_Ap/ikasi KERUSAKAN /sotopdan Radiasi,/996 DAN PENYEMBUHAN DNA Deinococcus radiodurans SETELAH DIlRADIASI Adria P.M. Hasibuan.,M. Kikuchi.., Y. Kobayashi..,danH. Watanabe.. .Pusat Aplikasi Isotop dan Radiasi, BATAN ..Takasaki Radiation Chemistry Researh Establishment, JAERI ABSTRAK KERUSAKAN DAN PENYEMBUHAN DNA DeinococcllS radiodurans SETELAH DIIRADIASI. Kerusakan dan penyernbuhanDNA Deinococcus radiodurana-MRI setelahdiiradiasi dengansinar gamma daD ion beamtelahdianalisis denganteknik "Pulse Field Gel Electrophoresis"(PFGE). Tujuan penelitian ini ialah untuk membandingkankerusakan DNA bakteri Deinococcus radiodurana akibat iradiasi dengansinar gamma dan ion beam (He, Ar, dan C) dengandosis 0,2-7,5 kGy. Hasil analisis PFGE menunjukkan bahwa padsdosis yang sarna, penyembuhankerusakan DNA Deinococcus radiodurana-MRI akibat iradiasi gammamemerlukanwaktu 3--6 jam, sedangpenyembuhanakibat iradiasi ion beamhanya memerlukan waktu kurang dati I jam. KerusakanDNA akibat iradiasigamma tampaklebih cepatterjadi dibandingkandengan akibat iradiasi ion beampada dosis yang sarna. ABSTRACT DAMAGE AND REPAIR OF Deinococcus radiodurans DNA AFTER IRRADIATION. The damageand repair of Deinococcus radiodurans- DNA after irradiation with gamma-raysand ion beam have beenstudied by "Pulse Field Gel Electrophoresis" (PFGE)technique.The aim of this study was to comparethe DNA damagecaused by irradiation using gamma rays and ion beam (He, Ar and C) at doses of 0.2-7.5 kGy. The results showed that at the same dose level, DNA repair occurred within 3-6 hours after irradiation with gamma-rays,while in bacteria irradiated with ion beam, the DNA repair could occur in less than I hour. In addition, DNA damage caused by gamma irradiation occurred faster than those causedby ion beam at the same irradiation dose. PENDABULUAN Deinococcusradioduranstermasukbakteri tahan radiasi, karena denganiradiasi gammasampai5 kGy kemampuanhidupnyatidak berkurang.Sejakdiketahuibahwa DNA merupakan sasaran utama yang dipengaruhi radiasi,makapenelitian mekanismedaya tahanselbakteri terhadapradiasi, terutamadiarahkanpadakerusakanDNA (I). Bakteri ini mempunyaikemampuanyangtinggi dalam penyembuhandiri, tidak hanyapadakerusakanDNA rantai tunggal, tetapijuga pada kerusakanDNA rantai ganda (2). Padapenelitian ini, selaindigunakanradiasigamma juga digunakanradiasi ion beamsebagaipembanding. Penelitiandilakukan di TakasakiRadiationChemistryResearch Establisment (TRCRE-JAERI) Jepang,daD ada hubungannyadenganprogrampenelitian NASA-USA daD NASDA-JAPANyang menggunakanfasilitasiradiasiyang baru tersediapada tahun 1992bemamaTIARA, diantaranya menggunakaniradiasi denganion beam. Penelitian ini bertujuanuntuk mengamatitingkat kerusakandaD penyembuhanbakteri radioresistenakibat iradiasi dengan sinar gamma daD ion beam. Ion beam mempunyai~ ~ transfer (LET) yang lebih tinggi daripada sinar gamma, sehingga dapat menyebabkan pengaruhberbedapadaDNA bakteri,misalnyapadainduksi rantaiganda,efisiensi,dan prosespenyembuhansel(3). Padapercobaanini, kerusakandan penyembuhan DNA akibat iradiasidianalisisdenganmenggunakanPulse Field Gel Electrophoresis(pFGE). BAHAN DAN METODE Bahan. Strain Deinococcus radiodurans-MRI diperolehdari Dr. KIT AY AMA, Institute of Physicaland Chemical Research, RlKEN, Jepangyang diisolasi dari daging sapi oleh ANDERSON~ ~ (4). Sel bakteri diinokulasi pada media TGY yang mengandung5 g tripton, 1 g glukosa,daD1 g ekstrakragi dalam 500 ml air suling pH 7.0, laIn diinkubasi selama 24-48 jam pada subu30°Csampaidiperolehkonsentrasi akhir sel bakteri 4 x 109seVml. Kemudian, sel disaring denganalat Millipore tipe GS membranfilter ukuran0,22 ~m. Sel dicuci dua kali dengan 10 mM bufer fosfat, kemudianditanampadamedia bufer fosfat agar (5). lradiasi Bakteri. Sel-sel D. radiodurans pada membranfilter diiradiasi dengan sinar gamma 6OCO dengan dosis 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 3,0; dan 7,5 kGy. Sebagaipembanding, sel-sel D. radiodurans juga ditembak dengan ion beam (He, Ar, C), dengan dosis 61 Aplikasi IsotopdonRadiasi. 1996- untuk sumber He dan Ar 0,6 dan 3,0 kGy, dan untuk sumber C; 1,5 dan 7,5 kGy. Sebelumnya telah dilakukan penelitian pendahuIuan oleh KOBAYASHI ~ .3l (3). Pada penembakan dengan ion beam digunakan alat Irradiation Apparatus for Seed (IAS). Perlakuao Setelah lradiasi. Untuk proses penyembuhan kerusakan DNA akibat iradiasi, sel-sel yang tertioggal pada membran filter dipiodahkan ke dalam petridis berisi TGY agar, kemudian diinkubasi pada subu 30OC selama 0, I, 2, 3, 6, dan 12 jam (kontrol 0 jam; membran filter ke-1 selama 1 jam, filter ke-2 selama 2 jam, dst). Pembuatao Plugs uotuk PFGE daD lsolasi DNA. Metode yang digunakan berdasarkan HANAHAN dan MESELSON (6). Untuk persiapan genomik DNA, sel dicuci dengan larutan jenub butanol PB, daD larutan muItibufer (50 rnM sukrosa, 10 rnM Tris, 40 roM EDTA. 0,1% Triton X-IOO). Plug agarose dibuat dari suspensi sel-sel bakteri dalam 80 J1ilarutan muItibufer tanpa Triton X-IOO ditambah 2% agarose ~ melting P:Q!!!t(LMP), kemudian plug agarose diinkubasi dalam larutan muItibufer yang mengandung 1 mg/rnllisozim selama 12 jam pada suhu 37.C. Selanjutnya, ditambahkan proteinase-K (konsentrasi 1 mgtrnl) dan larutan sodium dedosil sulfate (SDS) 0,5% lalu diinkubasi 48 jam pada SubU50.C. Untuk menginaktifkan enzim protease, plug agarose diinkubasi dalam larutan TE (10 rnM Tris + 1 rnM EDT A) yang mengandung 1 rnM PMSF (phenylmethane sulfonyl fluorid) dan diinkubasi 2 jam. Inkubasi dilakukan 3 x dalam larutan TE, kemudian plug agarose dipotong sepanjang 5 mm untuk dipersiapkan pada lempeng agarose. Pemotongan DNA dengan Enzim Restriksi. MetooepemotonganDNA menggunakancaraMANIATIS ~ ~ (7). SampelDNA D. radioduransyang sudahberupa plug sepanjang5 mm dipotong dengan200 J1lenzim NotI (30 unit/tOO J1l)pada suhu37°C selama6 jam. basil pemotonganDNA dianalisisdenganPulseField Gel Electrophoresis(pFGE). PulseField Gel Electrophoresis (pFGE). PFGE adaJahteknik elektroforesisgel agaroseuntuk mendeteksi pemisahanfragmenDNA denganberatmolekul(BM) yang tinggi, yaitu lebih dari 1000kilo basepair (kbp) ataupasangan basa(8). Lempenggel agarosediboatdenganmenggunakan 0,6 g lQ!¥.endoosmosis(LE) agarosedalam 60 ml larutan 1 x T AFE (TransverseAlternating Field Electrophoresis) atau larutan 20 x TAFE, yaitu larutan 24,2 g Tris, 2,9 g EDTA dan 5 ml asam asetatglasial dalam I liter air soling pH 8,0. Kemudian plug diatur sesuaiperlakuan.Penanda DNA dibeli dari Pharrnaciadan sebagaiW ~ i!!g ~ dipakai larutan 20 x TAFE. PFGEdioperasikandenganprogram3, dari Geneline/Beckman,yaitu tegangan 100 mA, selama 16jam. Setelahelektoforesisselesai,DNA diwamai denganlarutan 100J1letidiumbromida (I mg/ml) dalamair soling selama 60 menit,kemudiandicuci ataudirendamdenganair soling selama2 x 30 menit. Selanjutnya,lempengagarose disinari denganultraviolet menggunakanUV Transilluminator. Untuk pengambilan gambar digunakan kamera polaroid (MP-4). 62 BASIL DAN PEMBABASAN SetelahD. radiodurans MRI diiradiasi dengan sinargamma1 kGy, harnpirsemuafragmengenomikDNA menghilang,tetapi kemampuanuntuk penyembuhandiri bakteri tersebuttidak menurun. Fragmen-fragmenDNA denganberatmolekul(BM) yang lebihtinggi temyatalebih mudah menghilangdibandingkan yang mempunyaiberat molekul rendah(Gambar I). Pada Gambar 2 diperlihatkan kerusakan DNA pada rantai gandayang diinduksi denganiradiasi gamma 3kGy, tetapikemudianterjadi penyembuhanselamamasa inkubasisetelahiradiasi. lradiasi dengandosis 3 kGy ternyata mengakibatkankerusakan DNA. Hal ini tampak secaramenyeluruhdari hilangnya pola DNA pada basil analisis PFGE, daD dihasilkan fragmen-fragmendalam ukuran yang lebih kecil daTi 97 kbp. Akan tetapi, selama masainkubasisetelahiradiasi pola DNA muncul kembali setelah3 jam, sementara fragmen yang berukurankecil hilang. Fragmen-fragmentersebuthilang, lalu muncul lagi dikarenakaniradiasi telah menginduksiterbentuknya empatjenis protein spesifik yang berperandalam proses penyembuhanDNA D. radioduranskhususnya,dan bakten padaumumnya. Sifat radioresistenatau tahan radiasi D. radioduransdidugakarenatingginya kemampuanyang dimiliki untuk penyembuhankerusakanDNA, termasuk juga penyambungankembali susunanikatan ganda yang mengalamipematahandenganbantuanenzim yangdisintesis setelahiradiasi,sehinggaprosespenyembuhandapat tercapai(9). PadaGarnbar3 ditunjukkan kerusakanDNA rantai gandadaDpenyembuhan setelahiradiasi 3 kGy dengan berkasion dengansomberHe, Ar, dan C (10). Pola DNA masihjelas terlihat (Gambar3 a dan 3 b dengantandaX). Hal ini membuktikanbahwa iradiasi gammalebih efektif menginduksiterjadinyakerusakanDNA rantaigandadaripada ion beam.lni kemungkinandisebabkanenergi sinar gamma yang diberikan pada genomik DNA menyebar merata,sedangkan pada iradiasi denganion beamenergi hanya ditransfer setempat (II). Pada Gambar3 ditunjukkan pula bahwa kerusakan DNA akibat iradiasi ion He 0,6 kGy daD 3,0 kGy mengalarniprosespenyembuhan sarnpaisarnadengankontrol selamakira-kira 1-3 jam. Hal yang sarnajuga terjadi pada penyembuhansel akibat iradiasi dengan sumber Ar daDC. PenyembuhankerusakanDNA akibat iradiasi ditampilkanpadaGambar4. Terlihat bahwatidak banyak perbedaanwaktu penyembuhanyang diperlukan antara kerusakanakibat iradiasi dengansinar gamma dan ion beam. KESIMPULAN Dari basil penelitian ini dapat disimpulkanbahwa untuk penyembuban kerosakansel DNA Deinococcus radiodurans-MRI akibat iradiasi sinar gammadiperlukan waktu relatif lebib lama, yaitu 3-6 jam dibandingkan denganion beamyang hanya memerlukan waktu kurang -_Aplikasi dari 1 jam. Kerusakan DNA akibat iradiasi gamma lebih cepat terjadi dibandingkan dengan akibat iradiasi ion beam. UCAPANTERIMA KASm Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada Bapak Mo Soewarsono, BoScodan semua rekan-rekan di Kelompok Biologi Molekuler yang telah memberikan dorongan moril dalam penyusunan makalah ini 0 Isotopdon Radiasi,1996 4. ANDERSON, A. W., NORDAN, H.C., CAIN, R.F., PARRIS,G., and DUGGAN, D., Studieson radioresistant Micrococcus 1. Th~ isolation,morphology, cultural characteristicsand resistanceto gamma radiation,Food Technol. 19. (1956) 575. 5. SERRIANI,R.W., and BRUCE, A.K., Radioresistance of Micrococcusradiation during the growth cycle, Radiat.Res.1§. (1968) 232. 6. HANAHAN, D., and MESELSON, M., Plasmid screening at high colony density, Gene lQ 63 (1980). 7. SAMBROOK,J., FRITSCH,E.F., and MANIAnS, T., "Molecular cloning", A LaboratoryManual, Book 3, 2nd edition, Cold Spring Harbour Laboratory Press(1989). DAFTAR PUSTAKA. SZYBALSKI, W., and LORKIEWICZ, Z., On the nature of the principal target of the lethal and mutagenic radiation effect, Abhandl. Deutch. Akad. Wiss. Berlin, KL. Med. 1 (1962)6. KITAYAMA, S., and MAT SUYAMA, A., Possibility of the repair of double-strandscissionsin Micrococcus radioduransDNA causedby gamma-rays,Biochern.Biophys. Res.Comrn. II (1968)418. 30 KOBAYASHI, Yo, KIKUCHI, Mo, TANAKA, A., SHlMIZU,To, and WATANABE, Ho, Ion Beam Apparatus for Biological Samples, TIARA, JAERI (1992)27. 8. BECKMAN, PulseField Gel Electrophoresis, The Geneline System,Palo Alto, California (1988). 9. BEY AN, E.B.M., Photobiology and Radiobiology of Deinococcusradiodurans,Departmentof Microbiology, University of Edinburgh, Schoolof Agriculture, Edinburgh, Scotland(1995). 10. DEWEY, D.L., Ion beam irradiation, Int. J. Radiat. Bioi. l§. (1969) 583. II. KIKUCffi, M., TANAKA, A., and WATANABE, H., Repairof transforming capacityof cells irradiated with high-LET ions in a radiation resistantbacterium, Deinococcus radiodurans, TIARA, JAERI (1992)42. ~ # c,~ '::': t!i: .§' ~ b~ .~'b' # ~§'C) "' 485- "t- ~ Co '"'\.. (jam) 485388- 388291- 291- 94- 194- 97- 97- (kbp) (~.bp) (Kilo basepair/satuanpasanganbasa) Gambari Hasil genomik DNA yang telah diretriksi dengan enzim NOTI daD diiradiasi gamma denganberbagaidosis Gambarl. Basil genomik DNA yang telah diretriksi dengan enzim NOTI daD diiradiasi gamma dengandosis 3 kGy, diinkubasi pada 30°C selama beberapajam 63 "1. Aplikasi Isotop danRadiasi,1996- ;;. ~~ ,~'" ..., {o "''\, (jam) ~o~~ " ro '\. (jam) Gambar 3a. Sumber ion beam: He O~6~~Gy 3J..:Gy Gambar 3b. Somberion beam: Ar O,6k6y 3kGy Gambar 3c. Sumberion beam:C Gambar 3. Basil genomik DNA yang telah diretriksi dengan enzim NOTI, diiradiasi ion beam, kemudian diinkubasi pada 30°C selama beberapajam. 64 Aplikasi I salop dan Radiasi. J 996 65 Aplikali /sotopdan Radiali. 1996 DISKUSI SUHARNI SADI Mohonditerangkanbagairnanaaplikasipenelitian Anda? ADRIA P.M. Karena penelitian ini menggunakandua sumber iradiasi (sinar gamma dan ion beam), maka aplikasinya bisa digunakan untuk sterilisasi, pengawetan,mendapatkan mutasi pada tumbuhan, daD lain-lain. Sedangkan untuk mendapatkan dosis optimal pada karakterisasi kedua sumber iradiasi tersebut dicobakanpada bakteri tahan iradiasi D. radiodurans. 20 dalam larutan 39CRdan ditentukan6 dsvkan.Kode elussberdasarkanLET untuk laju dosis ini khususdipelajari dan dihitung/ditetapkanstaf khususuntuk ion beamdi JAERI. 2. PadakerusakanDNA rantaitunggalada sekitar10kbp. (10 jumlah pasanganbeam yang sarna)yang putus padakerusakanDNA rantaiganda-> sekitar250 kbp (jumlah pasanganbasa)yang putus. ROSALINA SINAGA Apa tujuan membandingkan kerusakan dari penyembuhanbakteri antara iradiasi-'t daD ion beam? Karena iradiasi-'t dan ion beam mempunyai sifat fisika yang berbedamisalnyadayatembus sangatberbeda. WIN AR TI AND AY ANI ADRIA P.M. Pada percobaanini digunakan teknik PFGE. Berapa ukuranBM dari DNA D. radiodurans? Mohon dijelaskandaIarnprosesisolasi DNA, digunakan lisozim dan ditambah enzim proteinase-K, berfungsinyasebagaiapa? ADRIA P.M. 1. Digunakan teknik PFGE, karena alat ini dapatmemisahkanflagmen DNA denganBM lebih dari 1000kbp, sedangkanukuran BM dari D. radioduranssekitar500 kbp. 2. Menggunakan lisozim, karena lisozim merupakan enzim yang dapat berfungsi melemahkandinding set bakteri D. radiodurans. Sedangkanuntuk proteinaseK, merupakanenzim yang dapatmemecahkanprotein. Oleh sebabitu juga + larutao 0,5% SD (sodiumdodecyl sulfate) yang bfs untuk penyempurnaanpecahnya sel bakteri. Semuaini untuk proses penyempurnaan isolasiDNA. Perbandinganini adalah untuk melihat efektivitas daTi kedua iradiasi tersebutyang akan membuktikan bahwa untuk D. radiodurans sangattahan iradiasi daD mempunyaikelebihanbisa raoojring kembali. Untuk sinar.persentasi lebih tinggi/lebih dalam dibandingkaniradiasi ion beam,sebabsinar-.: rusak lebih cepat, sembuhlebib lama, LET lebih rendah,dan penetrasilebih rendah. Sedangkansinal ion beam: rusak lebih lama, cepatsembuh, LET lebih tinggi, dan penetrasilebih rendah. MURNI IND AR W A TMI 1. Faktor-faktor apa yang menyebabkanbakteri dapat tahan terhadapradiasi atauadayang sensistifterhadap iradiasi? 2. Mengapa iradiasi ion beamdengan 3 sumbermenggunakandosis yangberbeda? ADRIA P.M. SOFNIEMARUSIN 1. Padapercobaanyang Anda lakukan,dosisiradiasiyang berbeda,tetapitidak ada laju dosisnya.Berapalaju dosis yang digunakan? 2. Bagaimanabeda kerusakanDNA pada rantai tunggal dan kerusakanDNA pada rantai ganda? ADRIA P.M. 1. Untuk iradiasi sinar-'t laju dosis 2.7 kGy/jarn. Untuk iradiasi ion beam dengan dosimetri radiochromic FWR 60- 66 1. Menurut DR. F. Suhadi (1980) ada 2 teori yang menyebabkanbakteri bersifat tahan radiasi atausensitiCterhadapiradiasi: (a) Berkaitandengankandungan ikatan C-G padaDNA-nya. Makin tinggi persentase kandunganG-C -> makin tahan terhadapiradiasi > disebabkankarena antaraG dan C terdapat3 ikatan hidrogen sehingga antara T dan A hanya terdapat2 ikatan hidrogen, daD (b) Efisiensi proses perbaikan putusrantai gandaDNA akibat radiasi secaraenzimatik berkaitandenganefisiensiprosesmetabolismemolekuler di dalam sel. 2. Sepertijawaban lbu Sofnie sebelumnyauntuk iradiasi ion beamuntuk DNA D. radiodurans,dosis berbeda _Aplikasi dipilih dengan3 sumber,yaitu : He, Ar, daDC adalah untuk mendapatkanbasil yang optimal padapercobaan ini. GENI RINA SUNARYO Pads penelitian ini terlihat bahwa Anda menggunakan radiasi dengan sumber radiasi yang bervariasi LET-nya. Tentunya radiasidenganLET yang lebih tinggi mempunyaidays penetrasiyang lebihdalam. Bagaimanakah hubunganantara kenaikan LET dengan kerusakan DNA? ADRIA P.M. Penelitiandilakukan oleh2 somberradiasi. Sumber gammayang mempunyaiLET lebih kecil dibandingkan LET dari iradiasi ion beam. Sebagianpenetrasidari sinar gamma lebih dalam daripadaion beam. Hubungan antaraLET dengankemsakanDNA, bila LET naik maka kerusakan DNA akan lebih lama tetapi reoairing lebih cepat. ARYANTI I. Radiasidosis iradiasi gammadigunakanterlalu dekat. Apakah dalam penelitian ini dilibat Dmax dan Dmm dosis yang digunakan? 2. Seperti terlihat pada Gambar 2, bahwa iradiasi 3 kGy padahari ke-6 pola pita DNA mengeringdan muncul kembali pada bari ke-12. Apakah pita yang muncul tersebutmemiliki sifat yang sarnadengan sifat DNA awal? ADRIA P.M. 1. Dosis iradiasi gamma sudah ditentukan sebelumnya pada penelitian sebelumnya dari dosis 0,2 kGy sampai dengan 10 kGy. 2. Pada Gambar 2, iradiasi sinar-"t dosis 3 kGy diinkubasi beberapajam (bukan hari), yaitu : 0, 1, 2, 3, 6, daD 12 jam. Pita (fragmen) DNA jelas berbeda antara masing-masing inkubasi (misal 1 jam dan 12 jam). IsotopdonRadia"i. 1996 kemungkinanbeberapaset bakteri tidak kena Tamasiatau terlindung oleh yang lain. Atau walaupunterkenaTamasi DNA-nya tidak mengalamikerusakan.Setelahminkubasi sel-selyang DNA-nya tidak rusak ini juga akan membiak. Waktu Anda melakukanevaluasibagaimanacaramembedakanDNA yang tidak rusak daTiawal denganDNA yang pulih? ADRIA P.M Walaupunradiasi telah dilakukan seteliti mungkin, karena radiasi bersifat Random,maka hila DNA D. radioduranstidak terkenaradiasi, makapadaelektroforesis akan terlihatltertampil sepertipadakontrol. Sedangkan padaDNA yang rusaksetelahdilarutkan ekstrakDNA dan elektroforesisdan seterusnyaakan pecahdan terjadi fraksi dari fragmen-fragmenyang lebih banyakdan lebihjelas. Oleh sebabitu, dilakukan genomik DNA yang diretriksi denganenzim NoTI untuk mengetahuikerusakandan penyembuhankembali dari bakteri yang bersangkutan. NlKHAM 1. Bakteri gram positif tidak berspora biasanya tidak tahanradiasi. Padamakalahdisebutkantahan radiasi. Apa dasarnya? 2. Bagaimanamekanismeproseskerusakandan penyembuhan DNA, karena efek iradiasi? 3. KerusakanDNA, kemungkinankarena efek pemotongan dengan enzim, atau karena radiasi. Bagaimana jelaskan?. ADRIA P.M. 1. Dari basil penelitian daD literatur yang ada bahwa untuk bakteri gram positif tidak bersepora dan selalu lebih tahan radiasi terutarna D. radiodurans., karena gram positif mempunyai peptidolisin. 2. Mekanisme proses kerusakan dan penyembuhan DNA karena efek iradiasi. Sudah dijelaskan pada pertanyaan sebelumnya (Sdri. Murni). 3. Kerusakan DNA karena efek iradiasi. Bukan karena pemotonganenzim. SOBRIZAL Anda mengatakan DNA bakteri Deinococcus radiodurans rusak karena radiasi dengan menghilangnya fragmen pada elektroforesis. Waktu melakukan radiasi ada Ke Daftar Isi £i7