BIOTEKNOLOGI
advertisement
BIOTEKNOLOGI Bioteknologi adalah ilmu terapan biologi yang melibatkan disiplin ilmu mikrobiologi, biokimia, genetika, dan biologi molekuler. Definisi Bioteknologi • Definisi bioteknologi secara klasik atau konvensional adalah teknologi yang memanfaatkan agen hayati atau bagianbagiannya untuk menghasilkan barang dan jasa dalam skala industri untuk memenuhi kebutuhan manusia. Definisi Bioteknologi • Sedangkan jika ditinjau secara modern bioteknologi adalah pemanfaatan agen hayati, atau bagian-bagian yang telah direkayasa secara in vitro untuk menghasilkan barang dan jasa pada skala industri. • Bioteknologi dikembangkan untuk meningkatkan nilai bahan mentah dengan memanfaatkan kemampuan mikroorganisme atau bagian-bagiannya, misalnya bakteri dan kapang. Selain itu, bioteknologi juga memanfaatkan sel tumbuhan atau sel hewan yang dibiakkan sebagai bahan dasar berbagai proses industri. Penerapan Bioteknologi • Penerapan bioteknologi pada umumnya mencakup produksi sel atau biomassa dan perubahan atau transformasi kimia yang diinginkan. Transformasi kimia itu lebih lanjut dapat dibagi menjadi dua subbagian: • pembentukan suatu produk akhir yang diinginkan, contohnya enzim, antibiotik, asam organik, dan steroid. • penguraian bahan sisa produksi, contohnya buangan air limbah, destruksi buangan industri, atau tumpahan minyak. Pembuatan Keju Peran Mikroorganisme • Mikroorganisme menjadi subjek pada berbagai proses bioteknologi karena beberapa alasan berikut: – Reproduksinya sangat cepat; dalam hitungan menit dapat berkembang biak sehingga menjadi sumber daya hayati yang sangat potensial. – Mudah diperoleh dari lingkungan kita. – Memiliki sifat tetap, tidak berubah-ubah. – Melalui teknik rekayasa genetika, para ahli dapat memodifikasi atau mengubah dengan cepat sifat mikroorganisme sehingga dapat menghasilkan produk yang sesuai dengan yang kita inginkan. – Dapat menghasilkan berbagai produk yang dibutuhkan oleh manusia dan tidak tergantung musim atau iklim. Bioteknologi Modern • Teknologi yang diterapkan untuk menghasilkan produk dalam skala industri dengan menggunakan organisme, sistem, atau proses bioteknologi, dikategorikan sebagai bioteknologi modern. Bioteknologi modern ini sangat bergantung pada mikrobiologi, biokimia, dan rekayasa genetika. • Bioteknologi modern memanfaatkan organisme dalam tingkat seluler atau molekuler, antara lain kultur jaringan, rekayasa genetika, dan kloning. Kultur Jaringan • Kultur jaringan tumbuhan merupakan teknik perbanyakan tanarnan secara vegetatif buatan yang didasarkan pada sifat totipotensi tumbuhan. Totipotensi adalah kemampuan sel, atau jaringan organism untuk tumbuh menjadi individu baru. Totipotensi tumbuhan membuat sel tumbuhan dalam proses kultur jaringan dapat berkembang menjadi tumbuhan lengkap jika ditumbuhkan pada kondisi yang memungkinkan. Dengan kultur jaringan, dalam waktu yang bersamaan dapat diperoleh bibit tanaman dalam jumlah banyak. Alat dan bahan kultur jaringan • Kultur jaringan harus dilakukan di tempat yang steril, misalnya laboratorium khusus kultur jaringan. Selain tempat, alat, dan bahan, pelaku kultur jaringan pun harus dalam keadaan steril. Artinya, alat dan bahan harus disterilkan sebelum dipakai. Alat dan bahan disterilkan dengan cara mengautoklafnya selama 15 menit pada suhu 115°C. Kemudian, tangan pelaku harus dicuci bersih dan disemprot dengan alkohol sebelum bekerja. Keberhasilan kultur jaringan • Untuk memperbesar keberhasilan kultur jaringan, tanaman yang akan dikulturkan sebaiknya berupa jaringan muda yang sedang tumbuh, misalnya ujung akar, tunas dan daun muda. Jaringan yang diambil dan ditumbuhkan melalui kultur jaringan disebut eksplan. Sejak diambil dari tumbuhan induk sampai dengan dikulturkan, eksplan harus dalam keadaan steril. Persiapan eksplan sampai penanaman dalam medium buatan harus dilakukan di dalam entkas atau laminar air flow. Menumbuhkan eksplan • Eksplan yang steril dikultur dalam botol yang berisi medium cair. Medium cair terdiri dari zat nutrisi dan zat pengatur tumbuh (ZPT). Supaya nutrisi dapat meresap ke dalam eksplan, media kultur harus disimpan di atas pengocok atau shaker. Dari eksplan akan tumbuh jaringan seperti kalus berwarna putih yang disebut protocorm like body (PLB). PLB dapat dipecah-pecah dan ditumbuhkan lagi menjadi banyak PLB. PLB kemudian disubkultur dalam media padat yang terdiri dari larutan nutrisi, zat pengatur tumbuh, dan agar. Faktor-faktor lingkungan di luar nutrisi, seperti cahaya, temperatur, kelembapan, dan pH juga harus dikondisikan agar sesuai untuk kelangsungan hidup PLB tersebut. Manfaat kultur jaringan • • • • • • Kultur jaringan memiliki manfaat sebagai berikut: melestarikan sifat tanaman induk menghasilkan tanaman yang memiliki sifat seragam menghasilkan tanaman baru dalam jumlah besar dapat menghasilkan tanaman yang bebas virus dapat dijadikan sarana untuk melestarikan plasma nutfah • untuk menciptakan varietas baru melalui rekayasa genetika. Sel yang telah direkayasa dikembangkan melalui kultur sel sehingga menjadi tanaman baru secara lengkap. Persyaratan untuk menjadi eksplan • Berbagai bagian tanaman dapat digunakan sebagai eksplan dalam kultur jaringan. Berikut beberapa persyaratannya: – Kultur meristem menggunakan jaringan (akar, batang, daun) yang muda / meristematik. – Kultur anter, menggunakan kepala sari sebagai eksplan. – Kultur embrio, menggunakan embrio. Misalnya pada embrio kelapa kopyor yang sulit dikembangbiakkan secara alamiah. – Kultur protoplas, menggunakan sel jaringan hidup sebagai eksplan tanpa dinding. – Kultur kloroplas, menggunakan kloroplas. Kultur ini biasanya untuk memperbaiki atau membuat varietas baru. – Kultur polen, menggunakan serbuk sari sebagai eksplannya. Rekayasa Genetika • Rekayasa genetika dapat diartikan sebagai kegiatan manipulasi gen untuk mendapatkan produk baru dengan cara membuat DNA rekombinan melalui penyisipan gen. DNA rekombinan adalah DNA yang urutannya telah direkombinasikan agar memiliki sifatsifat atau fungsi yang kita inginkan sehingga organisme penerimanya mengekspresikan sifat atau melakukan fungsi yang kita inginkan. Misalnya, kita nembuat DNA rekombinan yang memiliki fungsi membuat insulin. DNA ini kemudian kita masukkan ke dalam bakteri dengan harapan bakteri tersebut dapat menghasilkan insulin. Peran DNA dalam rekayasa genetika • Sejarah rekayasa genetika dimulai sejak Mendel menemukan faktor yang diturunkan. Ketika Oswald Avery (1944) menemukan fakta bahwa DNA membawa materi genetik, makin banyak penelitian yang dilakukan terhadap DNA. Salah satu penelitian yang memberikan kontribusi terbesar bagi rekayasa genetika adalah penelitian terhadap transfer (pemindahan) DNA bakteri dari suatu set ke set yang lain melalui lingkaran DNA kecil yang disebut plasmid. Bakteri eukariota uniseluler ternyata sering melakukan pertukaran materi genetik ini untuk memelihara ciri-cirinya. Dalam rekayasa genetika inilah plasmid berfungsi sebagai kendaraan pemindah atau vektor. Enzim restriksi sebagai pemotong materi genetika • Agar materi genetik yang dipindahkan sesuai dengan keinginan kita, maka kita harus memotong materi genetik tersebut. Secara alami, sel memiliki enzimenzim pemotong yang sering disebut dengan enzim restriksi. Enzim ini dapat mengenali dan memotong tempat-tempat tertentu di sepanjang molekul DNA. Untuk menyambung kembali potongan-potongan DNA ini digunakan enzim ligase. Sampai sekarang ini telah ditemukan lebih dari 200 enzim restriksi. Hal ini tentu saja mempermudah pekerjaan para ahli rekayasa genetika untuk memotong dan menyambung kembali DNA. Penyatuan materi genetika dari dua organisme beda spesies • Genetika pada saat ini telah berkembang dengan pesat. Sejak struktur DNA diketahui dan kode genetika dipecahkan, serta proses transkripsi dan translasi dapat dijabarkan dalam kurun waktu antara tahun 1952 sampai tahun 1953, telah terbuka pintu untuk perkembangan penting di bidang genetika. Penemuan di atas diikuti periode antiklimaks ketika beberapa ahli biologi molekuler antara tahun 1971-1973 berhasil melakukan rekayasa genetika, seperti pemotongan gen (DNA) yang terkontrol dan rekombinasi DNA yang inti prosesnya adalah kloning atau pengklonaan DNA (kloning gen). Dengan rekayasa genetika dapat disatukan bahan genetik dan satu organisme dengan organisme lain dan dapat dihasilkan makhluk hidup baru. Produk DNA Rekombinan • Rekayasa genetika melalui DNA rekombinan atau kloning gen secara in vitro dapat menciptakan rekombinasi genetik yang tidak terbatas, sama seperti jika terjadi secara alamiah melalui reproduksi seksual. Dengan menggunakan teknik DNA rekombinan, saat ini telah dapat dihasilkan berbagai zat, misalnya insulin manusia, hormon pertumbuhan manusia, interferon alfa dan vaksin hepatitis B. Di Amerika Serikat dan Inggris, zat-zat tersebut sudah dipasarkan sejak bulan September 1982. Sedangkan sejak bulan November 1987 telah dipasarkan tPA (tissue Plasminogen Activator), suatu zat yang dapat mencegah pembekuan darah dan serangan jantung. Produk organisme bagi kehidupan Nama tanaman Zat yang dihasilkan Kegunaan Papaver somniferum Kodein Penghilang rasa nyeri Digitalis sp Digoksin Pengobatan penyakit kardiovaskuler Jasminum sp (melati) Jasmine Bahan parfum Menta piperita Mentol Untuk aroma makanan Chinchona ledgeriana Kina Obat malaria Chrysanthemum sp Pirethin Insektisida Catharantus roseus Indol alkaloid Obat antileukemia Captis japonica Berberin Obat antiseptik Derris elliptica Rotenon Insektisida Panax ginseng Saponin Insektisida Tectona grandis Kayu Bahan bangunan dan furnitur Palaenopsis sp. (anggrek) Bunga Tanaman hias Cocos nucifera (kelapa) Bahan masakan dapur Teknik Plasmid • Plasmid adalah gen yang melingkar yang terdapat dalam sel bakteri, tak terikat pada kromosom. Melalui teknik plasmid dalam rekayasa genetika tersebut, para ahli di bidang bioteknologi dapat mengembangkan tanaman transgenik yang resisten terhadap hama dm en akit, adaptif terhadap kekeringan dan kondisi tanah yang tidak subur, dan lain-lain. Lihat Gambar di bawah ini.. Teknik Plasmid Bakteri Teknik Hibridoma • Teknik hibridoma adalah penggabungan dua sel dari organisme yang sama atau pun dari sel organisme yang berbeda sehingga menghasilkan sel tunggal berupa sel hibrid (hibridoma) yang memiliki kombinasi sifat dari kedua sel tersebut. Teknik hibridoma ini penting untuk menghasilkan antibodi dan hormon dalam jumlah besar. • Berikut ini penjelasan mengenai pembuatan antibodi monoklonal. Antibodi monoklonal adalah antibodi yang diperoleh dari suatu sumber tunggal atau sel klona yang hanya mengenal satu jenis antigen. Pembentukan Antibodi Monoklonal • Pembentukan antibodi monoklonal dilakukan dengan menggunakan kelinci atau tikus. Perhatikan Gambar di bawah yang memperlihatkan teknik pembuatan antibodi monoklonal untuk pengobatan kanker. Langkah pertama adalah menginjeksikan antigen ke tubuh kelinci atau tikus percobaan, kemudian limpanya dipisahkan. Selanjutnya, dilakukan peleburan sel-sel limpa dengan sel-sel mieloma (sel-sel kanker). Sekitar 1% dari sel limpa adalah sel plasma yang menghasilkan antibodi. Sedangkan 10% set hibridoma akhir terdiri dari sel yang menghasilkan antibodi. Setiap sel hibridoma hanya menghasilkan satu antibodi. Antibodi monoklonal Kohler Kegunaan Antibodi Monoklonal • Kegunaan antibodi monoklonal lainnya adalah sebagai berikut: • a.untuk mendeteksi kandungan hormon korionik gonadotropin (HCG) dalam urin wanita hamil • b.untuk mengikat racun dan menon-aktifkannya, contohnya racun tetanus dan kelebihan obat digoxin dapat dinonaktifkan oleh antibodi ini • c.mencegah penolakan jaringan terhadap sel hasil transplantasi jaringan lain. • Gambar. Teknik pembuatan antibodi monoklonal oleh Kohler & Milstein Terapi Genetika • Berbagai penyakit fatal, misalnya kanker, berpangkal pada selsel sebagai unit terkecil jaringan. Kejanggalan berawal pada kelainan gen, yaitu kelainan pem¬bawa kode di inti sel. Gen cacat inilah yang membuat sel jaringan menjadi sel-sel kanker. • Para ahli berusaha melawan gen-gen perusak dalam inti sel itu dengan berbagai cara rekayasa genetika. Upaya yang dirintis tersebut dikenal dengan istilah terapi genetik. Terapi genetik adalah perbaikan kelainan genetik dengan memperbaiki gen. Sayangnya, penemuan itu tidak segera dapat diterapkan. Dalam rekayasa genetika, ada kode etik yang melarang keras percobaan ini pada manusia. Rekayasa ini dikhawatirkan disalahgunakan untuk mengubah gen pembawa sifat manusia, misalnya untuk membuat manusia super. Dispensasi Terapi Genetika • Dispensasi tersebut mengizinkan penerapan terapi genetik untuk dua jenis penyakit yaitu penyakit menurun yang sangat jarang, seperti Adenosine Deaminase Deficiency (ADD), dan sejenis kanker kulit yang ganas. • ADD adalah kelainan yang mengakibatkan penderitanya tidak memiliki daya tahan tubuh sama sekali. Kontak dengan kuman apa pun akan menyebabkan kematian. Penyakit ini dialami oleh seorang anak dari Texas, AS, yang dijuluki "David The Bubble Boy". David Vetter meninggal dunia setelah hidup selama 12 tahun dalam balon plastik yang melindunginya dari kontaminasi. Dokter gagal menolongnya melalui transplantasi sumsum tulang. LANJUTAN ADD……. • Rusaknya sistem kekebalan tubuh pada penderita ADD terjadi akibat sel-sel darah tidak mampu memproduksi enzim adenosin deaminase (AD) yang diperlukan untuk membangun daya tahan tubuh. KLONING • Kloning berasal dari kata Yunani kuno, clone yang berarti ranting atau cangkokan. Dalam bahasa Inggris, clone (klona) digunakan untuk menyebut sekelompok makhluk hidup yang dilahirkan tanpa proses seksual. Istilah clone (klona) pertama diusulkan oleh Herbert Webber pada tahun 1903. • Pada tahun 1952, Robert Brigs dan Thomas J. King (AS) mencoba teknik kloning pada katak. Sepuluh tahun kemudian (1962), John B. Gurdon juga mencoba teknik kloning pada katak, namun percobaannya menghasilkan banyak katak yang abnormal atau cacat. Gurdon kemudian menyempurnakan percobaannya seperti berikut. Pertama-tama, ia mentransplantasikan inti sel kulit ke dalam sel telur yang intinya sudah dikeluarkan/dihilangkan, kemudian menumbuhkannya sampai terbentuk embrio. Kemudian ia memisahkan sel-sel embrio itu dan mentransplantasikan inti sel embrio itu ke dalam sel telur katak lain yang inti selnya sudah dibuang. Individu hasil kloning tumbuh dari sel-sel telur itu. Percobaan ini menghasilkan banyak katak yang tumbuh normal dan berkembang menjadi dewasa. CLONNING PADA KATAK Kloning Domba • Tahun 1996, Ian Wilmut mengklona domba. Ia menggunakan sel kelenjar susu domba finn dorset sebagai donor inti dan sel telur domba blackface sebagai resipien. Sel telur domba blackface dihilangkan intinya dengan cara mengisap nukleusnya keluar dari sel menggunakan pipet mikro. Kemudian, sel kelenjar susu domba finn dorset difusikan dengan sel telur blackface yang tanpa nukleus. Hasil fusi ini kemudian berkembang menjadi embrio dalam tabung percobaan dan kemudian dipindahkan ke rahim domba blackface. Kemudian embrio berkembang dan lahir dengan ciri-ciri sama dengan finn dorset. Domba hasil kloning ini diberi nama Dolly. Lihat Gambar di bawah. Dolly disuntik mati pada tanggal 14 Februari 2003 karena menderita berbagai penyakit yang sulit disembuhkan. Kloning Keberhasilan Kloning Domba • Perlu diperhatikan bahwa Wilmut melakukan 277 percobaan kloning. Dari sekian banyak percobaan, hanya 29 yang berhasil menjadi embrio domba yang dapat ditransplantasikan ke rahim domba, dan hanya satu yang berhasil dilahirkan menjadi domba normal. Dengan demikian, tingkat keberhasilan kloning domba masih sangat rendah (Purves et al. 2004). • Dari percobaan-percobaan kloning di atas,apakah • menurutmu kloning dapat dilakukan • pada hewan-hewan lain, bahkan pada manusia? Biotek Pengolahan Pangan • Mikroorganisme dapat membantu proses pembuatan bahan pangan atau mengubah bahan pangan menjadi bentuk lain. • Sejak dulu, orang sudah menggunakan mikroorganisme untuk pengolahan bahan pangan. Prosesnya disebut fermentasi yang termasuk dalam proses bioteknologi konvensional. Melalui proses fermentasi ini dapat dihasilkan berbagai jenis bahan makanan, seperti keju, yoghurt, kecap, dan tempe. Pada masa mendatang diharapkan peranan mikroorganisme dalam penciptaan makanan baru, seperti mikoprotein dan protein sel tunggal, dapat lebih meningkat. Pembuatan Roti • Pada pembuatan roti, biji-bijian serelia dipecah dahulu untuk dijadikan tepung terigu. Terigu ditambah air untuk mengaktifkan enzim-enzim, misalnya Amilase. Amilase kemudian menghidrolisis tepung menjadi maltosa, kemudian menjadi glukosa. Setelah itu ditambahkan khamir Saccharomyces cerevisiae. Khamir ini akan memanfaatkan glukosa sebagai substrat respirasinya yang akhirnya membentuk karbon dioksida. Karbon dioksida mem¬bentuk gelembunggelembung yang akan terperangkap pada adonan roti. Adanya gelembung ini menyebabkan roti bertekstur ringan dan mengembang. Pengolahan Susu • Susu dapat diolah secara bioteknologi untuk menghasilkan produk-produk baru seperti keju, mentega, dan yoghurt. • a.Keju • Dalam pembuatan keju, kelompok bakteri yang dipergunakan adalah bakteri asam laktat. Bakteri ini berfungsi memfermentasi laktosa dalam susu menjadi asam laktat menurut reaksi berikut: • C12H22O11 + H2O → 4CH3CHOHCOOH laktosa air asam laktat • Bakteri asam laktat yang biasa digunakan adalah genus Lactobacillus dan Streptococcus. Pembuatan Keju • Di dalam proses pembuatan keju, susu terlebih dahulu dipanaskan 90°C atau dipasteurisasikan sebelum kultur bakteri asam laktat diinokulasi (ditanam). Akibat aktivitas bakteri, pH menjadi turun dan mengakibatkan susu terpisah menjadi dadih padat dan cairan whey. Proses ini disebut pendadihan. Kemudian, enzim renin dari lambung sapi muda ditambah¬kan untuk menggumpalkan dadih. Akan tetapi, saat ini enzim renin dari sapi sudah digantikan dengan enzim buatan, yaitu kimosin. Lihat Gambar di bawah ini. • Whey yang terbentuk dimanfaatkan sebagai makanan sapi, sedangkan dadih yang terbentuk dipanaskan pada suhu 32-42°C sambil ditambah garam. Setelah itu, dadih ditekan untuk membuang air dan disimpan agar matang. Penyimpanan ini bertujuan agar mikroorganisme dan enzim bekerja untuk menghasilkan cita rasa keju. Pada pembuatan keju biru, ditambahkan lagi kultur jamur Penicillium. ALAT PEMBUAT KEJU Macam Macam Keju • Ada empat macam jenis keju, yaitu: • 1) keju sangat keras, contoh: keju romano, keju parmesan • 2) keju keras, contoh: keju cheddar, keju Swiss • 3) keju setengah lunak, contoh: keju requefort (keju biru) • 4) keju lunak, contoh: keju camembert. YOGHURT • Yoghurt berasal dari bahasa Turki. Nama lain untuk yoghurt adalah mast (Iran), kisel mleka (Balkan), mauzun (Armenia), dan cieddu (Itali). • Pada yoghurt, susu dipasteurisasi dahulu, lalu sebagian besar lemak dibuang. Mikroorganisme yang digunakan adalah bakteri asam laktat, yaitu Lactobacillus bulgaricus dan Streptococcus thermophillus. Kedua bakteri ini ditambahkan pada susu dengan jumlah yang seimbang, lalu disimpan dalam suhu 45°C selama 5 jam. Dalam penyimpanan ini, pH turun menjadi 4, akibat aktivitas bakteri asam laktat. • Setelah proses ini, susu didinginkan dan dapat ditambahkan cita rasa buah jika diinginkan. Yoghurt yang baik adalah tanpa rasa dan tanpa warna (cukup ditambah gula saja). Lihat Gambar di bawah. ALAT PEMBUAT YOGHURT MENTEGA • Pada pembuatan mentega, mikroorganisme yang digunakan adalah Streptococcus lactis dan Leuconostoc cremoris yang membantu proses pengasaman. Setelah itu, susu ditambah dengan cita rasa tertentu, kemudian lemak mentega dipisahkan. Pengadukan lemak mentega menghasilkan mentega yang siap santap. SAUERKRAUT • 3. Produk Makanan Lain • Bahan makanan lainnya yang dapat diolah dengan memanfaatkan mikroorganisme dapat berupa sayur, buah, dan sebagainya. Di antaranya akan dijelaskan berikut ini. • a. Sauerkraut • Sauerkraut adalah sayuran yang diasamkan agar dapat awet disimpan. Pada pembuatannya, sayuran diiris-iris, kemudian dicampur dengan garam, lalu ditekan dalam tempat penyimpanan untuk mengeluarkan udara.Selanjutnya dilakukan penambahan bakteri asam laktat. Aktivitas bakteri ini menurunkan pH menjadi 5,0. Kondisi pH ini dapat mencegah mikroorganisme lain tumbuh. Selain itu, aktivitas bakteri dapat menimbulkan cita rasa unik akibat akumulasi zat organik yang dibentuk bakteri. Pengawetan Zaitun, Timun, Kopi dan Coklat • b.Pengawetan Zaitun dan Timun • Zaitun dan timun dapat diawetkan dengan menyimpannya dalam larutan garam yang ditambah bakteri asam laktat. Dalam kondisi anaerob, bakteri tumbuh dengan subur dan menurunkan pH hingga 4,0. Dengan pH rendah ini aktivitas mikroba lain dapat dicegah sehingga makanan dapat lebih awet. • c.Pengolahan Kopi dan Cokelat • Buah kopi dan cokelat diselubungi oleh getah yang harus dibuang sebelum diproses lebih lanjut. Kedua jenis buah tadi ditimbun bersama-sama mikroorganisme, seperti jamur dan bakteri, yang dapat tumbuh secara alami. Kedua mikroba tadi mampu memfermentasi getah dan sekaligus mencegah buah kopi dan cokelat berkecambah dengan cara membunuh embrionya pada suhu 50°C. Pembuatan Bir • Bir dibuat dari biji-biji sereal, misalnya gandum. Pembuatan bir melibatkan proses penumbukan dan fermentasi. Dalam fermentasi digunakan khamir. Lihat skema pembuatan bir pada Gambar di bawah. PERANGKAT PEMBUAT BIR Protein Sel Tunggal (PST) • Protein sel tunggal atau PST adalah suatu istilah untuk menyebut protein yang berasal dan organisme bersel tunggal atau bersel banyak yang strukturnya sederhana. • PST dapat dibuat dari alga Chlorella, Spirulina, dan Scenedesmus; dari khamir Candida utylis; dari kapang berfilamen Fusarium gramineaum; maupun dari bakteri. KELEBIHAN PST • Kelebihan PST adalah sebagai berikut: • a.laju pertumbuhan sangat cepat yaitu dalam ukuran jam dan masih bisa ditingkatkan lagi • b.dapat menggunakan bermacam-ma¬cam media atau substrat • c.produksi PST tidak tergantung iklim dan musim • d.memiliki kandungan protein lebih tinggi daripada hewan dan tumbuhan. Proses Pembuatan PST • Mekanisme kerja dalam produksi PST adalah sebagai berikut: • a.penyediaan sumber makanan (sub-strat) yang mengandung karbon, ni-trogen, foster, dan unsur-unsur lain • b.sterilisasi media • c.pembiakan mikroba penghasil PST • d.pemanenan dengan memisahkan bio-massa mikroba dari cairan fermentasi • e.pemurnian hasil panen. • Skema pembuatan PST dapat dilihat pada Gambar. • Protein sel tunggal yang berasal dari kapang berfilamen disebut mikoprotein. Di Amerika Serikat, mikoprotein telah diproduksi secara komersial. PERANGKAT PEMBIAKAN PST Produk Asam Amino, Vitamin dan Enzim • Asam amino, vitamin, dan enzim merupakan senyawa yang sangat diperlukan oleh tubuh. Kekurangan asam amino akan menyebabkan gangguan fungsi tubuh, mulai dari fungsi transportasi hingga fungsi enzimatis. Coba ingat kembali, apakah bahan penyusun enzim, hormon, dan hemoglobin? Bukankah protein? • Kekurangan vitamin menyebabkan pembentukan koenzim terhambat. Akibatnya reaksi-reaksi di dalam tubuh menjadi terganggu. Coba ingat kembali beberapa penyakit akibat avitaminosis! Mikroorganisme Penghasil Asam amino, Vitamin dan Enzim • Pada umunya, manusia memperoleh asam amino dan vitamin dari makanan yang dikonsumsinya. Kini, kita dapat memperoleh sumber asam amino, vitamin, dan enzim melalui bantuan mikroorganisme. Beberapa jenis mikroorganisme ternyata dapat mengasilkan asam amino, vitamin, dan enzim tertentu. Melalui teknik kultur dan pemeliharaan mikroorganisme tertentu, dan kemudian mengekstraknya, kita dapat memperoleh beberapa jenis asam amino, vitamin, dan enzim. Daftar Mikroorganismenya Tabel. Mikroorganisme yang Diproduksi secara Komersial untuk Pembuatan Asam Amino dan Vitamin Jenis mikroorganisme Produk asam amino vitamin Corynebacterium glutamicum Treonin dan lisin - Micrococcus glutamicus Lisin - Brevibacterium sp Glutamat - Pseudomonas sp - Vitamin B12 Propionicbacterium sp - Vitamin B12 Ashbya gossypii - Riboflavin Streptomyces oliveus - Kobalamin Propionibacterium freudenreichii - Kobalamin Mikroorganisme Penghasil Enzim Tabel. Mikroorganisme yang Diproduksi secara Komersial untuk Produksi Enzim Jenis mikroorganisme Aspergillus niger Enzim Kegunaan Amilase Pembuatan bir: melunakkan biji-bijian Selulase menjadi seperti bubur Lipase Makanan : pengentalan cairan kopi Pektinase Pengolahan susu: produksi cita rasa keju Anggur dan sari buah: membantu penguraian Aspergillus oryzae Protease Pembuatan bir: stabilisator bir Pemasakan: pembuatan roti Makanan: pelunak daging Farmasi: membantu dalam pencernaan Bacillus subtilis Amilase Makanan: membuat sirup/gula cair Pinisilinase Farmasi: membantu dalam pencernaan Tepung: kanji/lem, pembuatan kertas dan tekstil Farmasi: agen diagnostik Leuconostoc mesenteroides Sukrase Farmasi: dekstrans, pengganti plasma darah Saccharomyces fragillis Laktase Pengolahan susu: mencegah kristalisasi laktosa dalam es krim dan susu kental BIOTEKNOLOGI FARMASI/KEDOKTERAN • Bioteknologi juga membuka cakrawala baru dalam bidang farmasi/kedokteran, misalnya dalam pembuatan vaksin, antibiotik, antibodi monoklonal, dan insulin. • 1.Pembuatan Antibodi Monoklonal • Proses pembuatan antibodi monoklonal telah diuraikan di depan. Lihat kembali Teknik Hibridoma pada subbab Rekayasa Genetika. Lanjutann….biotek farmasi • Pembuatan Vaksin • Belum lama ini, para ilmuwan telah berhasil mengkultur berbagai sel vertebrata. Prosesnya dimulai dengan memberi perlakuan terhadap jaringan yang sesuai dengan enzim proteolitik, misalnya tripsin, untuk memisahkan sel-sel. Sel-sel kemudian dipindah ke nutrien tertentu untuk melekatkan sel-sel ke dasar wadah. Sel-sel tersebut akan membelah secara mitosis membentuk satu lapis sel. Sel ini kemudian dapat digunakan untuk membentuk kultur sekunder. Supaya sel-sel kultur ini terus membelah, maka ditambahkan bahan kimia atau virus yang mendorong pembentukan sel-sel kanker. sel-sel tersebut disebut neoplastik. Produksi Vaksin • Di antara penerapan kultur sel hewan, produksi vaksin virus merupakan metode tertua. Prosesnya adalah virus ditumbuhkan dalam kultur sel, misalnya sel dari embrio ayam dan ginjal monyet. Virus-virus tersebut diekstraksi dengan penyaringan. Hasil ekstraksi digunakan untuk mematikan virus tersebut. Vaksin tersebut dapat dilemahkan dan disimpan dalam suhu rendah untuk digunakan jika diperlukan. Contoh vaksin yang dibuat dengan cara ini adalah vaksin poliomielitis, gondong, cacar air, rubella, dan rabies. Pemberian vaksin memungkinkan tubuh membangun kekebalan dengan membentuk antibodi. EFEK SAMPING VAKSIN KONVENSIONAL • Vaksin yang digunakan untuk melindungi atau rnencegah tubuh terserang penyakit dapat berasal dari mikroorganisme (virus, bakteri) yang dilemahkan atau toksin yang dihasilkan oleh mikroorganisme tersebut. Namun, vaksin yang diproduksi secara konvensional tersebut dapat menimbulkan efek samping yang merugikan, misalnya: • A.mikroorganisme yang digunakan untuk membuat vaksin mungkin masih melanjutkan proses reproduksi • B.mikroorganisme yang digunakan untuk membuat vaksin mungkin masih dapat menyebabkan penyakit • C.ada orang yang alergi terhadap sisa-sisa sel dari produksi vaksin meskipun sudah dilakukan proses pemurnian • D.orang yang bekerja dalam pembuatan vaksin mungkin bersentuhan dengan organisme berbahaya yang digunakan sebagai bahan pembuat vaksin meskipun sudah dicegah dengan menggunakan pengaman (masker, sarung tangan). Prinsip Rekayasa Genetika dalam Pembuatan Vaksin • Dengan berkembangnya teknik rekayasa genetika, berbagai risiko yang tidak diinginkan seperti di atas dapat dikurangi. Prinsip-prinsip rekayasa genetika dalam pembuatan vaksin adalah sebagai berikut: • a.mengisolasi (memisahkan) gen-gen dari organisme penyebab penyakit yang berperan menghasilkan antigen yang merangsang limfosit untuk menghasilkan antibodi • b.menyisipkan gen-gen yang telah diisolasi tersebut ke tubuh organisme yang kurang pathogen • c.mengkulturkan organisme hasil rekayasa sehingga menghasilkan antigen dalam jumlah banyak • d.mengekstraksi antigen yang kemudian digunakan sebagai vaksin. Pembuatan Vaksin Malaria Pembuatan Antibiotik • Mikroorganisme tertentu dapat menghasilkan obat untuk menyembuhkan penyakit yang disebabkan mikroorganisme lainnya. • Produk metabolisme yang dihasilkan oleh mikroorganisme tertentu dan bersifat menghambat pertumbuhan atau merusak mikroorganisme lain, disebut antibiotik. • Penelitian tentang antibiotik pertama kali dilakukan oleh A. Gratia dan S. Dath (1924). Penelitiannya menghasilkan aktinomisetin dari galur Actinomycetes (bakteri mirip kapang). Actinomycetes tidak dipakai untuk mengobati pasien, tetapi untuk melisis kultur bakteri dalam pembuatan vaksin. Sejak 1940, banyak antibiotik kemoterapeutik yang telah diisolasi dari Actinomycetes. Penemuan Antibiotik • Antibiotik pertama yang dipakai untuk mengobati penyakit pada manusia adalah tirotrisin. Antibiotik ini diperoleh dari Bacillus brevis, suatu bakteri tanah dan diisolasi oleh Rene Dubos dan Rockefeller Institute of Medical Research (sekarang Universitas Rockefeller), New York. • Tahun 1924, Alexander Fleming menemukan bahwa cawan agar yang diinokulasi dengan bakteri Staphylococcus aureus telah terkontaminasi sejenis kapang, dan koloni kapang tersebut dikelilingi oleh suatu zona bening. Zona bening tersebut menunjukkan bahwa pertumbuhan bakteri terhambat. Setelah diidentifikasi, ternyata kapang tersebut adalah spesies Penicilliton, sehingga Fleming menamakan zat antibiotik tersebut dengan penisilin. Tahap tahap pembuatan antibiotik • a.Mikroorganisme penghasil antibiotik dikembangbiakkan. • b.Mikroorganisme dipindahkan ke dalam bejana fermentasi yang menyerupai tangki besar. Di tempat ini, mikroorganisme dipacu dengan lingkungan yang cocok agar berkembang biak secara cepat. • c.Dari cairan biakan itu, antibiotik diekstraksi dan dimurnikan, selanjutnya diuji dengan urutan sebagai berikut: • 1).zat diuji dalam tabung reaksi, apakah dapat mematikan kuman atau tidak • 2).kemudian zat diujikan pada hewan percobaan, termasuk diteliti efek sampingnya • 3).jika ternyata aman, obat ini dapat diujikan pada sekelompok orang dengan pengawasan ketat para ahli • 4).jika berhasil barulah diujikan pada orang sakit dan selanjutnya dipasarkan. Produksi Antibiotik • Zat antibiotik mulai diproduksi secara besarbesaran pada Perang Dunia Kedua (PD II) oleh tim peneliti dari Inggris dan Amerika Serikat. • Antibiotik dibuat saat pertumbuhan mikroorganisme penghasil antibiotik menunjukkan grafik menurun. Pada saat tersebut, metabolisme sekunder dan produksi mikroorganisme berlangsung lebih lambat daripada metabolisme primer. Hal ini berarti dibutuhkan teknik pengulturan sekali panen atau disebut C bath fermentation. Tahapan Produksi Penisilin • Pada pembuatan penisilin, tangki pengaduk untuk fermentasi diinokulasi dengan kultur Peniclllium notatum atau Penicillium chrysogenum. Jamurjamur tersebut tumbuh pada kondisi optimum yaitu pada suhu 24°C, suplai O2, cukup, dan pH yang agak basa. Setelah 30 jam, penisilin mulai dihasilkan dan akan mencapai hasil maksimum setelah 4 hari. Produksi berhenti setelah 6 hari. Pada saat tersebut, kandungan (isi) tangki fermentor di¬tampung. Karena penisilin diproduksi di luar sel jamur, maka miselium jamur disaring, dicuci, dan dibuang. Cairan sisa yang mengandung penisilin diekstraksi secara kimia lalu dimurnikan menggunakan pelarut untuk membuat kristal murni. Setelah proses ini, penisilin dikemas dan siap untuk digunakan. Tangki fermentor disterilisasi lagi, lalu digunakan untuk membuat biakan baru. Antibiotik Jenis Baru • Timbulnya kekebalan mikroorganisme terhadap antibiotik tertentu mendorong para ilmuwan untuk membuat antibiotik jenis baru. Antibiotik baru ini dikembangkan dari mikroorganisme galur baru yang diperoleh dari rekayasa genetika. Namun, hal ini tidak mudah karena antibiotik adalah metabolit sekunder yang dihasilkan lewat jalur metabolisme sekunder yang panjang dan melibatkan sejumlah gen. Manipulasi untuk proses tersebut sangat kompleks dan sulit. Sampai saat ini, masih dilakukan penelitian mengenai hal tersebut. Insulin • Salah satu teknik rekayasa genetika dalam bidang kedokteran yang telah berhasil dan giat dikembangkan adalah pembuatan insulin manusia oleh bakteri. • Insulin adalah protein yang bertugas mengontrol metabolisme gula dalam tubuh manusia. Gen insulin terletak pada daerah dalam DNA manusia yang memiliki informasi untuk menghasilkan insulin. Penderita diabetes tidak mampu membentuk insulin dalam jumlah yang dibutuhkan. Teknik Pencangkokan Gen Dalam Pembuatan Insulin • Untuk menyediakan insulin secara cepat dapat dilakukan pemanfaatan sel bakteri melalui teknik pencangkokan gen (rekombinasi gen). Teknik pencangkokan gen untuk menghasilkan insulin manusia oleh bakteri berlangsung sebagai berikut. Insulin tersusun atas dua rantai protein, yaitu rantai A dan B. Urutan basa yang mengode masingmasing rantai itu dibuat dalam tabung reaksi. Tiap DNA (A dan B) ini kemudian dihubungkan dengan gen bakteri yang mengode enzim β-galak-tosidase sehingga membentuk gen hibrid. Gen-gen hibrid ini secara terpisah dimasukkan ke dalam sel-sel bakteri. Tiap gen hibrid menunjukkan ekspresinya dan bakteri membuat suatu hibrid protein βgalaktosidase A (atau B). Proses pembuatan insulin BIOTEKNOLOGI PERTANIAN • Perkembangan biologi molekuler memberikan dampak yang besar terhadap kemajuan berbagai cabang ilmu termasuk pemuliaan tanaman (plant breeding). Suatu hal yang tidak dapat dipungkiri bahwa perbaikan genetis melalui pemuliaan tanaman konvensional telah memberikan kontribusi yang sangat besar dalam penyediaan pangan dunia. Hal ini ditandai dengan terjadinya peningkatan produksi pangan dunia melalui revolusi hijau (green revolution). Namun, fakta sekarang telah menunjukkan bahwa ketersediaan pangan masih terancam akibat ledakan penduduk. Tanaman Kebal Terhadap Hama dan Penyakit • Dengan rekayasa genetika, para ahli bioteknologi menyisipkan gen bakteri Bacillus thuringiensis yang dapat menghasilkan senyawa endotoksin (senyawa racun) pada tanaman budidaya. Tanaman yang telah disisipi gen bakteri tersebut dinamakan tanaman transgenik. Tanaman transgenik tersebut tidak perlu disemprot dengan pestisida untuk menyingkirkan hama dan penyakit yang menyerangnya, karena telah memiliki kemampuan memberantas hama dan penyakit dengan senyawa racun yang dikandungnya. Tanaman transgenik ini belum dapat sepenuhnya diterima masyarakat. Pihak yang keberatan mengkhawatirkan dampaknya bagi kesehatan manusia dan kelestarian lingkungan. Tanaman yang Dapat Memfiksasi Nitrogen • Serealia atau tumbuhan rumput-rumputan berbiji merupakan tumbuhan yang menyuplai 50% makanan pokok penduduk dunia. Namun sayangnya, serealia tidak memiliki simbion bakteri di akar akarnya untuk memfiksasi nitrogen, sehingga kebutuhan nitrogen (N2) diperoleh dari penambahan pupuk buatan. Kelebihan pupuk buatan yang diberikan dapat terbilas air dan mencemari air minum yang dikonsumsi manusia di lingkungan sekitarnya. • Dengan bioteknologi, para ilmuwan mengembangkan tumbuhan yang akarnya dapat bersimbiosis dengan Rhizobium. Ide ini melibatkan gen nif yang dapat mengontrol fiksasi nitrogen. Para ilmuwan menyisipkan gen nif ini pada: • a.tumbuhan serealia yang sesuai • b.bakteri yang berasosiasi dengan tumbuhan serealia • c.plasmid Ti (Tumor inducing) dari Agrobacterium dan kemudian menginfeksikannya ke tumbuhan yang sesuai dengan bakteri yang telah direkayasa. Penyisipan Gen Pada Tanaman • Ahli biologi memanfaatkan rekayasa genetika untuk mengisolasi gen yang diinginkan kemudian menyisipkannya ke sel organisme lain yang dikehendaki. Dalam penyisipan ini para ahli biologi memanfaatkan bakteri Agrobactrium tumefaciens untuk memasukkan gen ke sel-sel tumbuhan. • Sel Agrobacterium memiliki DNA yang disebut plasmid Ti. Gen yang dikehendaki disisipkan dulu ke plasmid Ti. Tumbuhan yang diinfeksi Agrobacterium memiliki tumor yang disebabkan oleh Ti. Tumor ini disebut crown gall yang masing-masing mengandung plasmid Ti yang telah disisipi gen. Tumbuhan dapat dikultur dari potongan kecil jaringan crown gall. Tumbuhan hasil kultur ini telah memiliki sifat yang berbeda karena telah disisipi gen, sehingga sifat tumbuhan menjadi sesuai dengan gen yang disisipkan.
