3. Ilmu-ilmu Bioteknologi Mikrobiologi Biologi Sel
advertisement
BIOTEKNOLOGI Oleh An Nisa Febrianti Apa aja sih materi yang dipelajari di Bioteknologi ??? Pernahkah kamu melihat cara pembuatan kecap? Pernahkah pula kamu membayangkan bagaimana petani bercocok tanam tanpa menggunakan tanah sebagai tempat menanam tanaman? Tentu kalian pernah mendengar atau membaca tentang tanaman atau makanan hasil rekayasa genetika.Tempe, tapai, kecap, vaksin, tanaman dan makanan hasil rekayasa genetika merupakan hasil dari bioteknologi. Bioteknologi berasal dari istilah latin yaitu bio (hidup), teknos (teknologi = penerapan), dan logos (ilmu), yang secara harfiah berarti ilmu yang menerapkan prinsip-prinsip biologi. Bioteknologi didefinisikan sebagai proses-proses biologi oleh organisme yang dimanfaatkan oleh dan untuk kepentingan manusia. Bioteknologi bukan teknologi yang mampu menghidupkan bendabenda mati atau menciptakan makhluk hidup. Mikrobiologi Biologi Genetika Biokimia Sel Mikrobiologi merupakan ilmu yang mempelajari mikroorganisme. Contoh pemanfaatan dalam bidang industri yaitu pembuatan yoghurt dengan menggunakan bakteri Lactobacillus. Bukan hanya itu, hasil pemanfaatan dengan menggunakan mikroorganisme yaitu pada pembuatan tempe, kecap, oncom, tapai ketan , dll. Biologi sel (juga disebut sitologi, dari bahasa Yunani kytos, "wadah") adalah ilmu yang mempelajari sel. Hal yang dipelajari dalam biologi sel mencakup sifat-sifat fisiologis sel seperti struktur dan organel yang terdapat di dalam sel, lingkungan dan antaraksi sel, daur hidup sel,pembelahan sel dan fungsi sel (fisiologi), hingga kematian sel. Pada sel tumbuhan mempunyai kemampuan untuk tumbuh menjadi tanaman yang sempurna bila diletakkan dalam lingkungan yag sesuai. Kemampuan semacam ini dinamakan totipotensi. Totipotensi dikembangkan sebagai dasar dalam pengembangan tumbuhan secara in vitro atau kultur jaringan. Contohnya pada tanaman anggrek, tembakau, karet, dan coklat. Genetika merupakan cabang biologi yang mempelajari pewarisan sifat-sifat genetik makhluk hidup dari satu generasi ke generasi berikutnya. Genetika berusaha menjelaskan: • material pembawa informasi untuk diwariskan (bahan genetik), • bagaimana informasi itu diekspresikan (ekspresi genetik), dan • bagaimana informasi itu dipindahkan dari satu individu ke individu yang lain (pewarisan genetik) Insulin manusia yang diproduksi oleh bakteri E. coli Biokimia merupakan cabang ilmu kimia yang mempelajari makhluk hidup dari aspek kimia. Para ahli bioteknologi memperlakukan makhluk hidup sebagai bahan kimia yang dapat dipadukan dan direkayasa. Tradisional Modern Teknologi ini melibatkan pembuatan suatu produk yang umum dihasilkan oleh mikroorganisme. Pada proses bioteknologi ini, manusia hanya memodifikasi prosesnya, dan mikroorganisme nya, sehingga dalam suatu industri dapat diperoleh produk dalam jumlah besar. Bioteknologi ini memanfaatkan mikroorganisme untuk memproduksi alkohol, asam asetat, gula, atau bahan makanan. Bidang Pangan Kecap Tapai ketan Tempe Bidang Pertanian Hidroponik Aeroponik Bidang Peternakan Bidang Kesehatan dan Pengobatan Dalam pembuatan kecap, jamur, Aspergillus oryzae dibiakkan pada kulit gandum terlebih dahulu. Jamur Aspergillus oryzae bersama-sama dengan bakteri asam laktat yang tumbuh pada kedelai yang telah dimasak menghancurkan campuran gandum. Setelah proses fermentasi karbohidrat berlangsung cukup lama akhirnya akan dihasilkan produk kecap. Tape dibuat dari bahan dasar ketela pohon dengan menggunakan sel-sel ragi. Ragi menghasilkan enzim yang dapat mengubah zat tepung menjadi produk yang berupa gula dan alkohol. Masyarakat kita membuat tape tersebut berdasarkan pengalaman. Tempe merupakan makanan yang mengandung nilai gizi yang sangat baik. Karena memiliki manfaat yang banyak untuk tubuh kita. Untuk membuat tempe, selain diperlukan bahan dasar kedelai juga diperlukan ragi. Ragi merupakan kumpulan spora mikroorganisme, dalam hal ini kapang Hidroponik berasal dari kata bahasa Yunani hydro yang berarti air dan ponos yang berarti bekerja. Jadi, hidroponik artinya pengerjaan air atau bekerja dengan air. Dalam praktiknya hidroponik dilakukan dengan berbagai metode, tergantung media yang digunakan. Adapun metode yang digunakan ialah : metode kultur air (menggunakan media air) metode kultur pasir (menggunakan media pasir) metode porus (menggunakan media kerikil, pecahan batu bata, dan lainlain) Metode yang tergolong berhasil dan mudah diterapkan adalah metode pasir. Aeroponik berasal dari kata aero yang berarti udara dan ponos yang berarti daya. Jadi, aeroponik adalah pemberdayaan udara. Sebenarnya aeroponik merupakan tipe hidroponik (memberdayakan air), karena air yang berisi larutan unsur hara disemburkan dalam bentuk kabut hingga mengenai akar tanaman. Akar tanaman yang ditanam menggantung akan menyerap larutan hara tersebut. Bioteknologi tradisional di bidang peternakan , misalnya pada domba ankon yang merupakan domba berkaki pendek dan bengkok , sebagai hasil mutasi alami dan sapi Jersey yang diseleksi oleh manusia agar menghasilkan susu dengan kandungan krim lebih banyak . Beberapa contoh bioteknologi tradisional di bidang pengobatan , misalnya antibiotic penisilin yang digunakan untuk pengobatan , diisolasi dari bakteri dan jamur , dan vaksin yang merupakan mikroorganisme yang toksinnya telah dimatikan bermanfaat untuk meningkatkan imunitas. Bioteknologi modern merupakan bioteknologi yang memanfaatkan biologi sel dan biologi molekuler untuk membuat produk yang bermanfaat bagi kehidupan dan kesejahteraan manusia. › Bioteknologi modern didasarkan pada manipulasi atau rekayasa DNA dilakukan dengan memodifikasi gen-gen spesifik dan memindahkannya pada organisme yang berbeda seperti bakteri, hewan, dan tumbuhan. Rekayasa Genetika Bidang Peternakan Bidang Kedokteran Pengolahan Limbah Bahan Bakar Masa Depan Rekayasa genetika merupakan suatu cara memanipulasikan gen untuk menghasilkan makhluk hidup baru dengan sifat yang diinginkan. Rekayasa genetika disebut juga pencangkokan gen atau rekombinasi DNA. Dalam rekayasa genetika digunakan DNA untuk menggabungkan sifat makhluk hidup Hal itu karena DNA dari setiap makhluk hidup mempunyai struktur yang sama, sehingga dapat direkomendasikan. Selanjutnya DNA tersebut akan mengatur sifatsifat makhluk hidup secara turun-temurun. Untuk mengubah DNA sel dapat dilakukan melalui banyak cara, misalnya melalui transplantasi inti, fusi sel, teknologi plasmid, dan rekombinasi DNA. contoh pada bidang peternakan berupa hormon pertumbuhan yang dapat merangsang pertumbuhan hewan ternak. Dengan rekayasa genetika dapat diciptakan hormon pertumbuhan hewan buatan atau BST (Bovin Somatotropin Hormon). Hormon tersebut direkayasa dari bakteri yang, jika diinfeksikan pada hewan dapat mendorong pertumbuhan dan menaikkan produksi susu sampai 20%. Bioteknologi mempunyai peran penting dalam bidang kedokteran, misalnya dalam pembuatan antibodi monoklonal, vaksin, antibiotika dan hormon. antibiotik vaksin Kaleng, kertas bekas, dan sisa makanan, sisa aktivitas pertanian atau industri merupakan bahan yang biasanya sudah tak dikehendaki oleh manusia. Bahan-bahan tersebut dinamakan limbah atau sampah. Keberadaan limbah sangat mengancam lingkungan. Oleh karena itu, harus ada upaya untuk menanganinya. Penanganan sampah dapat dilakukan dengan berbagai cara, misalnya dengan ditimbun, dibakar, atau didaur ulang. Kamu sudah mengetahui bahwa bahan bakar minyak termasuk sumber daya yang tidak bisa diperbarui. Oleh karena itu, suatu saat akan habis. Hal itu merupakan tantangan bagi para ilmuwan untuk menemukan bahan bakar pengganti yang diproduksi melalui bioteknologi. Mikroorganisme Penghasil makanan dan minuman Penghasil obat Pembasmi hama tanaman Pengolah limbah Pemisah logam dari bijih logam Kultur Jaringan Rekayasa Genetik Bioteknologi tradisional maupun modern telah menggunakan mikroorganisme sebagai bagian suatu proses untuk menghasilkan produk dan jasa. Bioteknologi umumnya menggunakan mikroorganisme seperti bakteri, khamir, dan kapang. Bioteknologi dengan menggunakan mikroorganisme dapat menghasilkan makanan dan minuman karena dapat tumbuh dengan cepat, mengandung protein yang cukup tinggi dan dapat menggunakan produk-produk sisa sebagai substratnya misalnya dari limbah dapat menghasilkan produk yang tidak toksik dan reaksi biokimianya dapat dikontrol oleh enzim organisme itu sendiri. Mikroorganisme dapat menjadi bahan pangan ataupun mengubah bahan pangan menjadi bentuk lain. Proses pembuatan pangan yang dibantu oleh mikroorganisme misalnya melalui fermentasi, seperti keju, yoghurt, dan berbagai makanan lain termasuk kecap dan tempe. Fermentasi adalah bentuk pengawetan makanan secara modern. Umumnya bahan makanan yang akan diawetkan akan mengalami proses pengubahan karbohidrat menjadi alkohol. Proses tersebut dipengaruhi oleh enzim yang dibuat oleh sel-sel ragi. Umumnya bahan makanan yang diawetkan ditaburi dengan ragi, kemudian disimpan dalam keadaan lembab tanpa sinar matahari. Mikroorganisme dapat membantu bidang pengobatan. Mikroorganisme tersebut misalnya digunakan untuk membuat antibiotik dan vaksin. Antibiotik Antibiotik sebagai substansi yang bahkan di dalam konsentrasi rendah dapat menghambat pertumbuhan dan reproduksi bakteri dan fungi. Ada 4 kelompok antibiotik, yaitu : Penisilin Sefalosporin Tetrasiklin ertiromisin Penicillin meliputi natural Penicillin, Penicillin G dan Penicillin V, merupakan antibiotik bakterisidal yang menghambat sintesis dinding sel dan digunakan untuk penyakit-penyakit seperti sifilis, listeria, atau alergi bakteri gram positif/Staphilococcus/Streptococcus. Namun karena Penicillin merupakan jenis antibiotik pertama sehingga paling lama digunakan telah membawa dampak resistansi bakteri terhadap antibiotik ini. sefalosporin dihasilkan oleh jamur Chepalosporium yang ditemukan pada tahun 1948. sefalosporin aktif untuk bakteri yang memiliki karakter dengan kisaran yang kurang lebih sama dengan penisilin. Sefalosporin terbaru sangat efektif untuk melawan bakteri yang resisten terhadap penisilin. Tetracycline merupakan antibiotik bakteriostatis yang berikatan dengan subunit ribosomal 16S-30S dan mencegah pengikatan aminoasil-tRNA dari situs A pada ribosom, sehingga dengan demikian akan menghambat translasi protein. Namun antibiotik jenis ini memiliki efek samping yaitu menyebabkan gigi menjadi berwarna dan dampaknya terhadap ginjal dan hati. Eritromisin memiliki kisaran yang sama dengan penisilin. Eritromisin bermanfaat untuk melawan bakteri yang resisten terhadap penisilin atau dapat digunakan untuk pasien yang alergi terhadap penisilin. Vaksin Vaksin adalah bahan antigenik yang digunakan untuk menghasilkan kekebalan aktif terhadap suatu penyakit sehingga dapat mencegah atau mengurangi pengaruh infeksi oleh organisme alami atau "liar". Vaksin dapat berupa galur virus atau bakteri yang telah dilemahkan sehingga tidak menimbulkan penyakit. Vaksin dapat juga berupa organisme mati atau hasil-hasil pemurniannya (protein, peptida, partikel serupa virus, dsb). Tumbuhan tidak selamanya bisa hidup tanpa gangguan. Kadang tumbuhan mengalami gangguan oleh binatang atau organisme kecil (virus, bakteri, atau jamur). Hewan dapat disebut hama karena mereka mengganggu tumbuhan dengan memakannya. Belalang, kumbang, ulat, wereng, tikus, walang sangit merupakan beberapa contoh binatang yang sering menjadi hama tanaman. Untuk membasmi hama dan penyakit, sering kali manusia menggunakan obat – obatan anti hama. Pestisida yang digunakan untuk membasmi serangga disebut insektisida. Adapun pestisida yang digunakan untuk membasmi jamur disebut fungsida. Karena pestisida dapat menimbulkan kekebalan pada hama dan penyakit. Oleh karena itu pengguna obat – obatan anti hama dan penyakit hendaknya diusahakan seminimal dan sebijak mungkin. Teknik Pengolahan air limbah banyak ragamnya. Salah satu dari teknik Air limbah adalah proses lumpur aktif dengan aerasi oksigen murni. Pengolahan ini termasuk pengolahan biologi, karena menggunakan bantuan mikroorganisme pada proses pengolahannya. Mikroorganisme sendiri selain menguraikan dan menghilangkan kandungan material, juga menjadikan material yang terurai tadi sebagai tempat berkembang biaknya. Beberapa mikroorganisme memperlihatkan kemampuan mengoksidasi/mereduksi logamlogam seperti besi (Fe), merkuri (Hg), tembaga (Cu), timbal (Pb), dan seng (Zn). Mikroorganisme demikian dapat dimanfaatkan untuk pemisahan logam dari sumbernya (batuan alam). Untuk proses mendapatkan logam (tembaga, uranium, sumber mineral penghasil emas, atau konsentrat mineral) biasanya digunakan bakteri yang bersifat asidofilik (menyukai kadar asam tinggi), dan mikroba pengoksidasi sulfur dan besi yang bersifat kemoliototrofik (mendapat energi dari senyawa kimia batuan). Kultur jaringan telah banyak diterapkan dalam bidang pertanian dan perkebunan dalam skala besar untuk mendapatkan bibit unggul dalam waktu yang singkat. Kultur jaringan dilakukan di dalam laboratorium dengan cara menumbuhkan sel atau jaringan tumbuhan/hewan di dalam medium buatan. Teknik ini mudah diterapkan pada tumbuhan dibandingan dengan hewan. Hal tersebut dikarenakan sel tumbuhan memiliki sifat totipotensi yang tinggi dibandingan dengan sel hewan. Kultur jaringan dapat memperbanyak tanaman dengan sifat seperti induknya, pembiakan ini termasuk pembiakan secara vegetatif, yaitu individu baru terjadi dari bagian tubuh suatu induk. Oleh karena itu, individu yang baru terbentuk mempunyai sifat yang sama dengan induknya. Perbanyakan tanaman dengan teknik ini membuat tanaman bebas dari penyakit karena dilakukan secara aseptik. Penggunaan metode ini sangat ekonomis dan komersial karena bahan tanaman awal yang diperlukan hanya sedikit atau satu bagian kecil yang menghasilkan turunan dalam jumlah besar, sehingga penyediaan bibit dalam jumlah yang besar tidak memerlukan banyak tanaman induk. Rekayasa genetika (Ing. genetic engineering) dalam arti paling luas adalah penerapan genetika untuk kepentingan manusia. Dengan pengertian ini kegiatan pemuliaan hewan atau tanaman melalui seleksi dalam populasi dapat dimasukkan. Demikian pula penerapan mutasibuatan tanpa target dapat pula dimasukkan. Rekayasa genetika bermain pada tingkat molekuler khususnya DNA. Beberapa tahapan yang digunakan dalam rekayasa genetika yaitu : isolasi DNA manipulasi DNA perbanyakan DNA dan visualisasi hasil manipulasi DNA DNA rekombinan Kloning Gen DNA (DeoxyriboNucleic Acid) yang merupakan asam nukleat pembawa pesan genetik dalam kehidupan terletak di dalam sel dan tersusun rapi membentuk kromosom. Pola DNA penyusun kromosom inilah yang menentukan jenis rambut, warna kulit dan sifat-sifat khusus yang berbeda antara satu individu dengan lainnya. Karena perbedaan DNA yang dimiliki oleh seseorang inilah metode sidik DNA menjadi salah satu alat pembuktian yang cukup handal. DNA dapat diisolasi dari semua bagian tubuh misalnya dari daging, darah, sperma, ginjal, jantung, hati, dan lain-lain. Begitu pun untuk tanaman, DNA dapat diambil dari semua bagian. DNA juga bisa diperoleh dari spesimen yang berumur ratusan tahun atau fosil. Untuk memanipulasi DNA, diperlukan beberapa perangkat penting meliputi, “gunting” untuk memotong molekul DNA “lem/perekat” untuk menggabungkan molekul DNA “gergaji” untuk membelah molekul DNA. Pada proses pemotongan molekul DNA, “gunting” yang dimaksud bukanlah gunting yang biasa kita pakai untuk memotong sesuatu, tetapi merupakan suatu enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme tertentu. Enzim ini dikenal dengan nama enzim restriksi. Setiap enzim restriksi mempunyai tempat pemotongan yang spesifik pada suatu urutan molekul DNA. Proses penggabungan (ligasi) antara dua molekul DNA menggunakan lem/perekat berupa enzim, yang dikenal dengan nama enzim ligase. Enzim ini berfungsi mensintesis pembentukan ikatan fosfodiester yang menghubungkan nukleotida yang satu dengan nukleotida di sebelahnya. Jadi, fungsi DNA ligase hanya membuat ikatan fosfodiester yang menghubungkan basa G dan basa C pada urutan DNA bagian atas, dan basa C dengan basa A pada urutan DNA bagian bawah. Secara alami, proses rekombinasi dapat terjadi sehingga memungkinkan suatu gen dapat berpindah dari satu organisme ke organisme lain. Persitiwa tersebut biasanya terjadi diantara organisme yang memiliki kekerabatan yang dekat. Dengan kemajuan teknologi molekuler, perpindahan gen dapat terjadi meskipun antara organisme yang tidak memiliki hubungan kekerabatan. Misalnya gen manusia yang dipindahkan ke bakteri atau ke hewan seperti babi. Teknik penggabungan molekul DNA tersebut dikenal sebagai Teknik rekombinan DNA.Untuk membuat DNA rekombinan digunakan dua macam enzim yaitu enzim restriksi yang berfungsi memotong molekul DNA dan enzim ligase yang berfungsi menggabungkan molekul DNA. Insulin Manusia Kloning Organisme Transgenik Para peneliti membuat insulin manusia rekombinan dengan struktur yang identik dengan insulin manusia menggunakan vektor bakteri E. coli yang telah dilemahkan. Sejak Banting dan Best menemukan hormon insulin pada tahun 1921, pasien diabetes mellitus yang mengalami peningkatan kadar gula darah disebabkan gangguan produksi insulin, telah diterapi dengan menggunakan insulin yang berasal dari kelenjar pankreas hewan. Struktur Insulin Secara kimia, insulin adalah protein kecil sederhana yang terdiri dari 51 asam amino, 30 di antaranya merupakan satu rantai polipeptida, dan 21 lainnya yang membentuk rantai kedua. Kedua rantai dihubungkan oleh ikatan disulfida. Kode genetik untuk insulin ditemukan dalam DNA di bagian atas lengan pendek dari kromosom kesebelas yang berisi 153 basa nitrogen (63 dalam rantai A dan 90 dalam rantai B). DNA yang membentuk kromosom, terdiri dari dua heliks terjalin yang dibentuk dari rantai nukleotida, masing-masing terdiri dari gula deoksiribosa, fosfat dan nitrogen. Ada empat basa nitrogen yang berbeda yaitu adenin, timin, sitosin dan guanin. Sintesis protein tertentu seperti insulin ditentukan oleh urutan dasar tersebut yang diulang. Kloning merupakan suatu teknik untuk menghasilkan banyak salinan dari satu gen tunggal, kromosom, atau keseluruhan individu. Klon (clone) berasal dari kata Yunani yang berarti ranting. Jaringan-jaringan non reproduktif digunakan untuk pengklonan keseluruhan individu. Secara alami, seringkali proses kloning terjadi. Misalnya pada tanaman kentang yang mampu berkembang biak secara vegetatif yaitu mampu menghasilkan tanaman baru dari tuber (umbi). Dalam hal ini, kentang bisa dikatakan mengalami proses kloning. Kloning inidividu pada hewan dapat terjadi melalui campur tangan manusia di laboratorium. Contoh yang paling terkenal adalah domba Dolly yang lahir di Inggris pada tahun 1996 melalui teknik transfer sel. Penggunaan rekayasa genetika untuk mencari pemecahan suatu masalah, memungkinkan untuk menghasilkan organisme yang mengandung gen dari organisme lain. Seperti organisme, rekayasa genetika dengan menyisipkan gen dari organisme lain, disebut organisme transgenik.Transgenik hewan, tumbuhan, dan bakteri tidak digunakan hanya untuk penelitian, tetapi juga untuk medis dan pertanian. 1. Hewan Transgenik Saat ini, para ilmuwan menghasilkan sebagian besar transgenik binatang di laboratorium untuk penelitian biologi. Tikus, lalat buah, dan cacing Caenorhabditis elegans, banyak digunakan dalam penelitian di seluruh dunia untuk mempelajari penyakit dan mengembangkan cara untuk mengobatinya. Beberapa organisme transgenik telah dihasilkan untuk meningkatkan pasokan makanan dan kesehatan manusia. Kambing transgenik telah direkayasa untuk mensekresi protein yang disebut anti trombin III, yang digunakan untuk mencegah manusia membentuk gumpalan-gumpalan darah selama operasi. Para peneliti berupaya untuk menghasilkan ayam dan kalkun transgenik yang tahan terhadap penyakit. Beberapa spesies ikan juga telah direkayasa secara genetis untuk tumbuh lebih cepat. Di masa depan, transgenik organisme dapat digunakan sebagai sumber organ untuk transplantasi organ. 2. Tanaman Transgenik Banyak spesies tanaman telah secara genetis direkayasa untuk menjadi lebih tahan terhadap hama serangga atau virus. Pada tahun 2003, sekitar 67.7 juta hektar telah ditanami dengan tanaman transgenik oleh 7 juta petani di 18 negara. Tanaman ini termasuk kedelai, jagung, kapas, dan canola tahan herbisida dan insektisida. Rekayasa genetika juga dilakukan untuk menghasilkan kapas, seperti tahan terhadap hama serangga. Selain itu, para peneliti juga mengembangkan kacang dan kedelai yang tidak menyebabkan reaksi alergi. Tanaman lain yang ditanam secara komersial dan telah diuji termasuk tanaman ubi jalar yang resisten terhadap virus yang dapat mengurangi panen di sebagian besar Afrika, tanaman padi dengan mengandung besi dan vitamin yang bisa mengurangi kekurangan gizi di negara-negara Asia, tanaman mampu bertahan kondisi cuaca ekstrim, tanaman pisang yang memproduksi vaksin untuk penyakit menular, seperti hepatitis B, dan tanaman yang memproduksi plastik biodegradable. Insulin, hormon pertumbuhan, dan zat yang melarutkan gumpalan darah dapat dibuat oleh bakteri transgenik. Transgenik bakteri juga memperlambat pembentukan kristal es pada tanaman untuk melindungi mereka dari kerusakan embun beku, membersihkan tumpahan minyak secara lebih efisien, dan sampah membusuk. SEKIAN