelah transkripsi. Penyambungan RNA
akan dijelaskan pada bab berikutnya. Gen untuk cincin berat dan
lambda cinicn ringan dibentuk secara sama. Pada cincin berat, ada
lebuh banyak segmen gen dan lebih dari 5000 kemungkinan
kombinasi. Karena semua cincin berat dapat berkombinasi dengan
semua cincin ringan untuk mengenerasi immunoglobulin, ada
sekurangnya 3000 x 5000 atau 1.5 x 107 kemungkinan IgG.
Keberagaman lainnya digenerasi karena susunan V diperlakukan pada
mutasi tinggi (mekanisme yang tidak diketahui) selama diferensiasi Blimposit. Masing-masing B-limposit dewasa memproduksi hanya satu
antibody, tetapi cakupan antibody yang diproduksi oleh sel yang
berbeda sangat banyak. Enzim yang mengkatalisasi penyusunan
kembali gen ini belum diisolasi , tetapi susunan yng mengkoreksi
proses penggabungan V-J yang sepertinya disadari oleh enzim yang
telah teridentifikasi ini. Proses rekombinasi ini membantu untuk
mengilustrasikan prinsip bahwa rekombinasi tidak menghancurkan
material genetic yang dipelihara oleh proses replikasi dan perbaikan.
di sini kita bisa lihat proses penyusunan yang nyata yang terjadi hanya
pada sel-sel khususnya (germ-line DNA tidak tipengaruhi) dan
memungkinkan organisme lebih efisien menggunakan sumber
informasi genetik.
KUIS
1. Menurut saudara mungkinkah menitipkan gen manusia pada
tumbuhan? Jelaskan!
2. Menurut saudara mungkinkah menitipkan gen tumbuhan
pada manusia? Jelaskan!
3. Mengapa perkawinan antar spesies jarang menghasilkan
keturunan dan jika berhasil menghasilkan keturunan
umumnya steril?
4. Mengapa rekombinasi antara sel tumor dan sel sel B
diperlukan untuk memperoleh antibodi?
5. Jelaskan mengapa crossing over sangan penting pada terjadinya
proses rekombinasi?
BAB II
GENETIKA POPULASI
Genetika Populasi
Genetika populasi adalah bidang biologi yang mempelajari
komposisi genetik populasi biologi, dan perubahan dalam komposisi
genetik yang dihasilkan dari pengaruh berbagai faktor, termasuk
seleksi alam. Genetika populasi mengejar tujuan mereka dengan
mengembangkan model matematis abstrak dinamika frekuensi gen,
mencoba untuk mengambil kesimpulan dari model-model tentang
pola-pola kemungkinan variasi genetik dalam populasi yang
sebenarnya, dan menguji kesimpulan terhadap data empiris. Genetika
populasi terikat erat dengan studi tentang evolusi dan seleksi alam,
dan sering dianggap sebagai landasan teori Darwinisme modern. Ini
karena seleksi alam merupakan salah satu faktor yang paling penting
yang dapat mempengaruhi komposisi genetik populasi. Seleksi alam
terjadi ketika beberapa varian dalam populasi-out mereproduksi
varian lainnya, sebagai akibat karena lebih disesuaikan dengan
lingkungan, atau 'yang lebih cocok'. Menganggap perbedaan
kebugaran setidaknya sebagian karena perbedaan genetik, ini akan
menyebabkan makeup genetik populasi yang akan diubah dari waktu
ke waktu. Dengan mempelajari model formal perubahan frekuensi
gen, genetika populasi oleh karena itu berharap untuk menjelaskan
proses evolusi, dan untuk memungkinkan konsekuensi dari hipotesis
evolusi yang berbeda yang dapat dieksplorasi dalam cara yang tepat
secara kuantitatif. Seiring dengan pesatnya kemajuan teknologi di
bidang biologi molekuler, aspek-aspek ilmu genetika juga mengalami
perkembangan yang sangat pesat. Aspek yang dimaksud masuk ke
dalam ranah ilmu genetika yaitu clasical genetics, molecular genetics
dan population genetics. Quantitative genetics yang membahas secara
mendalam berbagai macam sifat kuantitatif seperti tinggi badan, berat
badan, IQ, kepekaan terhadap penyakit, dan sebaginya masuk ke
dalam ilmu population genetics. Ilmu population genetics pula yang
mendukung teori evolusi yang dikemukaan oleh Charles Darwin 150
tahun lalu. Ilmu ini menggunakan berbagai macam pendekatan
statistik untuk membuktikan, menjelaskan atau mendeteksi adanya
perubahan organisme dalam lingkungan oleh sebab adanya dorongan
evolusi (evolutionary force). Dari sinilah lahir istilah Neo-Darwinism
Dalam Neo-Darwinism, evolusi dideskripsikan sebagai perubahan
frekuensi alel yang ada dalam populasi di tempat dan waktu tertentu
oleh sebab adanya evolutionary force. Evolutionary force yang
dimaksud di sini terdiri dari (1) Mutation, sebagai the building block
of evolution, ia cenderung meningkatkan variasi genetis atau
frekuensi alel yang menjadi subyek seleksi alam; (2) Natural Selection,
terdiri dari directional selection, stabilizing selection dan disruptive
selection; (3) random genetic drift, yang cenderung menekan variasi
genetis; (4) Non-random mating yang meningkatkan homozigositas
fenotip tanpa mempengaruhi frekuensi alel; (5) migration, yang
mendorong kesamaan frekuensi alel antar populasi yang berbeda.
Untuk mempelajari pola pewarisan sifat pada tingkat populasi terlebih
dahulu perlu difahami pengertian populasi dalam arti genetika atau
lazim disebut juga populasi Mendelian. Populasi mendelian ialah
sekelompok individu suatu spesies yang bereproduksi secara seksual,
hidup di tempat tertentu pada saat yang sama, dan di antara mereka
terjadi perkawinan (interbreeding) sehingga masing-masing akan
memberikan kontribusi genetik ke dalam lungkang gen (gene pool),
yaitu sekumpulan informasi genetik yang dibawa oleh semua individu
di dalam populasi. Deskripsi susunan genetik suatu populasi
mendelian dapat diperoleh apabila kita mengetahui macam genotipe
yang ada dan juga banyaknya masing-masing genotipe tersebut.
Sebagai contoh, di dalam populasi tertentu terdapat tiga macam
genotipe, yaitu AA, Aa, dan aa. Maka, proporsi atau persentase
genotipe AA, Aa, dan aa akan menggambarkan susunan genetik
populasi tempat mereka berada. Adapun nilai proporsi atau
persentase genotipe tersebut dikenal dengan istilah frekuensi
genotipe. Jadi, frekuensi genotipe dapat dikatakan sebagai proporsi
atau persentase genotipe tertentu di dalam suatu populasi. Dengan
perkataan lain, dapat juga didefinisikan bahwa frekuensi genotipe
adalah proporsi atau persentase individu di dalam suatu populasi yang
tergolong ke dalam genotipe tertentu. Pada contoh di atas jika
banyaknya genotipe AA, Aa, dan aa masing-masing 30, 50, dan 20
individu, maka frekuensi genotipe AA = 0,30 (30%), Aa = 0,50
(50%), dan aa = 0,20 (20%).
Frekuensi Alel
Di samping dengan melihat macam dan jumlah genotipenya,
susunan genetik suatu populasi dapat juga dideskripsi atas dasar
keberadaan gennya. Hal ini karena populasi dalam arti genetika,
seperti telah dikatakan di atas, bukan sekedar kumpulan individu,
melainkan kumpulan individu yang dapat melangsungkan perkawinan
sehingga terjadi transmisi gen dari generasi ke generasi. Dalam proses
transmisi ini, genotipe tetua (parental) akan dibongkar dan dirakit
kembali menjadi genotipe keturunannya melalui segregasi dan
rekombinasi gen-gen yang dibawa oleh tiap gamet yang terbentuk,
sementara gen-gen itu sendiri akan mengalami kesinambungan
(kontinyuitas). Dengan demikian, deskripsi susunan genetik populasi
dilihat dari gen-gen yang terdapat di dalamnya sebenarnya justru lebih
bermakna
bila
dibandingkan
dengan
tinjauan
dari
genotipenya.Susunan genetik suatu populasi ditinjau dari gen-gen
yang ada dinyatakan sebagai frekuensi gen, atau disebut juga frekuensi
alel, yaitu proporsi atau persentase alel tertentu pada suatu lokus. Pola
pewarisan suatu sifat tidak selalu dapat dipelajari melalui percobaan
persilangan buatan. Pada tanaman keras atau hewan-hewan dengan
daur hidup panjang seperti gajah, misalnya, suatu persilangan baru
akan memberikan hasil yang dapat dianalisis setelah kurun waktu yang
sangat lama. Demikian pula, untuk mempelajari pola pewarisan sifat
tertentu pada manusia jelas tidak mungkin dilakukan percobaan
persilangan. Pola pewarisan sifat pada organisme-organisme semacam
itu harus dianalisis menggunakan data hasil pengamatan langsung
pada populasi yang ada. Seluk-beluk pewarisan sifat pada tingkat
populasi dipelajari pada cabang genetika yang disebut genetika
populasi.
Genetika populasi mempunyai cakupan yang sangat luas
karena melibatkan populasi suatu biotik dan abiotik. Dalam
pembahasan masalah genetika populasi ekosistem menjadi tinjaun
penting yang akan menghubungkan terjadinya perubahan suatu
populasi akibat adanya adaptasi bahkan suatu mutasi dalam kerangka
konsep evolusi. Sebagai gambran bahwa semua variasi di dalam tapak
hutan terbentuk sebagai hasil kekuatan alami. Hal itu tersedia untuk
digunakan rimbawan jika dapat dikenali dan dikemas ke dalam
individu pohon dalam wujud peningkatan genotip. Sumber terakhir
dari semua variabilitas adalah mutasi. Sebagai tambahan variabilitas
yang ditemukan pada tapak alami, manusia dapat menghilangkan dan
menciptakan baik variabilitas baru maupun membentuk bersamasama genotypes untuk menciptakan kombinasi genetik baru dan
bermanfaat. Walaupun variasi di dalam hutan saat ini merupakan hasil
kekuatan alami di mana rimbawan hanya mempunyai sedikit kendali,
adalah penting untuk memahami kekuatan ini. Rimbawan
menentukan jumlah dan macam variasi genetik ditemukan antar dan
di dalam populasi. Bentuk kekuatan ini dasar untuk area spesiasi yang
khusus dan mencakup kejadian evolusi. Di dalam terminologi yang
paling sederhana, variabilitas di dalam tapak alami disebabkan oleh
empat faktor utama. Dua faktor akan menyebabkan terjadinya
peningkatan variasi dan dua yang menurunkan. Kekuatan secara alami
aktif untuk meningkatkan variasi adalah mutasi dan gene flow
sedangkan yang menurunkan adalah seleksi alami dan genetik drift.
Kekuatan yang bekerja digambarkan secara sistimatik.
Mutasi
Mutasi merupakan sumber variasi yang terakhir. Suatu mutasi
adalah suatu perubahan turun temurun di dalam konstitusi Genetik
dari suatu organisma, pada umumnya di tingkat gen. Sejak total
genetik diperbaiki pada suatu pohon (genotypenya) ditentukan oleh
tindakan dan interaksi beribu-ribu kombinasi allelic dan genic, mutasi
dapat terjadi di suatu tempat dalam suatu organisma dengan
frekwensi patut dipertimbangkan, tetapi ini tidak akan sering terjadi
untuk gen spesifik dan gen lain yang kompleks atau untuk
memberikan karakteristik pohon. Walaupun membicarakan tentang
frekwensi mutasi nyata jumlah tak lain hanya suatu praktek akademis,
sebab mereka sangat bertukar-tukar oleh jenis dan loci di dalam jenis,
suatu figur umum sering dikutip adalah 1 dalam 10,000 sampai 1
dalam 100,000 gen. Ketika seseorang mempertimbangkan bahwa
pohon mempunyai sepuluh ribu gen, biasa untuk pohon tunggal
mempunyai beberapa mutasi. Kebanyakan tersimpan dan hanya
mempunyai sedikit efek pada phenotype pohon itu. Mutasi terjadi
kurang lebih secara acak. Kebanyakan mutasi adalah mengganggu,
dan banyak yang hilang dari populasi itu. Melewati waktu, kekuatan
evolusi sudah membuat banyak populasi yang baik menyesuaikan diri
dengan lingkungan, dengan gen dan gen kompleks populasi yang
lebih sesuai untuk pertumbuhan dan reproduksi. Kesempatan mutasi
acak akan meningkatkan sistem koordinasi yang baik adalah sangat
kecil. Ada sejumlah kekuatan yang mengubah pola variasi dalam
populasi. Meningkat dengan mutasi dan gene flow dan yang dikurangi
oleh seleksi alami dan genetik drift. Beberapa Mutasi tertahan dalam
populasi, sungguhpun merupakan gangguan, sebab mereka dari type
yang resesif dan tidaklah dapat ditemukan atau dikenali kecuali jika
terbentuk homozygous. Nilai mutasi macam ini tidak mungkin yang
diketahui. Mungkin hanya menjadi penting kemudian ketika kekuatan
berbeda mempengaruhi lingkungan dan mutasi yang tadinya sia-sia,
membuat pohon lebih cocok untuk tumbuh dan atau bereproduksi.
Mutasi netral atau resesif ini tidak secara normal mengganggu suatu
sistem genetik terintegrasi seperti akan suatu yang dominan. Oleh
karena itu, mereka dapat terbawa sepanjang populasi untuk banyak
generasi. Walaupun mutasi mungkin kecil dan jarang, akan
menghasilkan variasi yang mungkin membuat suatu pohon dapat
menyesuaikan diri seperti pada perubahan lingkungan. Gene flow (
Migrasi Gen). Tindakan lain dalam suatu populasi yang meningkatkan
variasi disebut gen flow, migrasi alleles dari satu populasi atau spesies
lain dimana mereka mungkin hadir atau pada suatu frekwensi
berbeda. Gen flow dapat diakibatkan oleh beberapa penyebab, tetapi
yang paling umum adalah bergeraknya pollen atau benih. Adakalanya,
arus gen atau perpindahan gen berlangsung pada tingkatan spesies
melalui suatu proses yang disebut introgression bahwa kadang-kadang
terjadi antara dua jenis setelah hybridisasi. Hybridisasi membawa
bersama-sama dua kompleks genetik parental berlainan, dengan
begitu menciptakan suatu genotip baru. Organisma baru ini mungkin
tidak dengan baik menyesuaikan diri dengan bersaing dengan jenis
parental, tetapi kadang-kadang itu akan ditemukan suatu "relung"
lingkungan itu khususnya cocok dan itu memungkinkan genotype
baru untuk tumbuh dan bereproduksi. Sebab genotype yang baru
adalah jarang, atau salah satu dari suatu bentuk, pada umumnya
pertukaran gen dengan salah satu parent untuk menghasilkan suatu
backcross untuk salah satu jenis parental itu. Setelah proses ini terjadi
beberapa kali, menghasilkan populasi pohon serupa dengan parental
asli, walaupun mereka akan berisi beberapa gen atau gen kompleks
yang ditransfer dari satu jenis parental kepada yang lain. Konsep gen
flow dapat digunakan pada program breeding . Sebagai contoh, Pinus
Jeffreyi adalah suatu bentuk yang baik jenis peka kepada kumbang
penggerek reproduksi cemara. Pinus Coulteri, pada sisi lain,
mempunyai bentuk lebih miskin sebab kulit batangnya lebih tebal,
hambatan kepada kumbang penggerek itu. Jika kita menciptakan
suatu persilangan P. Coulteri x P. Jeffreyi dan kemudian backcross
untuk P. Jeffreyi beberapa kali dan memilih individu yang paling
diinginkan, suatu pohon yang adalah serupa ke Pinus Jeffrey dapat
diproduksi bahwa masih membawa resistensi kumbang penggerek
patut dipertimbangkan. Gen yang kompleks untuk kulit batang lebih
tebal ditransfer dari Pinus Coulteri ke Pinus Jeffrey. Gen flow dapat
menjadi penting dalam populasi alami, dan akan merubah perbedaan
dalam bentuk variasi. Gen flow bersama dengan rekombinasi adalah
sumber yang segera meningkatkan bentuk variasi dalam banyak
populasi, sungguhpun sumber variasi yang terakhir adalah mutasi.
Seleksi
Seleksi alami adalah suatu kekuatan kuat yang pada umumnya
mengurangi variabilitas. Sebab menentukan pohon yang akan tumbuh
dan bereproduksi, mempunyai suatu directional (nonrandom)
mempengaruhi perbaikan genetik pohon dalam suatu populasi.
Seleksi alami menyokong fittest, kombinasi gen membuat lebih cocok
untuk tumbuh dan bereproduksi pada lingkungan yang ditentukan.
Seleksi alami memelihara dan mengakibatkan suatu peningkatan
dibanyak genotypes yang paling cocok untuk suatu lingkungan
spesifik. Walaupun seperti umumnya proses yang mengurangi
variabilitas, seleksi alami dapat benar-benar memelihara atau
meningkatkan variasi jika seleksi menyokong heterozygotes. Apakah
seleksi alami bekerja untuk menyokong heterozygotes (memelihara
variabilitas) atau homozygotes (mengurangi variabilitas) sekarang ini
suatu topik patut dipertimbangkan walaupun kebanyakan ahli
genetika berpikir bahwa seleksi bekerja mengurangi variasi dengan
kebaikan alleles terbaik dalam suatu kondisi homozygous. Sering
sukar untuk menilai efek seleksi sebab sangat banyak faktor terlibat
dalam penentuan pohon yang terbaik dicoba untuk tumbuh dan
bereproduksi. Masing-Masing karakteristik baik mempunyai nilai
seleksi sendiri, dan adaptasi yang diciptakan oleh satu faktor positif
lain atau dengan mengurangi pengaruh yang lain. Secara umum,
seleksi alami dianggap sebagai suatu kekuatan kuat untuk mengurangi
variabilitas di dalam suatu populasi dalam arah yang ditentukan.
Genetic Drift
Genetik drift adalah suatu mekanisme kompleks yang
beroperasi melalui fluktuasi kesempatan (maupun fluktuasi yang
disebabkan tekanan seleksi) dalam frekwensi allele di dalam suatu
populasi. Sangat penting suatu peristiwa sampling dimana frekwensi
gen populasi keturunan kebetulan menyimpang dari yang ditemukan
pada populasi parental. Dengan demikian populasi hampir selalu kecil
dan mempunyai suatu kecenderungan ke arah maksud mendalam atau
hilangnya suatu allele yang mempengaruhi suatu karakteristik. Seperti
Genetik drift cenderung mengurangi variasi dengan perbaikan atau
kehilangan alleles. Genetik drift adalah bukanlah arah dan cenderung
menciptakan "kekacauan" gen atau alleles diperbaiki atau hilang
dengan cepat pada suatu kesempatan. Walaupun teori Genetik drift
adalah masuk akal, operasinya sukar untuk membuktikan dengan
pohon berumur panjang dan banyak pertimbangan dapat dikutip
mengapa tidak bisa menjadi suatu faktor di dalam variasi pohon
hutan yang alami. Tetapi di samping keberatan ini, beberapa tapak
alami menunjukkan bentuk variasi yang bisa menjadi hasil genetik
drift jika terlaksana. Genetik drift pada umumnya sangat penting
dalam breeding populasi kecil barangkali 25 atau lebih sedikit
individu, suatu situasi yang sering terjadi dalam kehutanan dalam
kaitan catastrophies alami atau pengaruh manusia. Perkembangan
teknik molekuler seperti penemuan teknik Polymerase Chain Reaction
(PCR) yang mampu mengamplifikasi untai DNA hingga mencapai
konsentrasi tertentu, penggunaan untai DNA lestari sebagai marker
dalam proses PCR, penemuan lokus mikrosatelit yang hipervariabel,
dan penemuan metode sekuensing DNA, telah menyebabkan ilmu
genetik molekuler mempunyai pengaruh yang sangat besar dalam
studi biologi suatu populasi. Terobosan-terobosan ini, bersamaan
dengan berkembangnya teknik pemodelan matematika melalui
program-program komputer, telah mempermudah para peneliti untuk
mendapatkan data genetik suatu populasi yang sangat berguna dalam
merancang program konservasi suatu spesies tertentu. Penerapan
studi genetik dalam permasalahan konservasi didasari oleh teori
genetika populasi. Genetika populasi merupakan salah satu cabang
ilmu biologi populasi yang mempelajari tentang faktor-faktor yang
menentukan komposisi genetik suatu populasi dan bagaimana faktorfaktor tersebut berperan dalam proses evolusi. Genetika populasi juga
meliputi studi terhadap berbagai faktor yang membentuk struktur
genetik suatu populasi dan menyebabkan perubahan-perubahan
evolusioner suatu spesies sepanjang waktu. Terdapat beberapa faktor
yang sangat berperan dalam kejadian evolusi pada suatu populasi,
yaitu mutasi, rekombinasi, seleksi alam, genetic drift, gene flow, dan
perkawinan yang tidak acak. Faktor-faktor tersebut akan
memepengaruhi keragaman genetik pada suatu populasi. Prinsip
utama dalam genetik populasi adalah prinsip Hardy-Weinberg.
Prinsip Hardy-Weinberg menduga bahwa, dalam kondisi tertentu,
frekuensi alel dan genotipe akan tetap konstan dalam suatu populasi,
dan keduanya saling berhubungan satu sama lain. Kondisi-kondisi
tertentu yang dimaksud dalam prinsip Hardy-Weinberg ini meliputi :
1) kawin secara seksual dan acak, 2) tidak ada seleksi alam, 3) kejadian
mutasi diabaikan, 4) tidak ada individu yang masuk atau keluar dari
suatu populasi, dan 5) ukuran populasi yang cukup besar. Jika
kondisi-kondisi ini terpenuhi oleh suatu populasi, maka populasi
tersebut disebut sebagai populasi yang berada dalam keseimbangan
Hardy-Weinberg (Hardy-Weinberg Equilibrium). Penyimpangan dari
keseimbangan Hardy-Weinberg ini merupakan dasar untuk
mendeteksi kejadian inbreeding, fragmentasi populasi, migrasi, dan
seleksi.
Memahami dan mempertahankan keragaman genetik suatu
populasi sangat penting dalam konservasi karena keragaman genetik
yang tinggi akan sangat membantu suatu populasi beradaptasi
terhadap perubahan-perubahan yang terjadi di lingkungan sekitarnya,
termasuk mampu beradaptasi terhadap penyakit-penyakit yang ada di
alam. Sebagai contoh, suatu populasi dengan keragaman genetik yang
rendah dapat kita umpamakan sebagai suatu kelompok individu yang
saling bersaudara satu sama lain. Sehingga dalam jangka panjang,
perkawinan yang terjadi di dalam kelompok tersebut akan merupakan
perkawinan antar saudara (inbreeding). Kejadian inbreeding ini akan
menyebabkan penurunan kualitas reproduksi dan menyebabkan suatu
individu menjadi sensitif terhadap patogen. Dengan mengetahui
status genetik suatu populasi, kita dapat merancang program
konservasi untuk menghindari kepunahan suatu spesies. Misalnya
dengan memasukkan individu baru yang berasal dari populasi yang
memiliki keragaman genetik yang tinggi ke dalam populasi dengan
keragaman genetik yang rendah (istilahnya : memasukkan darah baru
atau darah segar ke dalam suatu populasi) untuk menghindari
kejadian inbreeding. Atau tindakan-tindakan konservasi lainnya seperti
menjadikan wilayah yang dihuni oleh populasi spesies dengan
keragaman genetik yang tinggi sebagai taman nasional? (Ahli
manajemen konservasi tentu lebih paham tentang hal ini). Segala
usaha yang dilakukan tetap memiliki tujuan yang sama, yaitu untuk
mempertahankan keragaman genetik pada suatu populasi spesies
untuk mempertahankan keberadaannya di alam di masa yang akan
datang.
Genetika populasi juga membahas transmisi bahan genetik
pada ranah populasi. Genetika populasi dapat dikelompokkan sebagai
cabang genetika yang berfokus pada pewarisan genetik. Pengertian
populasi dalam arti genetika atau lazim disebut juga populasi
Mendelian ialah sekelompok individu suatu spesies yang bereproduksi
secara seksual, hidup di tempat tertentu pada saat yang sama, dan di
antara mereka terjadi perkawinan (interbreeding) sehingga masingmasing akan memberikan kontribusi genetik ke dalam lungkang gen
(gene pool), yaitu sekumpulan informasi genetik yang dibawa oleh
semua individu di dalam populasi. Genetika populasi merupakan
salah satu cabang ilmu biologi populasi yang mempelajari tentang
faktor-faktor yang menentukan komposisi genetik suatu populasi dan
bagaimana faktor-faktor tersebut berperan dalam proses evolusi.
Genetika populasi juga meliputi studi terhadap berbagai faktor yang
membentuk struktur genetik suatu populasi dan menyebabkan
perubahan-perubahan evolusioner suatu spesies sepanjang waktu.
Terdapat beberapa faktor yang sangat berperan dalam kejadian
evolusi pada suatu populasi, yaitu mutasi, rekombinasi, seleksi alam,
genetic drift, gene flow, dan perkawinan yang tidak acak. Faktor-faktor
tersebut akan memepengaruhi keragaman genetik pada suatu
populasi. Prinsip utama dalam genetik populasi adalah prinsip HardyWeinberg. Prinsip Hardy-Weinberg menduga bahwa, dalam kondisi
tertentu, frekuensi alel dan genotipe akan tetap konstan dalam suatu
populasi, dan keduanya saling berhubungan satu sama lain. Kondisikondisi tertentu yang dimaksud dalam prinsip Hardy-Weinberg ini
meliputi :
1. Kawin secara seksual dan acak
2. Tidak ada seleksi alam
3. Tidak ada mutasi dari satu keadaan alel kepada yang lainnya
4. Tidak ada individu yang masuk atau keluar dari suatu populasi
5. Ukuran populasi yang cukup besar
6. Meiosis normal, peluang yang menjadi faktor operatif ada pada
gametogenesis.
Frekuensi Genotipe dan Frekuensi Alel
Deskripsi susunan genetik suatu populasi mendelian dapat
diperoleh apabila kita mengetahui macam genotipe yang ada dan juga
banyaknya masing-masing genotipe tersebut. Sebagai contoh, di
dalam populasi tertentu terdapat tiga macam genotipe, yaitu AA, Aa,
dan aa. Maka, proporsi atau persentase genotipe AA, Aa, dan aa akan
menggambarkan susunan genetik populasi tempat mereka berada.
Frekuensi genotipe didefinisikan sebagai proporsi atau persentase
genotipe tertentu di dalam suatu populasi. Frekuensi genotipe dapat
pula diartikan sebagai proporsi/persentase individu di dalam suatu
populasi yang tergolong ke dalam genotipe tertentu. Frekuensi
genetik menggambarkan susunan genetik populasi tempat mereka
berada. Susunan genetik suatu populasi ditinjau dari gen-gen yang ada
dinyatakan sebagai frekuensi gen, atau disebut juga frekuensi alel,
yaitu proporsi atau persentase alel tertentu pada suatu lokus. Contoh
perhitungan frekuensi genotipe dan frekuensi alel adalah data
frekuensi golongan darah sistem MN pada orang Eskimo di
Greenland menurut Mourant (1954) menunjukkan bahwa frekuensi
golongan darah M, MN, dan N masing-masing sebesar 83,5 %,
15,6%, dan 0,9% dari 569 sampel individu. Genotipe golongan darah
M, MN, dan N masing-masing adalah IMIM, IMIN, dan ININ. Jadi,
dari data frekuensi genotipe tersebut dapat dihitung besarnya
frekuensi alel IM dan IN. Frekuensi alel IM = 83,5% + ½ (15,6%) =
91,3%, sedang frekuensi alel IN = 0,9% + ½ (15,6%) = 8,7%. Hasil
perhitungan frekuensi alel dapat digunakan untuk menentukan sifat
lokus tempat alel tersebut berada. Suatu lokus dikatakan bersifat
polimorfik jika frekuensi alelnya yang terbesar sama atau kurang dari
0,95. Sebaliknya, suatu lokus dikatakan bersifat monomorfik jika
frekuensi alelnya yang terbesar melebihi 0,95. Jadi, pada contoh
golongan darah sistem MN tersebut lokus yang ditempati oleh alel IM
dan IN adalah lokus polimorfik karena frekuensi alel terbesarnya ( IM
= 91,3%), masih lebih kecil dari 0,95. Proporsi lokus polimorfik pada
suatu populasi sering kali digunakan sebagai salah satu indeks
keanekaragaman genetik. Nilai lainnya yang juga sering digunakan
sebagai indeks keanekaragaman genetik suatu populasi adalah
heterozigositas rata-rata atau frekuensi heterozigot (H) rata-rata. Pada
contoh di atas besarnya nilai H untuk lokus MN adalah 15,6%. Jika
dapat diperoleh nilai H untuk lokus-lokus yang lain, maka dapat
dihitung nilai heterozigositas rata-rata pada populasi tersebut.
Jika kondisi-kondisi ini terpenuhi oleh suatu populasi, maka
populasi tersebut disebut sebagai populasi yang berada dalam
keseimbangan Hardy-Weinberg (Hardy-Weinberg Equilibrium).
Penyimpangan dari keseimbangan Hardy-Weinberg ini merupakan
dasar untuk mendeteksi kejadian inbreeding, fragmentasi populasi,
migrasi, dan seleksi. Untuk mempelajari pola pewarisan sifat pada
tingkat populasi terlebih dahulu perlu difahami pengertian populasi
dalam arti genetika atau lazim disebut juga populasi Mendelian.
Populasi mendelian ialah sekelompok individu suatu spesies yang
bereproduksi secara seksual, hidup di tempat tertentu pada saat yang
sama, dan di antara mereka terjadi perkawinan (interbreeding)
sehingga masing-masing akan memberikan kontribusi genetik ke
dalam lungkang gen (gene pool), yaitu sekumpulan informasi genetik
yang dibawa oleh semua individu di dalam populasi. Deskripsi
susunan genetik suatu populasi mendelian dapat diperoleh apabila
kita mengetahui macam genotipe yang ada dan juga banyaknya
masing-masing genotipe tersebut. Di samping dengan melihat macam
dan jumlah genotipenya, susunan genetik suatu populasi dapat juga
dideskripsi atas dasar keberadaan gennya. Hal ini karena populasi
dalam arti genetika, seperti telah dikatakan di atas, bukan sekedar
kumpulan individu, melainkan kumpulan individu yang dapat
melangsungkan perkawinan sehingga terjadi transmisi gen dari
generasi ke generasi. Dalam proses transmisi ini, genotipe tetua
(parental) akan dibongkar dan dirakit kembali menjadi genotipe
keturunannya melalui segregasi dan rekombinasi gen-gen yang dibawa
oleh tiap gamet yang terbentuk, sementara gen-gen itu sendiri akan
mengalami kesinambungan (kontinyuitas). Dengan demikian,
deskripsi susunan genetik populasi dilihat dari gen-gen yang terdapat
di dalamnya sebenarnya justru lebih bermakna bila dibandingkan
dengan tinjauan dari genotipenya. Susunan genetik suatu populasi
ditinjau dari gen-gen yang ada dinyatakan sebagai frekuensi gen, atau
disebut juga frekuensi alel, yaitu proporsi atau persentase alel tertentu
pada suatu lokus.
Hasil perhitungan frekuensi alel dapat digunakan untuk
menentukan sifat lokus tempat alel tersebut berada. Suatu lokus
dikatakan bersifat polimorfik jika frekuensi alelnya yang terbesar sama
atau kurang dari 0,95. Sebaliknya, suatu lokus dikatakan bersifat
monomorfik jika frekuensi alelnya yang terbesar melebihi 0,95.
Proporsi lokus polimorfik pada suatu populasi sering kali digunakan
sebagai salah satu indeks keanekaragaman genetik. Nilai lainnya yang
juga sering digunakan sebagai indeks keanekaragaman genetik suatu
populasi adalah heterozigositas rata-rata atau frekuensi heterozigot
(H) rata-rata. Perhitungan frekuensi alel menggunakan data
elektroforesis Frekuensi alel pada suatu populasi spesies organisme
dapat dihitung atas dasar data elektroforesis protein/enzim atau
zimogram yang menampilkan pita-pita sebagai gambaran mobililitas
masing-masing polipeptida penyusun protein . Elektroforesis
merupakan teknik pemisahan molekul yang berbeda-beda ukuran dan
muatan listriknya. Oleh karena itu, molekul-molekul yang akan
dipisahkan tersebut harus bermuatan listrik seperti halnya protein dan
DNA. Prinsip kerja elektroforesis secara garis besar dapat dijelaskan
sebagai berikut. Sampel ditempatkan pada salah satu ujung media
berupa gel, kemudian kedua ujung gel tersebut diberi aliran listrik
selama beberapa jam sehingga komponen-komponen penyusun
sampel akan bergerak menuju kutub yang muatan listriknya
berlawanan dengannya. Kecepatan gerakan (mobilitas) tiap
komponen ini akan berbeda-beda sesuai dengan ukuran molekulnya.
Makin besar ukuran molekul, makin lambat gerakannya. Akibatnya,
dalam satuan waktu yang sama molekul berukuran besar akan
menempuh jarak migrasi yang lebih pendek daripada jarak migrasi
molekul berukuran kecil. Pola pita seperti pada zimogram esterase di
atas sebenarnya merupakan gambaran fenotipe, bukan genotipe.
Namun, analisis variasi fenotipe terhadap kebanyakan enzim pada
berbagai macam organisme sering kali dapat memberikan dasar
genetik secara sederhana. Seperti diketahui, tiap enzim dapat
mengandung sebuah polipeptida atau lebih dengan susunan asam
amino yang berbeda sehingga menghasilkan fenotipe berupa pita-pita
dengan mobilitas yang berbeda. Variasi fenotipe ini disebabkan oleh
perbedaan alel yang menyusun genotipe. Jika alel-alel yang
menyebabkan perbedaan polipeptida pada enzim tertentu terletak
pada suatu lokus, maka bentuk alternatif enzim yang diekspresikannya
dikenal sebagai alozim. Alel yang mengatur alozim biasanya bersifat
kodominan, yang berarti dalam keadaan heterozigot kedua-duanya
akan diekspresikan. Populasi mendelian yang berukuran besar sangat
memungkinkan terjadinya kawin acak (panmiksia) di antara individuindividu anggotanya. Artinya, tiap individu memiliki peluang yang
sama untuk bertemu dengan individu lain, baik dengan genotipe yang
sama maupun berbeda dengannya. Dengan adanya sistem kawin acak
ini, frekuensi alel akan senantiasa konstan dari generasi ke generasi.
Prinsip ini dirumuskan oleh G.H. Hardy, ahli matematika dari Inggris,
dan W.Weinberg, dokter dari Jerman,. sehingga selanjutnya dikenal
sebagai hukum keseimbangan Hardy-Weinberg. Di samping kawin
acak, ada persyaratan lain yang harus dipenuhi bagi berlakunya
hukum keseimbangan Hardy-Weinberg, yaitu tidak terjadi migrasi,
mutasi, dan seleksi. Dengan perkatan lain, terjadinya peristiwaperistiwa ini serta sistem kawin yang tidak acak akan mengakibatkan
perubahan frekuensi alel. Deduksi terhadap hukum keseimbangan
Hardy-Weinberg meliputi tiga langkah, yaitu (1) dari tetua kepada
gamet-gamet yang dihasilkannya, (2) dari penggabungan gamet-gamet
kepada genotipe zigot yang dibentuk, dan (3) dari genotipe zigot
kepada frekuensi alel pada generasi keturunan.
Sebagai contoh bahwa pada generasi tetua terdapat genotipe
AA, Aa, dan aa, masing-masing dengan frekuensi P, H, dan Q.
Sementara itu, frekuensi alel A adalah p, sedang frekuensi alel a
adalah q. Dari populasi generasi tetua ini akan dihasilkan dua macam
gamet, yaitu A dan a. Frekuensi gamet A sama dengan frekuensi alel
A (p). Begitu juga, frekuensi gamet a sama dengan frekuensi alel a (q).
Dengan berlangsungnya kawin acak, maka terjadi penggabungan
gamet A dan a secara acak pula. Oleh karena itu, zigot-zigot yang
terbentuk akan memilki frekuensi genotipe sebagai hasil kali frekuensi
gamet yang bergabung. Pada Tabel 15.1 terlihat bahwa tiga macam
genotipe zigot akan terbentuk, yakni AA, Aa, dan aa, masing-masing
dengan frekuensi p2, 2pq, dan q2. Oleh karena frekuensi genotipe
zigot telah didapatkan, maka frekuensi alel pada populasi zigot atau
populasi generasi keturunan dapat dihitung. Fekuensi alel A = p2 +
½ (2pq) = p2 + pq = p (p + q) = p. Frekuensi alel a = q2 + ½ (2pq)
= q2 + pq = q (p + q) = q. Dengan demikian, dapat dilihat bahwa
frekuensi alel pada generasi keturunan sama dengan frekuensi alel
pada generasi tetua. Pada manusia dan beberapa spesies organisme
lainnya dikenal adanya jenis kelamin homogametik (XX) dan
heterogametik (XY). Pada jenis kelamin homogametik hubungan
matematika antara frekuensi alel yang terdapat pada kromosom X
(rangkai X) dan frekuensi genotipenya mengikuti formula seperti pada
autosom. Namun, pada jenis kelamin heterogametik formula tersebut
tidak berlaku karena frekuensi alel rangkai X benar-benar sama
dengan frekuensi genotipe. Pada jenis kelamin ini tiap individu hanya
membawa sebuah alel untuk masing-masing lokus pada kromosom
X-nya. Migrasi merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi bagi
berlakunya hukum keseimbangan Hardy-Weinberg. Hal ini berarti
bahwa peristiwa migrasi akan menyebabkan terjadinya perubahan
frekuensi alel. Lebih jauh, kuantifikasi migrasi dalam bentuk laju
migrasi (lazim dilambangkan sebagai m), sering kali digunakan untuk
menjelaskan adanya perbedaan frekuensi alel tertentu di antara
berbagai populasi, misalnya perbedaan frekuensi golongan darah
sistem ABO yang terlihat sangat nyata antara ras yang satu dan
lainnya.
Laju migrasi dapat didefinisikan sebagai proporsi atau persentase alel
tertentu di dalam suatu populasi yang digantikan oleh alel migran
pada tiap generasi. Faktor lain yang dapat menyebabkan terjadinya
perubahan frekuensi alel adalah mutasi. Namun, peristiwa yang sangat
mendasari proses evolusi ini sebenarnya tidak begitu nyata
pengaruhnya dalam perubahan frekuensi alel. Hal ini terutama karena
laju mutasi yang umumnya terlalu rendah untuk dapat menyebabkan
terjadinya perubahan frekuensi alel. Selain itu, individu-individu
mutan biasanya mempunyai daya hidup (viabilitas), dan juga tingkat
kesuburan (fertilitas) yang rendah. Dari kenyataan tersebut di atas
dapat dimengerti bahwa mutasi hanya akan memberikan pengaruh
nyata terhadap perubahan frekuensi alel jika mutasi berlangsung
berulang kali (recurrent mutation) dan mutan yang dihasilkan
memiliki kemampuan untuk beradaptasi dengan lingkungan yang ada.
Individu-individu dapat memberikan kontribusi genetik yang berbeda
karena mereka mempunyai daya hidup dan tingkat kesuburan yang
berbeda. Proporsi atau persentase kontribusi genetik suatu individu
kepada generasi berikutnya dikenal sebagai fitnes relatif atau nilai
seleksi individu tersebut. Nilai fitnes relatif berkisar antara 0 dan 1.
Faktor lain yang meyebabkan gangguan keseimbangan HardyWeinberg adalah sistem kawin tidak acak (non random mating). Jika
dilihat dari segi fenotipe, ada sistem kawin tidak acak yang dikenal
sebagai perkawinan asortatif. Dengan perkataan lain, perkawinan
asortatif adalah sistem kawin tidak acak yang didasarkan atas fenotipe.
Perkawinan asortatif dapat berupa perkawinan asortatif positif atau
asortatif negatif (disasortatif). Pada perkawinan asortatif positif
individu-individu yang mempunyai fenotipe sama cenderung untuk
lebih sering bertemu bila dibandingkan dengan individu-individu
dengan fenotipe berbeda. Sebaliknya, pada perkawinan asortatif
negatif individu-individu yang mempunyai fenotipe berbeda
cenderung untuk lebih sering bertemu bila dibandingkan dengan
individu-individu dengan fenotipe yang sama. Di samping perkawinan
asortatif ada pula sistem kawin tidak acak yang tidak memandang
fenotipe individu tetapi dilihat dari hubungan genetiknya. Sistem
kawin semacam ini dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu silang
dalam (inbreeding) dan silang luar (outbreeding). Silang dalam adalah
perkawinan di antara individu-individu yang secara genetik memiliki
hubungan kekerabatan, sedang silang luar adalah perkawinan di antara
individu-individu yang secara genetik tidak memiliki hubungan
kekerabatan. Perkawinan asortatif positif dan silang dalam akan
meningkatkan frekuensi genotipe homozigot. Sebaliknya, perkawinan
asortatif negatif dan silang luar akan meningkatkan frekuensi genotipe
heterozigot. Persilangan luar akan meningkatkan frekuensi
heterozigot. Di samping itu, jika silang dalam dapat menyebabkan
terjadinya tekanan silang dalam yang berpengaruh buruk terhadap
individu yang dihasilkan, silang luar justru dapat memunculkan
individu hibrid dengan sifat-sifat yang lebih baik daripada kedua
tetuanya yang homozigot. Fenomena keunggulan yang diperlihatkan
oleh individu hibrid hasil persilangan dua tetua galur murni
(homozigot) disebut sebagai vigor hibrida atau heterosis. Ada
beberapa teori mengenai mekanisme genetik yang menjelaskan
terjadinya heterosis. Salah satu di antaranya adalah teori dominansi,
yang pada prinsipnya menyebutkan bahwa alel-alel reseif merugikan
yang dibawa oleh masing-masing galur murni akan tertutupi oleh alel
dominan pada individu hibrid yang heterozigot. Misalnya, ada alel A
yang menyebabkan akar tanaman tumbuh kuat sementara alel a
menjadikan akar tanaman lemah. Sementara itu, alel B menyebabkan
batang menjadi kokoh, sedang alel b menyebabkan batang lemah.
Persilangan antara galur murni AAbb (akar kuat, batang lemah) dan
aaBB (akar lemah, batang kuat) akan menghasilkan hibrid AaBb yang
mempunyai akar dan batang kuat. Fenomena heterosis sudah sering
sekali dimanfaatkan pada bidang pemuliaan tanaman, antara lain
untuk merakit varietas jagung hibrida. Galur murni A disilangkan
dengan galur murni B, mendapatkan hibrid H. Namun, karena biji
hibrid H ini dibawa oleh tongkol tetuanya (A atau B) yang kecil, maka
jumlah bijinya menjadi sedikit dan tidak cukup untuk dijual kepada
petani. Oleh karena itu, jagung hibrida yang dipasarkan biasanya
bukan hasil silang tunggal (single cross) seperti itu, melainkan hasil
silang tiga arah (three-way cross) atau silang ganda (double cross).
Pada silang tiga arah hibrid H digunakan sebagai tetua betina untuk
disilangkan lagi dengan galur murni lain sehingga biji hibrid yang
dihasilkan akan dibawa oleh tongkol hibrid H yang ukurannya besar.
Agak berbeda dengan silang tiga arah, pada silang ganda hibrid H
disilangkan dengan hibrid I hasil silang tunggal antara galur murni C
dan D. Dalam silang ganda ini, sebagai tetua betina dapat digunakan
baik hibrid H maupun hibrid I karena kedua-duanya mempunyai
tongkol yang besar. Memahami dan mempertahankan keragaman
genetik suatu populasi sangat penting dalam konservasi karena
keragaman genetik yang tinggi akan sangat membantu suatu populasi
beradaptasi terhadap perubahan-perubahan yang terjadi di lingkungan
sekitarnya, termasuk mampu beradaptasi terhadap penyakit-penyakit
yang ada di alam. Sebagai contoh, suatu populasi dengan keragaman
genetik yang rendah dapat kita umpamakan sebagai suatu kelompok
individu yang saling bersaudara satu sama lain. Sehingga dalam jangka
panjang, perkawinan yang terjadi di dalam kelompok tersebut akan
merupakan perkawinan antar saudara (inbreeding). Kejadian inbreeding
ini akan menyebabkan penurunan kualitas reproduksi dan
menyebabkan suatu individu menjadi sensitif terhadap patogen.
Perkembangan teknik molekuler seperti penemuan teknik Polymerase
Chain Reaction (PCR) yang mampu mengamplifikasi untai DNA
hingga mencapai konsentrasi tertentu, penggunaan untai DNA
primer sebagai marker dalam proses PCR, penemuan lokus
mikrosatelit yang hipervariabel, dan penemuan metode sekuensing
DNA, telah menyebabkan ilmu genetik molekuler mempunyai
pengaruh yang sangat besar dalam studi biologi suatu populasi.
Isolasi Reproduksi
Isolasi reproduksi, barier atau hambatan geografik dapat
memungkinkan terjadinya pernisahan dua populasi (allopatric). Hal
tersebut terjadi karena adanya penimbunan pengaruh faktor-faktor
luar (ekstrinsik) yang menyebabkan terjadinya isolasi faktor-faktor
intrinsik. Keadaan ini memungkinkan terjadinya isolasi reproduksi,
meskipun kedua populasi tersebut berada dalam satu lingkungan
kembali (sympatric). Macam-macam mekanisme isolasi intrinsik
adalah mekanisme yang mencegah/menghalangi terjadinya
perkawinan, mekanisme yang mencegah terbentuknya hibrida,
mekanisme yang mencegah kelangsungan hibrida.
Isolasi ekogeografi
Dua populasi yang terpisah oleh hambatan fisik, dapat
menjadi berbeda begitu khusus sesuai dengan lingkungannya. Apabila
pada suatu saat kedua populasi tersebut dikumpulkan menjadi satu,
keduanya tidak akan mampu saling mengadakan perkawinan. Hal ini
disebabkan karena keduanya tidak dapat lagi menyesuaikan diri pada
kondisi yang baru. Mereka telah memperoleh perubahan genetik
akibat dari keadaan sekelilingnya. Sebagai contoh adalah tanaman
Platanus occidentalis dan Platanus orientalis. Keduanya dapat
diserbukkan secara buatan dengan hasil keturunannya tetap, fertil.
Namun penyerbukan secara alam tidak pemah terjadi karena masingmasing hanya dapat hidup di lingkungannya sendiri. Dalam hal ini
mereka tidak hanya terpisah secara geografi saja tetapi juga secara
genetik.
Isolasi habitat
Antara. dua populasi simpatrik yang menghuni daerah yang
berbeda lebih sering terjadi perkawinan daripada antara sesama
populasi setempat namun berbecla sifat- sifat genetiknya. Dapat
dikemukakan sebagai contoh adalah katak Bufo fowleri dan Bufo
americanus. Keduanya dapat kawin dan menghasilkan keturunan yang
fertil. Kalau pada suatu waktu tempat tinggalnya bercampur ternyata
bahwa Bufo fowleri akan lebih banyak mengadakan perkawinan dengan
sesamanya dibanding dengan Bufo americanus. Hal ini disebabkan
karena Bufo fowleri akan memilih tempat tinggalnya untuk kawin di air
yang tenang, sedangkan Bufo americanus di kubangan-kubangan air
hujan.
Isolasi iklim musim
Pinus radiata dan Pinus muricata keduanya terclapat di beberapa
tempat di California dan tergolong simpatrik. Kedua jenis Pinus
tersebut dapat disilangkan tetapi perkawinan silang ini boleh
dikatakan tidak pernah terjadi di alam. Hal ini disebabkan karena
perbedaan masa berbunga Pinus radiata terjadi pada awal Februari
sedang Pinus muricata pada bulan April. Berikut ini adalah contoh
empat jenis katak yang tergolong pada genus Rana. Meskipun hidup
di daerah yang sama tetapi tidak terjadi persilangan, karena perbedaan
masa aktif perkawinan.
Isolasi perilaku
Pada berbagai jenis ikan ternyata kelakuan meminang ikan
betina oleh ikan jantan berbeda. Sebagai contoh diambil 2
perbandingan sebagai berikut, yang satu membuat sarang dengan 2
lubang untuk masuk dan keluar, sarang digantungkan pada tumbuhan
air, sedangkan yang lain pada sarang hanya ada satu lubang ialah
tempat masuk saja, sarang dibuat pada dasar kolam.
Isolasi mekanik
Yang dimaksud dengan isolasi mekanik adalah hal yang
menyangkut struktur yang berkaitan dengan peristiwa perkawinan
itu sendiri. Misal bila hewan jantan dari suatu spesies jauh lebih besar
ukurannya daripada jenis betina. Atau jika alat kelamin yang jantan
mempunyai bentuk yang sedemikian rupa sehingga tidak dapat cocok
dengan alat kelamin yang betina. Pada beberapa makhluk bentuk alat
kelamin itu sedemikian rupa hingga dalam hal ini berlaku apa yang
disebut sistem "lock and key" (kunci dan gembok), tetapi pada
kebanyakan makhluk tidaklah demikian. Pada hewan kaki sejuta yang
termasuk genus Brochoria dijumpai bahwa bentuk alat kelamin pada
yang jantan berbeda-beda hingga sering digunakan sebagai titik tolak
untuk klasifikasi, tetapi pada yang betina bentuknya serupa. Isolasi
mekanik semacam ini pada tumbuhan ternyata lebih berpengaruh
dibanding dengan pada hewan, terutama yang berkaitan dengan
hewan penyebar serbuk sari. Seperti disinggung di muka tentang
adaptasi maka ada kekhususan bentuk bunga dalam hubungannya
dengan hewan penyebar serbuk sari.
Isolasi gamet
Sebagaimana diketahui peristiwa penyerbukan tidak tentu
mengakibatkan peristiwa fertilisasi. Pada percobaan menggunakan
Drosophila virilis dan Drosophila americana, dengan inseminasi buatan
maka sperma dari jenis jantan tidak dapat mencapai sel telur karena
tidak dapat bergerak sebagai akibai adanya cairan penghambat dalarn
saluran reproduksi. Pada spesies Drosophila lain mekanismenya
berbeda; pada waktu sperma masuk dalam saluran reproduksi, saluran
tersebut membengkak hingga sperma-sperma tersebut mati. Peristiwa
isolasi garnet juga dijumpai pada tanaman tembakau dalam hal ini
meskipun serbuk sari sudah diletakkan pada stigma tetapi tidak terjadi
fertilisasi karena inti dari serbuk sari tersebut tidak dapat mencapai
inti telur dalam ovul. Mekanisme Yang Mengurangi Keberhasilan
Intersection Cross (persilangan) :
1. Gametic Mortality (Kematian Gamet), meskipun oleh struktur yang
kebetulan memungkinkan bahwa dua spesies binatang atau
tumbuh-tumbuhan dapat mengadakan perkawinan, fertilisasi yang
sebenarnya mungkin tidak akan terjadi. Contohnya adalah
persilangan antara Drosophila virilis dengan Drosophila Americana,
sperma dari lalat jantan bila sampai pada alat kelamin betina
segera berhenti bergerak karena keadaan yang tidak sesuai pada
alat kelamin tersebut. Dengan demikian sperma tidak akan
mencapai sel telur. Drosophila yang lain menghasilkan reaksi antara
pada saluran betina jika mereka mengadakan perkawinan antar
spesies. Reaksi ini menyebabkan alat kelamin betina mengembang
dan dengan demikian menghalangi sperma untuk mencapai sel
telur dan mati.
2. Zygot Mortality (Kematian Gamet), hybrid seringkali sangat lemah
dan berbentuk tidak baik sehingga sering mati sebelum mereka
dikeluarkan dari induknya. Hal ini berarti bahwa gene flow antara
kedua golongan induk tidak terjadi.
3. Hybrid Invibility, yaitu anggota dari kedua spesies berdekatan
kemungkinan dapat mengadakan persilangan dan menghasilkan
keturunan yang fertil. Jika keturunan ini dan keturunannya lagi
bersifat sekuat orang tua mereka disamping adaptasi sebaik orang
tua mereka juga, maka dua populasi ini tidak akan tetap terpisah
untuk jangka waktu lama jika mereka simpatrik. Hal ini
mengakibatkan mereka tidak lagi disebut sebagai dua spesies yang
penuh tetapi jika anak-anaknya dan keturunan berikutnya kurang
begitu teradaptasi, mereka segera lenyap.
4. Hybrid Sterility, yaitu beberapa persilangan antar spesies
menghasilkan hybrid yang kuat tetapi steril. Contoh terbaik adalah
persilangan antara kuda dengan keledai yang menghasilkan hybrid
mule. Mule mempunyai sifat-sifat lebih unggul daripada kedua
induknya, tetapi mule adalah binatang steril.
Isolasi perkembangan
Pada Rana pipiens terjadi peristiwa fertilisasi Yang berhasil
tetapi embrionya tidak dapat tumbuh dan segera mati. Pada dunia
ikan peristiwa semacam ini banyak terjadi; seringkali telur dari suatu
spesies dibuahi oleb sperma dari spesies lain, tetapi segera terjadi
seperti halnya pada Rana pipiens di atas.
Ketidakmampuan hidup suatu hibrida
Peristiwa perkawinan yang tidak dapat berlangsung karena
adanya hambatan geografi, perubahan genetik, adanya perbedaan
musim perkawinan, perbedaan kelakuan dan akhirnya karena
hambatan mekanik. Kalau hambatan ini kita anggap sebagai
hambatan pada langkah pertarna, maka hambatan selanjutnya terjadi
pada langkah berikutnya. Jadi dalam hal ini perkawinan dapat terjadi,
tetapi pembentukan gametnya terlambat. Berikumya adalah peristiwa
yang langkah pertarna dan kedua tidak mendapat halangan suatu apa,
tetapi kemudian hambatan terjadi pada langkah berikutnya.
Perkawinan dapat berlangsung, pembentukan garnet dapat terjadi,
tetapi embrio yang terjadi tidak dapat tumbuh dan berkembang. Pada
langkah berikutnya adalah peristiwa di mana semua fase tersebut di
atas dapat dilalui dengan selamat tetapi ternyata kemudian
perkembangan dari hibrida adal lemah, cacat dan kebanyakan mati
sebelurn dapat mengadakan reproduksi. Dari kejadian tersebut dapat
disimpulkan bahwa tiada pertukaran gen antara kedua induk. Dalarn
praktek dijumpai ini pada tanaman tembakau yang mati sebelum
berbunga karena adanya tumor pada bagian vegetatifnya.
Deduksi terhadap hukum keseimbangan Hardy-Weinberg
meliputi tiga langkah, yaitu (1) dari tetua kepada gamet-gamet yang
dihasilkannya, (2) dari penggabungan gamet-gamet kepada genotipe
zigot yang dibentuk, dan (3) dari genotipe zigot kepada frekuensi alel
pada generasi keturunan. Secara lebih rinci ketiga langkah ini dapat
dijelaskan sebagai berikut. Misalkan pada generasi tetua terdapat
genotipe AA, Aa, dan aa, masing-masing dengan frekuensi P, H, dan
Q. Sementara itu, frekuensi alel A adalah p, sedang frekuensi alel a
adalah q. Dari populasi generasi tetua ini akan dihasilkan dua macam
gamet, yaitu A dan a. Frekuensi gamet A sama dengan frekuensi alel
A (p). Begitu juga, frekuensi gamet a sama dengan frekuensi alel a (q).
Dengan berlangsungnya kawin acak, maka terjadi penggabungan
gamet A dan a secara acak pula. Oleh karena itu, zigot-zigot yang
terbentuk akan memilki frekuensi genotipe sebagai hasil kali frekuensi
gamet yang bergabung. Tiga macam genotipe zigot yang terbentuk,
yakni AA, Aa, dan aa, masing-masing dengan frekuensi p2, 2pq, dan
q2.
Faktor
yang berpengaruh pada keseimbangan HardyWeinberg
Kawin acak
Populasi mendelian yang berukuran besar sangat
memungkinkan terjadinya kawin acak (panmiksia) di antara individuindividu anggotanya. Artinya, tiap individu memiliki peluang yang
sama untuk bertemu dengan individu lain, baik dengan genotipe yang
sama maupun berbeda dengannya. Dengan adanya sistem kawin acak
ini, frekuensi alel akan senantiasa konstan dari generasi ke generasi.
Prinsip ini dirumuskan oleh G.H. Hardy, ahli matematika dari Inggris,
dan W.Weinberg, dokter dari Jerman, sehingga selanjutnya dikenal
sebagai hukum keseimbangan Hardy-Weinberg. Di samping kawin
acak, ada persyaratan lain yang harus dipenuhi bagi berlakunya
hukum keseimbangan Hardy-Weinberg, yaitu tidak terjadi migrasi,
mutasi, dan seleksi. Dengan perkatan lain, terjadinya peristiwaperistiwa ini serta sistem kawin yang tidak acak akan mengakibatkan
perubahan frekuensi alel.
Migrasi
Migrasi merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi bagi
berlakunya hukum keseimbangan Hardy-Weinberg. Hal ini berarti
bahwa peristiwa migrasi akan menyebabkan terjadinya perubahan
frekuensi alel. Lebih jauh, kuantifikasi migrasi dalam bentuk laju
migrasi (lazim dilambangkan sebagai m), sering kali digunakan untuk
menjelaskan adanya perbedaan frekuensi alel tertentu di antara
berbagai populasi, misalnya perbedaan frekuensi golongan darah
sistem ABO yang terlihat sangat nyata antara ras yang satu dan
lainnya. Laju migrasi dapat didefinisikan sebagai proporsi atau
persentase alel tertentu di dalam suatu populasi yang digantikan oleh
alel migran pada tiap generasi. Sebagai contoh, jika pada tiap generasi
sebanyak 80 dari 1000 ekor ikan normal digantikan oleh ikan albino,
maka dikatakan bahwa laju migrasinya 0,08 atau 8%.
Secara matematika, hubungan antara perubahan frekuensi alel dan
laju migrasi dapat dilihat sebagai persamaan berikut:
pn – P = (po – P)(1 – m)n
pn = frekuensi alel pada populasi yang diamati setelah n
generasi migrasi
P = frekuensi alel pada populasi migran
po = frekuensi alel pada populasi awal (sebelum terjadi
migrasi)
m = laju migrasi
n = jumlah generasi
Mutasi
Faktor lain yang dapat menyebabkan terjadinya perubahan
frekuensi alel adalah mutasi. Namun, peristiwa yang sangat mendasari
proses evolusi ini sebenarnya tidak begitu nyata pengaruhnya dalam
perubahan frekuensi alel. Hal ini terutama karena laju mutasi yang
umumnya terlalu rendah untuk dapat menyebabkan terjadinya
perubahan frekuensi alel. Selain itu, individu-individu mutan biasanya
mempunyai daya hidup (viabilitas), dan juga tingkat kesuburan
(fertilitas), yang rendah. Dari kenyataan tersebut di atas dapat
dimengerti bahwa mutasi hanya akan memberikan pengaruh nyata
terhadap perubahan frekuensi alel jika mutasi berlangsung berulang
kali (recurrent mutation) dan mutan yang dihasilkan memiliki
kemampuan untuk beradaptasi dengan lingkungan yang ada.
Hubungan matematika antara laju mutasi dan perubahan
frekuensi alel dapat dirumuskan seperti pada contoh berikut ini.
Misalnya, di dalam suatu populasi terdapat alel A dan a, masingmasing dengan frekuensi awal po dan qo. Mutasi berlangsung dari A
ke a dengan laju mutasi sebesar u. Sebaliknya, laju mutasi alel a
menjadi A adalah v. Dengan demikian, perubahan frekuensi alel A
akibat mutasi adalah ∆p = vqo – upo, sedang perubahan frekuensi
alel a akibat mutasi adalah ∆q = upo – vqo. Ketika dicapai
keseimbangan di antara kedua arah mutasi tersebut nilai ∆p dan ∆q
adalah 0. Oleh karena itu, vqo = upo, atau secara umum vq = up. Jika
persamaan ini dielaborasi, maka akan didapatkan p = v/(u + v) dan q
= u/(u + v).
Seleksi
Individu-individu dapat memberikan kontribusi genetik yang
berbeda karena mereka mempunyai daya hidup dan tingkat kesuburan
yang berbeda. Proporsi atau persentase kontribusi genetik suatu
individu kepada generasi berikutnya dikenal sebagai fitnes relatif atau
nilai seleksi individu tersebut. Nilai fitnes relatif berkisar antara 0 dan
1. Genotipe superior di dalam suatu populasi, atau disebut juga
genotipe baku, dikatakan memiliki nilai fitnes relatif sama dengan 1,
sementara untuk genotipe-genotipe lainnya nilai fitnes relatif besarnya
kurang dari 1. Proporsi pengurangan kontribusi genetik suatu
genotipe bila dibandingkan dengan kontribusi genetik genotipe baku
disebut koefisien seleksi (s) genotipe tersebut. Dengan perkataan lain,
nilai fitnes relatif genotipe ini adalah 1 – s.
Kawin tidak Acak
Faktor lain yang meyebabkan gangguan keseimbangan HardyWeinberg adalah sistem kawin tidak acak (non random mating). Jika
dilihat dari segi fenotipe, ada sistem kawin tidak acak yang dikenal
sebagai perkawinan asortatif. Dengan perkataan lain, perkawinan
asortatif adalah sistem kawin tidak acak yang didasarkan atas fenotipe.
Perkawinan asortatif dapat berupa perkawinan asortatif positif atau
asortatif negatif (disasortatif). Pada perkawinan asortatif positif
individu-individu yang mempunyai fenotipe sama cenderung untuk
lebih sering bertemu bila dibandingkan dengan individu-individu
dengan fenotipe berbeda. Sebaliknya, pada perkawinan asortatif
negatif individu-individu yang mempunyai fenotipe berbeda
cenderung untuk lebih sering bertemu bila dibandingkan dengan
individu-individu dengan fenotipe yang sama. Di samping perkawinan
asortatif ada pula sistem kawin tidak acak yang tidak memandang
fenotipe individu tetapi dilihat dari hubungan genetiknya. Sistem
kawin semacam ini dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu silang
dalam (inbreeding) dan silang luar (outbreeding). Silang dalam adalah
perkawinan di antara individu-individu yang secara genetik memiliki
hubungan kekerabatan, sedang silang luar adalah perkawinan di antara
individu-individu yang secara genetik tidak memiliki hubungan
kekerabatan. Perkawinan asortatif positif dan silang dalam akan
meningkatkan frekuensi genotipe homozigot. Sebaliknya, perkawinan
asortatif negatif dan silang luar akan meningkatkan frekuensi genotipe
heterozigot.Cara menghitung frekuensi alel dalam suatu populasi.
Misalkan dalam suatu populasi, terdapat 2 alel dalam satu lokus, yaitu
A1 dan A2, maka dalam populasi tersebut hanya ada variasi genotip
individu sebagai berikut A1A1, A1A2, dan A2A2.
Di alam perkawinan antar spesies jarang terjadi
Fertilisasi atau pembuahan adalah proses bersatunya
spermatozoa dengan ovum. Inti sperma bergabung dengan inti ovu,
sehingga kromosom yang haploid sebagai hasil meiosis dari kedua
macam gamet akan bergabung sehingga zigot yang terbentuk sebagai
hasil fertilisasi itu mengandung kromosom yang kembali dalam
susunan diploid. Zigot akan membelah berulang-ulang secara mitosis,
sehingga terjadi embrio dan individu baru yang tetap dalam susunan
diploid. Dalam proses fertilisasi ini hanya dapat terjadi pada spesies
yang sama, sehingga akan didapatkan keturunan yang fertil. Hal ini
dikarenakan pada sel telur terdapat suatu glikoprotein sebagai
reseptor pada bagian zona pelusida yang sama pasa satu speisies.
Sehingga spesies lain tidak dapat membuahi sel telur. Susunan
glikoprotein dan glikolipid yang ada pada membrane sel telur berbeda
antara spesies satu dengan yang lain. Pada saat fertilisasi,ovum hanya
dapat menerima sperma yang susunannya bersesuaian sehingga
hampir tidak mugkin sperma dapat membuahi ovum spesies lain yang
dalam evolusi disebut dengan isolasi gametik. Kecuali jika
kekerabatannya sangat dekat dengan susunan sel telurnya mirip
sehingga mungkin saja terjadi fertilisasi. Seperti pada buah mangga A
dikawinkan dengan mangga B menghasilkan varietas mangga AB
yang bersifat unggul. Meskipun reseptor pada zona pelucida khas
species, yang dapat berarti hanya dapat berikatan dengan protein
perikatan telur spermatozoon species yang sama. Namun terdapat
pula suatu kemungkinan dimana terjadi kecocokan antara reseptor
dengan protein sperma antar species. Tetapi hewan yang berbeda
species itu, namun biasanya harus berada dalam satu Familia, seperti
antara kuda dan kedelai, atau harimau dan singa. Hal ini dikarenakan
reseptor pada zona pelucida ovumnya masih dapat bersetangkup
dengan protein perikatan telur pada kepala spermatozoa pasangan.
Pada percobaan di laboratorium dapat pula dilakukan fertilisasi
buatan antara species yang berada bada ordo yang berbeda. Untuk itu
zona pelucida dari sel telur dibuang sehingga spermatozoon dapat
menembus masuk telur dengan tanpa halangan. Untuk mempelajari
susunan kromosom sperma di laboratorium dilakukan fertilisasi
ovum hamster yang bebas zona. Setelah kepala spermatozoa masuk
ovum, terjadi perpasangan kromosom homolog, dan waktu metafase
dapat ditangkap semua kromosom yang berasal dari spermatozoa itu.
Telah dianalisa, bahwa reseptor spermatozoa pada zona pelucida itu
terdiri dari bagian selubung sel berupa oligosakarida, sebagai
percabangan yang menonjol ke luar dari protein zona. Struktur kimia
dari oligosakarida dengan protein pangkalnya itu pun kini sudah
diketahui yang diharapkan dapat dipakai untuk mencari suatu zat yang
mampu mengubah sedikit struktur oligosakarida itu, sehingga dapat
mengulangi perikatan dengan protein plasmalema spermatozoa. Ada
dua macam hambatan (barrier) yang menyebabkan dua spesies tidak
bisa menghasilkan keturunan, yaitu:
1. Pre-zygotic
barriers
(hambatan
sebelum
terjadinya
sigot/fertilisasi), yang meliputi:
Habitat isolation (mempunyai habitat yang berbeda)
Behavioral isolation (tingkah laku seksual yang berbeda)
Temporal isolation (waktu kematangan/kesiapan yang
berbeda)
Tiga hambatan ini menyebabkan dua spesies yang berbeda
tidak bisa melakukan perkawinan. Jika mereka melakukan perkawinan
maka hambatan yang terjadi adalah:
Mechanical isolation (struktur organ kelamin yang tidak
cocok)
Gametic isolation (gamet jantan dan gamet betina tidak
cocok)
2. Post-zygotic barriers (hambatan setalah terjadinya sigot), yang
meliputi:
Reduced hybrid viability dimana hibrid tidak dapat
berkembang atau gagal mencapai kematangan seksual
Reduced hybrid fertility dimana hibrid tidak dapat
menghasilkan gamet yang berfungsi
Hybrid breakdown yang menghasilkan keturunan dari
hibrid mempunyai viabilitas dan fertilitas yang menurun
Mekanisme isolasi yang berfungsi untuk menghalangi aliran
gen antara spesies juga terjadi dalam spesies yang sama. Tiap spesies
menyusun populasi local yang dipisahkan secara geografi atau secara
ekologi. Mekanisme isolasi tersebut membuat pertukaran gen antara
populasi tertentu ditiadakan. Isolasi reproduktif dibagi menjadi 2,
yaitu:
1. Isolasi prazigot.
Adalah isolasi yang menyebabkan dua spesies tidak dapat kawin, atau
isolasi yang menghalangi terjadinya fertilisasi. Berdasarkan
penyebabnya isolasi prazigot dibagi menjadi 5 yaitu sebagai berikut:
a. Isolasi temporal yang disebabkan oleh adanya perbedaan masa
kawin atau kematangan gamet terjadi pada saat yang berbeda.
Contohnya :
Lalat buah Drosophilla pseudobscura memiliki masa kawin di sore hari
sedangkan Drosophilla pseusimilis memiliki masa kawin di pagi hari.
b. Isolasi ekologi, disebabkan karena 2 spesies yang berkerabat dekat
terdapat di daerah geografi yang sama, namun di habitat yang
berbeda. Contohnya , katak pohon kawin di danau yang tidak
permanen (kubangan) sedangkan katak banteng kawin di danau
atau badan air yang lebih besar / permanen.
c. Isolasi perilaku, disebabkan karena adanya perbedaan perilaku
tertentu atau ritual yang berbeda – beda pada masa kawin, dan
perilaku tersebut hanya dapat dimengerti oleh pasangan dari
spesies yang sama sehingga spesies lain tidak mengerti, sehingga
tidak terjadi perkawinan. Contohnya burung bower Australia
jantan , akan menghiasi sarangnya untuk menarik perhatian
betinanya, setelah betina memasuki sarang maka jantan akan
menari dan memainkan nada – nada kicauan setelah ritual selesai
maka terjadilah perkawinan dikarenakan pasangan dari satu spesies
ini saling mengerti.
d. Isolasi mekanik, disebabkan karena adanya perbedaan struktur
kelamin, perbedaan anatomi atau morfologi membuat dua spesies
yang berbeda tidak dapat kawin. Contohnya pada tumbuhan sage
hitam, memiliki struktur bunga yang kecil sehingga hanya bisa
dipolinasi oleh lebah kecil, sedangkan tumbuhan sage putih
memiliki struktur bunga yang besar sehingga hanya bisa dipolanasi
oleh lebah yang besar.
e. Isolasi gamet , disebabkan karena adanya perbedaan susunan
molekul dan kimiawi yang berbeda antara dua gamet. Contoh pada
ikan, ikan yang meletakkan telurnya diair tidak akan dibuahi oleh
sperma dari spesies yang berbeda karena selaput sel telur
mengandung protein tertentu yang hanya dapat mengikat molekul
sel sperma dari spesies yang sama.
2. Isolasi postzigot
Terjadi jika isolasi prazigot gagal, diantaranya:
a. Hibrid. Pada umumnya, embrio yang terbentuk dari dua spesies
yang berbeda akan gugur. Hal itu disebabkab karena gen – gen dari
kedua induk yang berbeda, tidak dapat bekerja sama mendorong
mekanisme membentuk embrio normal. Contohnya semua hybrid
dari telur katak banteng yang dibuahi oleh katak leopard akan mati
pada stadium embrio.
b. Hybrid mandul. Terjadi jika induk memiliki jumlah kromosom
yang berbeda sehingga sinapsis atau pemasangan kromosom
homolog dalam meiosis tidak terjadi. Contohnya hybrid dari kuda
dan keledai menghasilkan mule, yaitu gabungan kuda dan keledai
mandul.
c. Hybrid pecah , hybrid berkembang menjadi subur dan dapat
menghasilkan generasi F2 dari persilangan antara 2 hibrid atau
hybrid dengan galur induk. Filal 2 yang dihasilkan ini disebut
hybrid pecah.
Perkawinan beda spesies tidak dapat terjadi karena menurut
ilmu genetika setiap spesies memiliki jumlah kromosom yang berbeda
dan memiliki kekhususan system reproduksinya masing-masing. Jika
terjadi kasus perkawinan beda spesies maka akan terjadi infertile
karena setiap mahluk hidup memiliki system dan organ reproduksi
yang berbeda. Infertilitas yang disebabkan oleh factor congenital
seringkali banyak dijumpai. Termasuk abnormalitas ini adalah
abnormalitas dalm pembentukan ovarium, oviduk, uterus, cervix,
vagina dan vulva. Beberapa diantaranya bersifat letal, beberapa
bersifat gangguan dalam fungsional dan morfologi. Kondisi
morfologi yang sering dijumpai adalah hipoplasia dan aplasia
ovarium, anomaly pada organ genitalia tubuler, hermafrodit,
freemartin, White heifer disease dan doble servix. Hal ini berakibat
beberapa diantara ternak tersebut mengalami program culling. Sekitar
5238 pemotongan ternak yang tidak bunting terjadi di Brazil, 17.27%
mengalami problem pada kasus-kasus genital seperti agenesis,
atrophy, hypoplasia and tumours. Hipoplasi gonad pada sapi tidak
mudah untuk didiagnosa dan pada kasus hipoplasia ovarium bilateral
biasanya tidak menunjukkan karakter perkembangan seksual
sekunder. Biasanya mereka anestrus dan infertil. Jika kelainan bersifat
unilateral maka organ seksual normal bias ditemukan dan aktivitas
estrus dapat dijumpai. Biasanya mereka normal tetapi fertilitasnya
jauh dibawah hewan yang organnya normal. Kondisi tersebut dapat
disebabkan karena gen resessif yang muncul atau karena kegagalan
proses meiosis dalam pertukaran genetik sehingga untuk menghindari
kasus-kasus seperti ini perlu digunakan induk-induk yang benar-benar
bagua secara genetik sebagai breeding stock. Faktor genetik
(keturunan) yaitu suatu sifat kebapakan yang berasal dari bapak atau
ibu yang menurun kepada anak. Bila manifestasinya pada alat
kelamin, mempunyai peranan dalam menimbulkan kemajiran pada
ternak. Factor ini bila muncul pada alat kelamin, akan tampak dalam
bentuk kelainan anatomi. Kelainan anatomi yang bersifat menurun ini
umumnya disebabkan oleh kelainan pada kromosom kelamin (sex
Chromosome) atau adanya kelainan satu gen yang resesif pada
autosomnya. Ada yang mempengaruhi satu jenis kelamin saja, tetapi
dapat pula maempengaruhi kedua jenis kelamin. Tergantung kepada
berat tidaknya kelainan anatomi yang bersifat menurun pada alat
kelamin tersebut, gangguan anatomi dapat mudah dikenali sejak awal
periode reproduksi, dapat pula baru dijumpai setelah umur tua atau
setelah menghasilkan banyak keturunan. Ada beberapa factor yang
dapat memperberat terjadinya kelainan genetiuk pada alat kelamin,
seperti bangsa ternak, lokasi geografis dari peternakan, musim, jenis
kelamin, umur induk, dan beberapa macam zat bersifat racun yang
masuk dalam tubuh melalui pakan. Factor genetic yang menimbulkan
kemajiran mencapai 0,2-3% dari seluruh kasus kemajiran yang
dilaporkan. Kelainan genetic ini selain mempengaruhi bentuk alat
kelmain juga fungsi alat kelamin menjadi berkurang atau hilang sama
sekali. Seperti disebutkan diatas, beberapa factor non genetic juga
dapat pula mempengaruhi timbulnya kelainan anatomi pada alat
kelamin. Factor nongenetik terutama dalam bentuk bahan organic,
yang dapat mendorong terjadinya kelainan anatomi alat tubuh disebut
teratogen. Bahan-bahan seperti racun dalam tanaman, bahan organic
atau anorganik dapat bertindak sebagai teratogen. Kelainan anatomi
pada alat kelamin yang disebabkan oleh factor genetic dan bersifat
menurun, dapat terjadi baik pada hewan jantan maupun betina.
Kelainan anatomi dapat terjadi pada ovarium dan saluran alat kelamin
betina seperti tuba falopii, uterus, serviks, vagina, dan vulva pada
hewan betina. Pada hewan jantan dapat terjadi pada testis, epididimis,
vas deferens, kelenjar asesoris dan penis pada hewan jantan. Kelainan
alat kelamin jantan yang bersifat menurun disebabkan olleh gen yang
resesif pada autosomnya, dapat terjadi pada semua bagian alat
kelamin jantan sejak dari testis, saluran-salurannya seperti epididimis,
vasdeferens, ampula sampai penias dan kelenjar asesorisnya. Suatu
keadaan yang testisnya gagal turun kedalam rongga skrotum melalui
saluran inguinal. Sehingga testis tetap berada dalam rongga abdomen.
Kegagalan penurunan bisa terjadi hanya satu testis disebut kriptorchid
monolateral atau monorchid, dapat pula terjadi pada kedua testis
disebut kriptorchid bilateral. Kriptorchid ini dapat terjadi pada semua
hewan mamalia, tetapi yang paling sering dijumpai adalah kuda,
kambing dan babi. Pada sapi, kelainan ini jarang. Kriptorchid baik
yang monolateral maupun yang bilateral merupakan kelainan letak
anatomi testis, dan bersifat herediter atau menurun. Penye4babnya
adalah menyempitnya saluran inguinal, sehingga testis tidak dapat
melewati saluran ini dan gagal memasuki skrotum dari rongga perut
pada saat menjelang kelahiran. Pada kuda dan sapi, kelainan anatomi
ini merupakan kelainan genetic yang dibawa oleh gen dominant pada
yang jantan. Hewan jantan penderita kriptorchid yang bilateral
sepenuhnya steril, karena kedua testis yang berada didalam rongga
perut tidak mampu mengadakan proses spermatogenesis, sehingga
tidak dapat dihasilkan sel spermatozoa. Kriptorchid yang monolateral,
proses spermatogenesis masih dapat terjadi pada testis yang berada
dalam rongga skrotum, namun air mani yang dihasilkan mempunyai
konsentrasi rendah dan kondisinya encer. Pada sapi, kambing dan
domba, pejantan yang kriptorchid harus dipotong, setelah dipelihara
dalam rangka penggemukan.
KUIS
1. Sebutkan beberapa faktor agar hukum Hardy-Weinberg berlaku!
2. Mengapa pada populasi yang kecil hukum Hardy-Weinberg tidak
berlaku?
3. Apakah perbedaan antara genetic flow dengan genetic drift?
4. Mengapa pada hukum Hardy-Weinberg mensyaratkan terjadinya
kawin acak?
5. Menurut saudara adakah hubungan antara crossing over dengan
humum Hardy-Weinberg? Jelaskan!
BAB III
KAIDAH MENDEL
Gregor Johann Mendel dilahirkan tahun 1822 pada
kekaisaran Austria (sekarang masuk Republik Ceko). Mendel
mempelajari ilmu genetika dengan menggunakan tanaman ercis
sebagai bahan eksperimen. Melalui percobaannya ini ia
menyimpulkan sejumlah aturan mengenai pewarisan sifat yang
dikenal dengan nama Hukum Pewarisan Mendel. Pada tahun 1856
Mendel memperlihatkan pengalaman-pengalamannya yang masyhur
di bidang pembiakan tumbuh-tumbuhan. Menjelang tahun 1865 dia
sudah menemukan hukum keturunannya yang kesohor dan
mempresentasikan hasil kerjanya di depan perkumpulan ilmuwan di
bidang hayati pada masa tersebut.Tahun 1866 hasil penyelidikannya
diterbitkan oleh majalah Transactions milik perkumpulan itu dengan
judul
"Experiments with Plant Hybrids." Manuskrip keduanya
diterbitkan oleh majalah itu juga tiga tahun kemudian. Kendati
majalah itu bukanlah majalah besar, tetapi banyak terdapat di pelbagai
perpustakaan besar. Di samping itu Mendel mengirim satu salinan
kepada Karl Nageli, seorang tokoh ilmu genetika pada zaman itu.
Karl Nageli membaca salinan itu dan kirim balasan kepada Mendel
namun ilmuwan genetika ini belum dapat menangkap pesan penting
hasil karya Mendel. Sesudah itu karya ilmiah Mendel diabaikan dan
dilupakan orang selama hampir tiga puluh tahun lamanya.
Jerih payah Mendel baru diketemukan kembali tahun 1900
oleh tiga ilmuwan dari tiga bangsa yang berbeda-beda: Hugo de Vries
dari Negeri Belanda, Carl Correns dari Jerman dan Erich von
Tschermak dari Austria. Mereka bekerja secara terpisah ketika
menemukan artikel Mendel. Para ilmuwan ini sudah punya
pengalaman sendiri di bidang botani. Masing-masing secara tersendiri
menemukan hukum Mendel. Pada kurun waktu yang sama William
Bateson, ilmuwan berkebangsaan Inggris, membaca hasil karya
Mendel dan segera mengumumkan dukungannya pada pentingnya
karya Mendel dalam bidang ilmu genetika, sehingga Mendel
mendapat sambutan meriah dan penghargaan atas karya besarnya
yang dilakukan semasa hidup. Mendel mengetahui bahwa pada semua
organisme hidup terdapat unit dasar yang kini disebut gen yang secara
khusus diturunkan oleh orang tua kepada anak-anaknya. Dalam dunia
tumbuh-tumbuhan yang diselidiki Mendel, tiap ciri khusus, misalnya
warna benih, bentuk daun, ditentukan oleh pasangan gene. Suatu
tumbuhan mewariskan satu gen tiap pasang dari tiap induknya.
Mendel menemukan, apabila dua gene mewariskan satu kualitas
tertentu yang berbeda misalnya, satu gen untuk benih hijau dan lain
gene untuk benih kuning akan menunjukkan dengan sendirinya dalam
tumbuhan tertentu itu. Tetapi, gen yang berciri lemah tidaklah hilang
dan mungkin terus tersimpan dan muncul kembali. Mendel
menyadari, tiap kegiatan sel atau gamet (serupa dengan sperma atau
telur pada manusia) berisi pansangan alela. Mendel menegaskan,
hanyalah suatu kebetulan bilamana gen dari satu pasang terjadi pada
satu gamet dan diteruskan kepada keturunan tertentu.
Pemberian sebidang tanah atau bentuk kekayaan lain kepada
seseorang setelah pemiliknya meninggal merupakan tindakan yang sah
dan telah dilaksanakan orang lebih dari 10000 tahun. Berbeda dengan
tipe pewarisan yang sah seperti tersebut di atas, penurunan sifat-sifat
biologi dari orang tua kepada keturunannya disebut kebakaan. Karena
satuan biologi kebakaan itu diberi nama gen, maka ilmu tentang
kebakaan itu disebut genetika. Semua makhluk hidup memiliki sifatsifat turun-remurun, sebab setiap individu berasal dari individu lain
yang semacam. Telah umum diketahui bahwa seekor anjing akan
lebih mirip bapak dan induk anjing daripada mirip dengan kucing,
sebaliknya anak kucing akan lebih mirip bapak dan induk kucing
daripada mirip dengan anjing. Jadi anjing dan kucing memiliki sifat
turun-temurun yang dipunyai oleh anggota jenisnya, tetapi.ddak
semua anjing atau kucing persis sama benar satu sama lain, bahkan
saudari seperindukan pun mungkin memperlihatkan perbedaan yang
nyata. Jadi variasi, yaitu terjadinya perbedaan antar individu
organisme, menutupi kesamaan dasar yang disebabkan kebakaan.
Beberapa dari perbedaan ini juga turun-temurun, tetapi yang lain
tidak. Kadang-kadang suatu perbedaan sifat dapat terjadi karena
perbedaan cara mengasuh (membesarkan). Umpamanya, seekor anak
anjing dari keturunan anjing besar mungkin akan tumbuh menjadi
anjing kecil dan lemah sebab tidak diberi makan secukupnya,
sedangkan anak anjing lain dari kerurunan yang sama yang
memperoleh makanan yang baik akan tumbuh menjadi anjing yang
besar dan kuat. Meskipun demikian, adakalanya perbedaan itu tidak
disebabkan oleh perbedaan pemeliharaan, melainkan disebabkan oleh
sesuaru sifat pembawaan sejak lahir. Pada sekelompok anjing
seperindukan yang dihasilkan dari silangan antara anjing kecil dan
anjing besar, maka anak-anak anjing ini mungkin tumbuh menjadi
anjing dewasa yang berbeda-beda besarnya, walaupun anjing-anjing
itu diberi makan secukupnya. Oleh karena itu, tampaklah bahwa ada
dua macam perbedaan antarindividu organisme: (1) perbedaan yang
ditentukan oleh keadaan luar, yaitu yang dapat ditelusuri dari
lingkungan; dan (2) perbedaan yang dibawa sejak lahir, yaitu yang
dapat ditelusuri dari genetikanya. Ini berarti bahwa setiap makhluk
dewasa harus dianggap sebagai hasil kombinasi antara warisan alami
yang diterima dari orang tuanya dan lingkungan tempat hidupnya.
Dalam bahasa genetika suatu fenotipe (penampilan dan cara
berfungsinya) individu merupakan hasil interaksi antara genotipe
(warisan alami) dan lingkungannya. Dari kaidah umum genetika
pertama ini jelas bahwa tak ada sifat suatu individu yang disebabkan
hanya oleh faktor genetik atau hanya oleh lingkungan. Keduanya
selalu terlibat, sebab sifat mana pun harus memiliki lingkungan untuk
mengekspresikannya. Walaupun sifat khas suatu fenotipe tertentu tak
dapat melulu ditentukan oleh genotipe atau oleh lingkungan, ada
kemungkinan perbedaan fenotipe antara individu yang terpisah itu
disebabkan oleh perbedaan genotipe atau oleh perbedaan.lingkungan
atau oleh kedua-duanya. Jadi, jika dua individu yang memiliki
genotipe yang sama dibesarkan dalam lingkungan yang berbeda, maka
perbedaan apa pun yang mungkin tampak pada fenotipenya tentulah
disebabkan oleh lingkungannya. Demikian pula jika dua individu
dipelihara dalam lingkungan yang konstan, maka perbedaan fenotipe
apa pun yang akan muncul pasti disebabkan oleh genotipenya. Oleh
karena itu, hanya dengan mempelajari perbedaan-perbedaan kita
dapat memisahkan di bagian mana dan bagaimana unsure genetic itu
berperanan. Pada kenyataannya hanya ada satu cara yang paling tepat
unruk menentukan bahwa suatu perbedaan fenotipe itu disebabkan
oleh kebakaan, yaitu dengan cara memperlihatkan bahwa perbedaan
itu dapat direruskan dari satu generasi ke generasi berikutnya. Kaidahkaidah yang mengatur penurunan sifat-sifat dari tetua kepada
kerurunannya berkaitan dengan nama Mendel, dan berikut ini akan
dibahas karya Mendel.
Kaidah-Kaidah Mendel
Manusia tertarik oleh ilmu genetika sejak awal sejarah yang
terekam dan telah diketahui bahwa sejak 6000 tahun yang silam
manusia telah merekam silsilah kuda. Walaupun begitu, sampai kirakira 120 tahun yang lalu, segala usaha untuk menjelaskan hasil
rekaman silsilah itu selalu gagal, sebab peneliti-peneliti itu
memusatkan perhatiannya pada terlalu banyak sifat pada suatu saat
dan akibatnya tidak dapat membedakan mana hutan mana pohon (tak
dapat melihat persoalan). Seorang ilmuwan Austria, yang bernama
Gregor Mendel (1822-1884) adalah orang yang mula-mula dapat
merumuskan kaidah dasar kebakaan dan mencatat penemuannya itu
dalam suatu karya ilmiah yang diterbitkan pada tahun 1866.
Percobaan-percobaan Mendel seluruhnya dikerjakan pada tumbuhan,
terutama Pisum sativum (satu macam ercis), tetapi kesimpulannya
kini dapat diterapkan pada hampir semua bentuk makhluk hidup.
Tidak seperti peneliti-peneliti terdahulu, Mendel membatasi
perhatiannya pada penurunan (transmission) satu atau beberapa sifat
dalam eksperimen penangkaran yang terencana, yaitu suatu
eksperimen yang tumbuhan induknya memperlihatkan satu atau lebih
sifat yang sama tetapi dengan ekspresi yang kontras
ditangkarsilangkan (cross-bred) atau disilangkan, dan catatan yang
teliti dari hasil silangannya selama beberapa generasi disimpan dengan
baik. Keberhasilan Mendel terutama disebabkan oleh cara pendekatan
terhadap masalah yang dilakukan secara logis. Hasil-hasil
pengamatannya, ia lakukan bukan hanya diterangkan melalui metode
pendekatan, tetapi juga melalui saran-sarannya tentang unsur khusus
yang berkaitan dengan apa yang kini disebut gen. Ia telah mencapai
kemajuan yang luar biasa ke arah pemahaman yang nyata tentang
kebakaan. Kehebatan sumbangan Mendel bukan terletak pada
pengamatannya, tetapi pada cara mengambil kesimpulan. Analisisnya
yang teoritis tentang kebakaan itu berada jauh ke depan dari masanya
dan ia sangat kecewa bahwa semasa hidupnya hasii karyanya
dilupakan orang. Baru pada tahun 1900, hasil-hasil Mendel dibaca
oleh para ahli sehingga diketahui betapa pentingnya karya Mendel,
sehingga Mendel menjadi terkenal di seluruh dunia dalam beberapa
bulan saja. Sejak penemuan kembali karya Mendel itu, genetika
menjadi salah satu cabang utama biologi, yang mempengaruhi setiap
aspek biologi, dari mulai proses-proses biokimia dalam sel dan
perilaku virus di satu pihak sampai perilaku populasi dan jalannya
evolusi di lain pihak. Konsep tentang gen sebagai suatu faktor
kebakaan tak disangsikan lagi merupakan salah satu dasar biologi
modern, yang pentingnya sebanding dengan konsep sel dan konsep
evolusi. Dari caranya Mendel menangani program penangkaran
jelaslah bahwa ia menyadari adanya dua persyaratan praktis bagi
keberhasilan perencanaan suaru percobaan yang kritis tentang
kebakaan dari setiap organisme yang bereproduksi secara kawin.
Pertama, persilangan harus dilakukan antar tetua yang memiliki sifat
yang sama tetapi memperlihatkan penampilan yang kontras. Jika
umpamanya kita ingin mempelajari sesuatu tentang kebakaan sifat
pendeknya batang pada tumbuhan tertentu, kita harus menyilangkan
suatu individu yang memiliki batang yang ukurannya normal dengan
individu yang batangnya pendek, sedangkan semua sifat lainnya kira
kesampingkan. Persyaratan kedua ialah bahwa masing-masing
tetuanya harus berasal dari galur penangkaran murni (yaitu suatu galur
individu yang berbiak sejati bagi sifat-sifat yang sedang diamati),
sebab jika persyaratan ini tidak terpenuhi, perbedaan apa pun yang
tampak pada keturunannya tak dapat dianggap berasal dari perbedaan
turun-temurun antara tetuanya.'Galur murni' yang demikian hanya
dapat diperoleh dengan pasti pada organisme yang mengadakan
perkawinan sindiri secara terarur (yang dalam hal tumbuhan berbunga
berarti bahwa setiap bunga secara teratur diserbuk oleh serbuk sarinya
sendiri).
Pewarisan Monohibrid
Koleus belang (Coleus blumei), suatu tanaman kebun yang
umum, cocok dengan persyaratan suatu organisme yang dapat
digunakan untuk percobaan genetika dan dapat dipakai untuk
mempertunjukkan bentuk-bentuk yang khas suatu silangan dengan
hanya saru sifat yang diamati. Silangan yang demikian itu disebut
silangan monohibrid. Sifat C. blumei yang diamati ialah torehan tepi
daun. Beberapa tanaman memiliki tepi,bering git (crenate) dangkal,
tanaman-tanaman lain memiliki daun yang bercoreh (incised) agak
dalam Tanaman yang memperlihatkan salah satu dari sifat ini
selanjutnya akan disebut sebagai tanaman dangkal dan tanaman
dalam. Jika suatu tanaman dangkal yang menangkar sejati disilangkan
dengan tanaman dalam yang pula menangkar sejati (dengan jalan
membuang benang sari muda salah satu tanaman, lalu kita serbuk
kepala putik yang resesif dengan serbuk sari bunga tanaman lain),
maka semua keturunan silangannya memiliki daun bertoreh dalam,
jadi mirip salah satu tipe tetuanya saja. Sifat demikian yang
memunculkan dirinya pada semua turunan suatu silangan antara dua
tetua menangkar sejati (dalam hal ini sifat dalam), disebut dominan,
dan sifat alternatifnya yang tidak muncul (di sini sifat dangkal) disebut
resesif. Bagaimanapun urutannya pelaksanaan silangan ini, hasilnya
ternyata sama, yaitu tanpa memandang apakah tanaman dangkal atau
tanaman dalam yang digunakan sebagai tetua biji (tetua betina) atau
sebagai tetua serbuk sari (tetua jantan). Jika silangan dalam ini, yang
dapat disebut F1 karena silangan ini merupakan generasi filial
pertama, dibiarkan menyerbuk sendiri, maka akan muncul fakta yang
mengagumkan pada F2 atau generasi filial keduanya. Selain hanya
menghasilkan tanaman dalam, seperti halnya tetua (atau generasi P)
dalam, Fl dalam akan menghasilkan satu campuran turunan dalam
dan turunan dangkal yang mirip dengan kedua fenotipe tetua asalnya
tanpa ada individu-individu turunannya dengan rupa antara.
Selanjutnya tampak bahwa tanaman dalam jumlahnya lebih banyak
daripada tanaman dangkal dengan nisbah kira-kira 3:1. Dengan alasan
seperti akan dijelaskan kemudian untuk memperoleh nisbah yang
mendekati angka tersebut perlu diambil contoh dalam jumlah banyak.
Jika individu-individu F2 ini kini dibiarkan menyerbuk sendiri,
terbukti bahwa tanaman pada F3 yang berasal dari F2 dangkal
semuanya adalah anaman dangkal, dan penyerbukan sendiri yang
lebih lanjut menguatkan bahwa tanaman ini menangkar sejati (true
breeding) unruk sifat ini. Walaupun demikian, F2 dalarn tidak
semuanya berperilaku sama dan pada penyerbukan sendiri selanjutnya
akan muncul dua macam. Kira-kira sepertiganya akan hanya berupa
tanaman dalam dan dapat diperlihatkan dengan penyerbukan sendiri
lebih lanjut yang akan menangkar sejati bagi sifat ini, tetapi sisanya
dua pertiga akan menghasilkan tipe dalam dan tipe dangkal menurut
perbandingan 3:1, seperti halnya F2 sendiri. Jadi F2 terdiri atas tiga
genotipe: tipe dalam yang menangkar seiati (seperti salah satu
tetuanya), silangan dalam (seperti F1), dan tipe dangkal yang
menangkar sejati (seperti tetua lainnya). Perbandingan antarta ketiga
genotipe itu berturut-turut 1 : 2 : 1, atau 1/4: 1/2 : 1/4 jika
dinyatakan sebagai bagian dari keseluruhan.
Penjelasan tentang Sikngan Monohibrid
Dari kenyataan bahwa tanaman dangkal tidak muncul pada F1, tetapi
tampak lagi pada F2 bersama-sama dengan tanaman dalam dan tanpa
satupun tipe peralihan, jelaslah bahwa
sesuatu dari tanaman tetua yang repi daunnya dangkal telah terbawa
ke silangan F1 tanpa perubahan, sedangkan pada F2- nya akan
memisahkan diri. Jelas pula, bahwa susuatu ini bukan hanya hanya
sifat dangkal (yang tidak tampak pada F1) tetapi beberapa faktor yang
menentukan perkembangan sifat itu pada tahap yang cocok pada
perkembangan daun tumbuhan tertentu. Faktor penenru
(determinan) suatu sifat turun-temurun seperti pertakikan
(indentation) daun itu disebut gen yang kini dikenal sebagai suatu
segmen tertentu dari satu molekul DNA yang tedetak pada titiktertenru sepanjang kromosom di dalam inti. Jika satu gen memiliki
rebih jari satu keadaan dan masing-masing dari padanya menghasilkan
perbedaan fenotipe, keadaan altenatif ini dikenal dengan istilah alel
(alleles). Pada persilangan yang sedang diamati, gen untuk pertakikan
(lekukan) daun memiliki dua keadaa atau dua alel, yaitu alel dalam dan
alel dangkal.
Karena sel kelamin atau gamet pada organisme yang berkembang
biak melalui perkawinan merupakan satu-satunya hubungan antara
tetua dan keturunannya, jelas juga bahwa gamet harus terlibat dalam
transmisi gen dari generasi ke generasi berikutnya. Pada silangan
monohibrid yang sedang kita amati, tanaman tetua dalam dihasilkan
oleh peleburan kedua gamet dari galur dalam yang menangkar sejati,
tanaman tetua dangkal dihasilkan oleh peleburan dua gamet.dari galur
dangkal yang menangkar sejati, dan F1 dihasilkan oleh peleburan dua
gamet yang masing-masing
satu dari setiap galur, tanpa
mempermasalahkan dari mana silangan itu dilakukan. Hasil-silangan
dapat dijelaskan dengan berasumsi bahwa: (l) setiap sel (kecuali
gamet) tanaman Coleus memiliki dua alel gen yang mengatur
perlekukan daun, satu berasal dari tetua betinanya dan satu yang lain
dari tetua jantan, (2) pada pembentukan gamet (bakal biji dan serbuk
sari) kedua alel itu rerpisah saru dari yang lain atau bersegregasi
dengan hasil bahwa setiap gamet hanyha memiliki satu alel, dan (3)
pada pembuahan gamet-gamet melebur berpasangan secara acak,
sehingga zigot dan individu baru yang berkembang memiliki lagi dua
alel. Daur ini diulang jika gamet-gamet dibentuk oleh generasi baru.
Bagaimana asumsi ini berlaku bila diterapkan pada silangan
monohibrid? Jika alel yang dominan bagi pentakikan dalam
dinyatakan dengan A dan alel yang resesif untuk pentakikan dangkal
dengan a, maka kedua penangkaran murni individu P dapat
dinyatakan dengan AA dan aa, sebab keduanya memiliki dua alel yang
identik dalam setiap sel tubuhnya. Demikian pula individu F1 dapat
dinyatakan denganAa, sebab dalam masing-masing sel tubuhnya
terdapat satu alel A dan saru alel a. Atas dasar bahwa alel akan
bersegregasi iika gamet terbentuk, maka setiap individu P akan
memberikan hanya satu macam gamet (baik bakal bijinya maupun
serbuk sarinya) yang berisi alel A (jika individu itu AA), atau alel a
jika individu itu aa). Demikian pula individu F1 akan menghasilkan
dua macam gamet betina (bakal biji), A dan a, dalam jumlah yang
sama, dan dua macam gamet jantan (serbuk sari), dalam jumlah yang
sama. Bila suatu bakal biji A dibuahi oleh satu serbuk sari A hasilnya
ialah tumbuhan AA, yang pada gilirannya hanya akan menghasilkan
gamet A, jadi menangkar sejati. Jika satu bakal biji a dibuahi oleh
serbuk sari a, akan kita peroleh tumbuhan ad yang juga menangkar
sejati. Akan terapi jika satu bakal biii A dibuahi oleh serbuk sari a,
atau sebaliknya, maka akan kita peroleh satu tumbuhan Aa, yang
seperti individu F1 akan menghasilkan gamet A dan a, dan
terulanglah pola keturunan F2, bila menyerbuk sendiri. Hanya
kebetulan (chance) yang akan menentukan yang mana dari kedua alel
yang ada dalam sel tubuh suatu individu itu yang akan memasuki
suatu gamet tertentu. Kebolehjadian atau probabilitas bahwa suatu
gamet F1 bakal biji atau serbuk sari) akan membawa alel dominan A
adalah satu dari dua, atau 1/2, seperti halnya dengan satu mata uang
yang dilemparkan ke udara memiliki kemungkinan yang sama (yaitu
probabilitas 1/2 ) untuk jatuh dengan bagian muka atau bagian
belakang menghadap ke atas. Probabilitas bahwa suaru gamet
rertenru, bakal biji atau serbuk sari, akan membawa alel resesif a
adalah1/2 juga. Kebetulan juga menerirukan apakah bakal biji A arau
a yang akan dibuahi oleh serbuk sari a, sebab pembuahan merupakan
suaru kejadian acak (random elrent). Jadi pengaturan transmisi gen itu
bergantung pada hukum kebetulan yang berlaku pula bagi simua
kemungkinan atau kejadian acak. Suatu individu F2 yang bergenotipe
AA sudah pasti berasal dari bakal biji A yang dibuahi oleh serbuk sari
A. Karena probabilitas bakal biji F1 dengan kandungan A adalah ½
dan probabilias dari serbuk sari F1 dengan kandungan A juga ½ maka
probalitas untuk memperoleh biji pada F2 dengan kandungan A
melalui pembuahan acak ialah ½ x ½ = ¼. Kesimpulan ini
merupakan contoh penerapan hasil kali hukum probalibitas yang pada
pokoknya menyatakan bahwa probabilitas kejadian yang simultan dari
dua arau lebih peristiwa yang independen adalah sama dengan hasil
kali probabilitas dari kejadian-kejadian itu secara terpisah. Dengan
mengikuti pemikiran yang sama unruk genotipe F2 yang lainnva,
maka penyerbukan sendiri dari F1 dapat dilukiskan sebagai berikut:
F1: Aa x Aa
Bakal Biji
F1: ½ A x 1/2a
Serbuk Sari F1: ½ A x ½ a
Genotip
F2: ¼ AA + ¼ Aa + 1/4aA + 1/4aa
= ¼ AA + ½ Aa + 1/4aa
Genotip dengan susunan rersebut dalam perbandingan
Seperti di atas memberikan nisbah genotipe 1:2:1, atau karena
individu AA dan Aa akan nampak serupa maka nisbah fenoripenya
adalah 3:1. Jadi asumsi kita mengarah pada penjelasan yang sesuai
dengan hasil pengamatan. Silangan monohibrid dari geneiasi tetua ke
generasi F1 ditafsirkan dengan metode probabilitas unruk
perhitungan nisbah gamet dan zigot.
Beberapa Istilah Genetika yang Bermanfaat
Sampai di sini sudah sepantasnya diperkenalkan, beberana
istilah yang akan membantu dalam menjelaskan tentang silangansilangan yang ada dalam istilah genetika. Salah satu asumsi yang
digunakan untuk menjelaskan nislah monohibrid ialah bahwa setipa
sel tumbuhan Coleus (arau setiap organisme diploid) memiliki dua
alel suatu gen tertentu, satu berasal dari tetua betina dan satu lagi dari
tetua janran. Jadi suatu individu dapat memiliki dua alel yang identik,
AA atau aa, arau dua alel tidak identik Aa. Individu-individu hasil
penangkaran murni mempunyai alel identik disebut homozigus
(homozigous) , atau satu homozigot, untuk sifat tertentu, sedang
individu silangan yang kedua mempunyai alel tidak identik disebut
heterozigus, atau satu heterozigot. Istilah fenotipe yang digunakan
untuk menyatakan rupa suaru individu yang berkaitan dengan sifat
atau sifat-sifat tertentu, dan istilah genotipe yang menyatakan
susunan genetika suaru individu yang berkaitan dengan sifat, atau
sifat-sifat yang sama, telah dikemukakan sebelumnya.Tetapi perlu
kiranya dicatat bahwa fenotipe suatu individu biasanya dinyatakan
dengan kata-kata atau ungkapan deskriptif (umpamanya dalam,
dangkal, tipe liar), sedangkan genotipe biasanya dinyatakan dengan
huruf (misalnya
AA, Aa, aa).
Silang-Uji (Testcross) Monohibrid.
Seperti telah dikemukakan individu AA dan Aa dari Coleus
blumei memiliki tepi daun bertakik dalam, sebab alel A sepenuhnya
dominan terhadap alel a. Hal ini menimbulkan pertanyaan bagaimana
individu homozigot dan heterozigot yang fenotipnya dominan dapat
dibedakan saru sama lain. Salah satu cara untuk menjawab adalah
dengan cara menyilangkan fenotip dominan dengan fenotip resesif
yang homozigot. Silangan demikian disebut silang uji, dan hasilnya
akan sesuai dengan salah satu dari dua pola yang berbeda sejalan
dengan apakah fenotip yang dominan itu homozigot atau heterozigot.
Silang uji homozigot dominan
AA (dalam) X aa (dangkal)
Bakal biji semua adalah A
Serbuk sari semua adalah a
Keturunan semua adalah Aa (dalam)
Silang uji heterozigot dominan
Aa (dalam) X aa (dangkal)
Bakal biji ½ A + ½ a
Serbuk sari semuanya adalah a
Keturunannya ½ Aa (dalam) + ½ aa (dangkal)
Terlihat jika individu yang diuji itu homozigot bagi alel
dominan, semua keturunan silang uji itu memperlihatkan sifat
dominan. Jika individu yang diuji heterozigot maka keturunannya
terdiri atas 50% dengan sifat dominan dan 50% dengan sifat resesif.
Jumlah keturunan suatu silang uji harus cukup tinggi (tidak kurang
dari tujuh atau delapan) untuk memastikan bahwa tidak adanya
fenotip resesif yang mungkin terjadi diantara keturunan itu tidak
disebabkan karena kebetulan, jadi dapat diuji dengan statistika dalam
pengertian modern.
Pewarisan Dihibrid
Setelah mcmperharikan apa yang terjadi pada sacu silangan
yang melibatkan satu gen, apakah yang akan terjadi bilamana dua gen
yang masing-masing memperlihatkan pewarisan monohibrid yang
khas terlibat dalam silangan yang sama? Selain sifat pelekukan daun
dari Coleus blumei yang digunakan untuk menunjukkan pewarisan
monohibrit, sifat temuan-temuan lainnya pada daun tanaman ini ialah
pola peruratannya. Ada dua alternatif ekspresi fenotipe dari sifat ini,
yang selanjunya disebut dengan istilah teratur dan tidak teratur.
Dengan menggunakan silangan monohibrid akan terlihat bahwa tak
teratur dominan terhadap teratur. Persilangan antara kedua tanaman
C. Blumei yang menangkar sejati yang berbeda pertakikan atau
perlekukan dan peruratan daunnya akan menghasilkan individu F1
yang dalam tak-teratur. F1 yang sama, tanpa memandang apakah kedua
alel dominan, dalam (A) dan tak-teratur (diberi lambang B), berasal jari
satu tetua atau kedua-duanya resesif, dangkal (a) dan terarur (b) berasal
dari tetua lainnya, atau apakah satu dominan (A atau B) dan satunya
resesif (a atau b) berasal dari masing-masing tetua. Selanjutnya, seperti
halnya pada silangan monohibrid, tidak peduli dari tetua yang mana,
jantan atau betina, alel tertentu akan muncul. Diekspresikan dengan
lambang, F1-nya akan sama, bagaimanapun keempat kemungkinan
silangan itu dibuat:
Tetua betina
Tetua Jantan
AA BB
x
aa bb
aa bb
x
AA BB
AA bb
x
aa BB
aa BB
x
AAbb
Dari kenyataan bahwa pemunculan F1 adalah sama (yaitu
dalam tak-teratur) tak perduli apakah kedua alel dominan itu berasal
dari tetua yang sama atau dari retua yang berbeda, dapatlah
disimpulkan bahwa gen untuk pertakikan daun (A/a) dan peruraran
daun (B/b)tidak saling mengganggu dalam .menghasilkan efek pada
fenotipe, yaitu keduanyak bertindak bebas (independen). Seandainya
individu F1 kemudian diserbuk sendiri untuk menghasilkan individu
F2, keempar fenotipe yang mungkin terjadi (dalam tak teratur, dalam
teratur, dangkal tak teratur, dan dangkal teratur) semuanya akan
muncul. Selanjutnya, tanpa memandang dari mana keempat tipe
persilangan individu Fl yang diserbuk sendiri itumuncul, angka
perbandingan fenotipe F2-nya akan mendekati nisbah ideal, yaitu
9:3:3:1 dengan perincian sebagai berikut:
A- B- (9)
dalam tak teratur
(memperlihatkan kedua-duanya dominan)
A- bb (3)
dalam teratur
(memperlihatkan yang pertama dominan dan yang kedua resesif)
Aa Bdangkal tak teraturt
(memperlihatkan yang kedua dominan dan yang pertama resesif)
Aa bb (1)
dangkal teratur
(memperlihatkan kedua-duanya resesif).
Catatan: Cara pemberian tanda fenotipe dengan kombinasi
penggunaan huruf dan garis, seperti A- B- untuk mei silangan yang
di dalamnya dominasi sifat atau sifat-sifat adalah lengkap. Suatu
individu yang diberi tanda A- B- bapat berarti salah satu dari keempat
kemungkinan genotipe, yaitu AA BB, Aa BB, Aa Bb, AA ABb, Aa
Bb). Bila tanaman F2 diserbuk sendiri untuk menghasilkan tanaman
F3 seperti dilakukan pada silangan monohibrid, maka terjadi
kemungkinan untuk mengklasiflkasikan individu F2 ke dalam
genotip masing-masing berdasarkan apakah tumbuhan yang sedang
diamati menangkar sejati atau tidak dinilai dari perlekukan
(pertakikan) atau peruratan daun saja atau diamati kedua-duanya.
Penjelasan tentang Silangan Dihibrid
Telah dijelaskan nisbah genotipe F2, yaitu 1 AA : 2 Aa : 1 aa,
bagi satu silangan monohibrid dapat diterangkan oleh kombinasi acak
antara gamer jantan dan gamet betina, yang kedua-duanya memiliki
dua tipe (A dan a) dalam jumlah yang sama. Untuk menjelaskan hasil
silangan dihibrid perlu dibuat asumsi tambahan bahwa gen untuk
kedua sifat itu bersegregasi dan berkombinasi kembali secara bebas
dan sendiri-sendiri, sehingga selama pembentukan gamet terdapat
kemungkinan yang sama bahwa A atau a akan bergabung, baik
dengan B maupun dengan b. Heterozigot ganda F1 dengan susunan
genetik Aa Bb, karenanya akan dapat diharapkan memberikan jumlah
yang sama untuk keempat macam gamet, AB, Ab, aB, dan ab.
Dengan menggunakan metode probabilitas seperti yang digunakan
bagi kasus monohibrid, keempat macam gamer ini dapat diharapkan
berkombinasi secara acak sebagai berikut:
Bakal biji F1
Serbuk sari F1
¼ AB 1/4 Ab ¼ aB 1/4 ab
¼ AB 1/4 Ab ¼ aB 1/4 ab
Genotipe F2
1/16 AA BB 1/16 AA Bb 1/16 Aa BB 1/16 Aa Bb (baris atas x ¼ AB)
1/16 AA Bb 1/16 AA bb 1/16 Aa Bb 1/16 Aa bb (baris atas x ¼ Ab)
1/16 AA BB 1/16 Aa Bb 1/16 aa BB 1/16 aa Bb (baris atas x ¼ aB)
1/16 Aa Bb 1/16 Aa bb 1/16 aa Bb 1/16 aa bb (baris atas x ¼ AB)
Keenam belas kombinasi zigot ini dapat diringkaskan menjadi
sembilan genotipe yang menghasilkan nisbah genotipe:
9:3:3:1
1/16 AA BB 1/16 AA bb 1/16 aa BB 1/16 aa bb
2/16 Aa BB 2/16 Aa bb 2/16 aa Bb
2/16 AA Bb
4/16 Aa Bb
------------------------------------------------------------------------------------------------------9/16 A- B(dalam tak teratur)
3/16 A- bb
( dalam teratur)
3/16 aa B(dangkal tak teratur)
1/16 aa bb
( dangkal teratur)
Dari keempat fenotipe yang timbul pada F2 dari silangan
dihibrid, dua selalu sama dengan tetuanya, tetapi yang dua lagi adalah
baru, atau tipe rekombinan (recombinant) yaitu tipe yang sifat
teruanya dikombinasikan kembali menurut cara yang berbeda.
Misalnya, jika kedua fenotipe tetuanya adalah dalam tak teratur dan
dangkal teratur, lalu kedua fehotipe rekombinannya adalah dalam
teratur dan dangkal tak teratur. Sifat silang dihibrid ini mudah
dijelaskan menurut asumsi yang dibuat sebagai berikut: suaru tanaman
F1 dari silangan antara dalam tak teratur x dangkal teratur (yaitu AA
BB x aa bb) dihasilkan dari pelebura antara gamet terua tipe AB dan
ab. F1 demikian pada gilirannya akan menghasilkan gamet bukan
hanya kedua tipe tetuanya, melainkan juga kedua tipe rekombinannya
, yaitu Ab dan aB, dan selanjutnya akan menghasilkan semua keempat
tipe itu dalam jumlah yang sama. Sebaliknya jika tanaman F1
dihasilkan dari silangan dalam teratur X dangkal tak teratur (AA bb X
aa BB), tipe gamet tetuanya adalah Ab dan aB, dan tipe
rekombinannya adalah AB dan ab, tetapi lagi-lagi frekuensi gamet
rekombinannya sama dengan pada tipe tetuanya. Terbentuknya tipe
tetua dan tipe rekombinan gamet dalam jumlah yang sama pada
kenyataannya adalah kriteria segregasi bebas dari kedua gen itu.
KUIS
1. Jelaskan apa yang dimaksud segregasi bebas menurut Mendel!
2. Menurut saudara apakah kelebihan Mendel dibanding peneliti
lain pada zamannya.
3. Mengapa dalam penelitian genetika diperlukan induk dari
galur murni untuk meneliti sifat-sifat tertentu?
BAHAN BACAAN
1. Arthur C Guyton and John E.Hall. 1996. Textbook Of
Medical Physiology. 9th.ed W.B aunders Company.
Pennsylvania
2. Aitken RJ, Paterson M, van Duin M. 1996. The potential of
the
zona
pellucida
as
a
target
for
immunocontraception. Am Journal
3. D. L. Hartl and A. G. Clark.. 2000. Principles of Population
Genetics . Sinauer
4. J. F. Crow and M. Kimura. 2001. An Introduction to
Population Genetics Theory. Burgess Publishing Alpha Editions
5. Kimball, J. 2009. Recombinant DNA. http://users.rcn.com/
jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/R/RecombinantD
NA.html. Diakses tanggal 19 Juni 2010.
6. Scumdoctor. 2006. Rekombinan DNA dan Faktor
Pembekuan. http://www.scumdoctor.com. Diakses
tanggal 2 Juni 2010.
7. Schwerin, M., G. Brockmann, J. Vanselow, and H.M. Seyfert.
1995. Perspectives of molecular genome analysis in
livestock improvement. Archiv fur Tierzucht Archives of
Animal Breeding 38: 21-31
8. Soller, M. 1994. Marker assisted selection - an overview.
Animal Biotechnology 5: 193-207
9. Sutarno. 1998. Candidate gene marker for production traits in
beef cattle. In Veterinary Biology. Perth: Murdoch
University.
10. Zaifbio. 2010. Genetika Populasi. http ://www.zaifbio.edu.
Diakses tanggal 15 Juni 2010.
11. Okasha, Samir. 2006. Population Genetics.http: //plato.stanford.
edu/entries/population-genetics/.Diakses tanggal 22
Juni 2010
12. Suryo. 2008. Genetika: Strata 1.Gadjah Mada University
Press: Yogyakarta
Kata Pengantar
Atas berkat rahmat Allah SWT, saya telah berhasil
menyelesaikan buku ajar yang berjudul Genetika Rekombinasi dan
Populasi. Buku ajar ini merupakan bagian dari sub topik bahasan
dalam ilmu Genetika yang disampaikan pada kuliah mahasiswa S1 di
Jurusan Biologi Universitas Brawijaya.
Buku ajar ini disusun untuk membantu mahasiswa memahami
beberapa pokok bahasan yang terkait dengan terjadinya rekombinasi
gen maupun masalah populasi dan faktor-faktor yang terlibat.
Buku ajar
ini akan terus disempurnakan mengingat
perkembangan ilmu pengetahuan sangat dinamis. Kritik dan saran
yang bersifat membangun sangat diharapkan untuk kesempurnaan
materi di dalamnya.
Malang, 2010
Penulis
1.
2.
3.
4.
DAFTAR ISI
Kata Pengantar.......................................................................................i
Daftar Isi................................................................................................ii
BAB I. Rekombinasi DNA..................................................................1
Teknologi DNA Rekombinasi............................................................1
Dasar Teknologi Rekombinasi............................................................3
Perangkat Teknologi DNA Rekombinasi..........................................6
Enzim Seluler.........................................................................................9
Vektor Natural.....................................................................................10
Manfaat Teknologi Rekombinasi DNA...........................................10
Cara Pembuatan Insulin Secara Rekombinan.................................19
Rekombinasi Membutuhkan Enzim Spesifik..................................20
Isolasi DNA.........................................................................................21
Enzim Restriksi....................................................................................22
Ligasi Molekul DNA..........................................................................25
Transformasi Sel Inang......................................................................26
Seleksi Transformasi Dan Seleksi Rekombinan.............................27
Gen Imunoglobulin Dirakit Dengan Rekombinasi.......................32
BAB II. Genetika Populasi.................................................….……35
Frekuensi Alel.....................................................................................37
Mutasi...................................................................................................38
Seleksi...................................................................................................40
Genetic Drift.......................................................................................41
Frekuensi Genotipe Dan Frekuensi Alel........................................44
Isolasi Reproduksi..............................................................................51
Isolasi Ekogeografi.............................................................................51
Isolasi Habitat.....................................................................................52
Isolasi Iklim Musim............................................................................52
Isolasi Perilaku.....................................................................................52
Isolasi Mekanik....................................................................................53
Isolasi Gamet.......................................................................................53
Isolasi Perkembangan.........................................................................54
Ketidak Mampuan Hidup Suatu Hibrida........................................55
Faktor Yang Berpengaruh Pada Keseimbangan HardyWeinberg..............................................................................................56
Kawin Acak.................................................................................56
Migrasi.........................................................................................56
Mutasi...........................................................................................57
Seleksi...........................................................................................57
Kawin Tidak Acak.....................................................................58
Di Alam Perkawinan Antar Spesies Jarang Terjadi...............58
Isolasi Prazigot.....................................................................................61
Isolasi Postzigot...................................................................................62
5. BAB III. Kaidah Mendel....................................................................65
Kaidah-kaidah mendel........................................................................68
Pewarisan monohibrid........................................................................69
Penjelasan tentang silangan monohibrid..........................................71
Silang uji (testcross) monohibrid......................................................74
Pewarisan dihibrid...............................................................................75
Bahan bacaan.......................................................................................80
Buku Ajar Genetika MAB4261
GENETIKA REKOMBINASI DAN
POPULASI
oleh
Muhaimin Rifa’i, PhD.Med.Sc
JURUSAN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN
ALAM
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
MALANG
2010
Genetika
G
enetika Rekombinasi &
P
opulasi
Genetika
Untuk Mahasiswa Biologi
G
enetika Rekombinasi &
Populasi
Genetika Rekombinasi dan Populasi
Muhaimin Rifa’i
Edisi Pertama
Diterbitkan oleh:
Galaxy Science
Jl. Kamelia 21, Malang, 65145
Telp: 0341-3140691
Email: [email protected]
ISBN: 978-602-97628-1-5
Editor : Widodo, PhD.Med.Sc dan Dr. M. Sasmito Djati
Tata Isi : Dr. Eng. Agus Naba
Desain Sampul: Kalvin
Hak cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak atau
memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini ke dalam bentuk apapun,
secara elektronis maupun mekanis, termasuk fotokopi, merekam, atau dengan
teknik perekaman lainnya, tanpa izin tertullis penerbit.
Undang-Undang Nomor 19 Tahun 2000 tentang Hak Cipta, Bab XII
Ketentuan Pidana, Pasal 72, Ayat (1), (2), dan (6).
1.
2.
3.
Barang siapa dengan sengaja dan tanpa hak melakukan perbuatan
sebagaimana dimaksud dalam Pasal 2 Ayat (1) dipidana dengan pidana
penjara masing-masing paling singkat 1 (satu) bulan dan/atau denda paling
sedikit Rp. 1000.000,00 (satu juta rupiah), atau pidanan penjara paling lama
7 (tujuh) tahun dan/atau denda paling banyak Rp.5000.000.000 (lima miliar
rupiah)
Barangsiapa dengan sengaja menyiarkan, memamerkan, mengedarkan, atau
menjual kepada umum suatu ciptaan atau barang hasil pelanggaran Hak
Cipta atau Hak Terkait sebagaimana dimaksudkan pada ayat (1), dipidana
dengan pidana penjara paling lama 5 (lima) tahun dan/atau denda paling
banyak Rp.500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah).
Barang siapa dengan sengaja dan tanpa hak melanggar Pasal 24 atau Pasal
55 dipidana dengan pidana penjara paling lama 2 (dua) tahun dan / atau
denda paling banyak Rp. 150.000.000,00 (seratus lima puluh juta rupiah).
Garis-garis Besar Program Pengajaran (GBPP)
Judul Mata Kuliah
Kode Mata Kuliah
Dosen
Deskripsi Singkat
: GENETIKA
: MAB4261
: Muhaimin Rifa’i, SSi, PhD.Med.Sc, Dr. Ir.
Estri Laras A, MScSt, Dra. Fatchiah, PhD,
Widodo, SSi, PhD.Med.Sc
: Menjelaskan dan membahas tentang materi
dan dasar-dasar pewarisan sifat, kromosom
dan materi genetik, perubahan materi
pewarisan sifat dan pengaruhnya dalam
ekspresi gen dan pewarisan sifat dalam
populasi, perkecualian mendel, pautan seks,
mutasi dan perbaikan DNA, struktur
kromosom, kode genetik, transkripsi dan
translasi, DNA ekstrakromosom, crossing
over, pemetaan kromosom, rekombinasi, dan
genetika populasi.
Tujuan Instruksional Umum: Setelah menempuh mata kuliah
Genetika, mahasiswa mampu menjelaskan
dan menganalisis materi dan dasar-dasar
pewarisan sifat, perubahan materi pewarisan
sifat dan pengaruhnya serta pewarisan sifat
dalam populasi.
Referensi:
Strickberger, M.W. 1985. Genetics. Macmillan Pub. Co. New York.;
Lewin. B. 1994. Genes V. John Wiley and Sons, New York.; Surya.
1991. Genetika Manusia. Gadjah Mada University Press. Yogyakarta.
Kelas B
JADWAL KULIAH : GENETIKA (MAB 4261)
HARI/JAM: RABU/11.10 – 13.50
RUANG : MP 1.4
Dosen Pengajar : Dr. Ir. Estri Laras Arumingtyas, MScSt (ELA,
Koordinator); Fatchiyah, PhD (FAT); Muhaimin Rifai, PhD (MR); Dr. Sri
Widyarti, MS (SW).
No.
Tanggal
1.
24-02-2010
2.
03-03-2010
3.
10-03-2010
4.
17-03-2010
5.
24-03-2010
6.
31-03-2010
7.
07-04-2010
8.
14-04-2010
9.
21-04-2010
10.
28-04-2010
11.
05-05-2010
12.
13.
Materi
Dosen
Structure and function of chromosomes and gene
(DNA) (Tugas)
Kode genetic, Transkripsi, Translasi dan protein (Kuis)
FAT
DNA ekstrakromosomal (DNA plasmid, DNA
mitokondria, DNA kloroplas) (SCL)
Mendelisme : monohybrid, dihibrid, segregasi,
independent assortment (Tugas)
Teori kemungkinan dan pewarisan sifat (Tugas)
FAT
FAT
ELA
ELA
Perkecualian Mendel : interaksi alel, interaksi gen,
poligen, alel ganda, penentuan seks, terpaut seks (Kuis)
Sexual and asexual reproduction in relation with
alternation of generations, sex linked characteristics
and their transmission (SCL)
(Tugas) UTS
ELA
SW
12-05-2010
Mitosis and meiosis, the relation with cell cycle,
chromosome movements and definitions of haploid
and diploid (Tugas)
Kromosom, variasi kromosom dan kelainan
Kromosom (Kuis)
Structure and details of prokaryotic DNA duplication
including details of DNA polymerase. (SCL)
Mutasi dan repair DNA(Tugas)
19-05-2010
Linkage, dan crossing over (Tugas)
MR
14.
26-05-2010
Pemetaan kromosom (Tugas)
MR
15.
02-06-2010
Rekombinasi (Kuis)
MR
16.
09-06-2010
Genetika Populasi (SCL)
MR
Mengetahui
Ketua Jurusan Biologi FMIPA
Univ. Brawijaya
Dr. Sri Rahayu, MKes
NIP.131 652 770
ELA
TIM
SW
SW
SW
Koordinator
Dr. Ir. Estri Laras A., MScSt
NIP. 131 759 546