Bioteknologi

BIOTEKNOLOGI KLASIK DAN MODERN
Bioteknologi sebenarnya bukan suatu hal yang baru, tapi jauh sebelumnya sudah ada.
Ada 4 fase perkembangan yang pada akhirnya sampai kepada sistim bioteknologi modern.
1.
Produksi Bioteknologi Makanan dan Minuman
 Pembuatan Bir : Dilakukan sejak 6000 tahun sebelum masehi oleh orang-orang
Somaria dan Babilonia Kuno sudah memanfaatkan Bir sebagai minuman yang
merupakan hasil fermentasi. Namun pada saat itu keterlibatan organisme belum
dijabarkan hingga pada abad ke –17. Studi permulaan yang dilakukan oleh Pasteur
(1857 dan 1876) yang membuktikan bahwa mikroorganisme berperan dalam proses
fermentasi tersebut dari temuan tersebut beliau dianggap sebagai Bapak Bioteknologi
 Proses lain yang didasari oleh aktivitas mikroorganisme adalah produk susu fermentasi
seperti keju dan yoghurt dan di Asia contohnya kecap dan tempe.
2. Proses Bioteknologi Semula Dikembangkan pada Kondisi Tidak Steril
Pada akhir abad ke 19 banyak senyawa seperti etanol, asam asetat, berbagai asam
organic, butanol dan aseton dihasilkan dengan menggunakan metode fermentasi terbuka
terhadap lingkungan. Contoh lainnya adalah pengolahan air buangan dan
pengomposan padatan dari kota.
1.
Pengenalan Sterilisasi dalam Proses Bioteknologi
Sterilisasi
terhadap media dan bioreaktor
dilakukan agar terhidar dari
mikroorganisme kontaminan sehingga mikroba (biokatalis) saja yang berperan didalam
reactor. Contoh: antibiotika, asam amino, asam organic, enzim steroid, polisakarida
dan vaksin.
2.
Demensi Baru dan Kemungkinannya Untuk Industri Bioteknologi
Perkembangan biologi molekuler tidak saja menimbulkan demensi baru tetapi juga
meningkatkan efiensi yang berpengaruh terhadap peran bioteknologi dimasa depan
terhadap perekonomian dunia.
Inovasi baru menyangkut diantaranya :
1. Rekayasa Genetika
Adanya materi dasar kehidupan yang disebut gen yang secara structural disusun oleh
DNA dan RNA
yang berfungsi mengatur semua aktivitas kehidupan yang merupakan
pijakan awal dalam mendapatkan suatu individu yang diharapkan melalui teknik
rekombinasi DNA
Teknik baru rekombinan DNA melibatkan pemecahan sel, ekstraksi DNA,
pemurnian dan fragmentasi (pemotongan) selektif DNA dengan menggunakan enzim
sangat
spesifik , pemisahan, analisis, pemilihan dan pemurnian fragmen yang
mengandung gen yang diinginkan, pemasukkan hybrid DNA ke dalam suatu sel terpilih
buntuk memproduksi dan sintesis selluler.
Dengan teknologi rekayasa genetika terbuka peluang misalnya:
- Penggantian obat semprot kimia sintesis dengan mikroba hasil rekayasa genetika.
- Bidang fermentasi sederhana dapat diganti dengan fermentasi yang menggunakan
mikroba yang telah direkayasa, sehingga dapat diproduksi dalam jumlah yang banyak
dan lebih cepat dengan menggunakan bahan mentah yang lebih irit dan biaya
produksi jauh lebih murah.
- Dalam bidang peternakan dan pertanian orang pada jaman dahulu ingin memilih sifat
baik suatu ternak atau tanaman dengan melakukan seleksi atau pemuliaan yang banyak
mendapat kendala seperti memakan waktu yang lama. Tapi dengan
teknologi DNA
rekombinan orang dapat memproduksi coklat, vanili, bumbu penyedap- pengharum, bahan
kosmetik, obat tanpa harus menanam tumbuhan yang menghasilkan bahan-bahan itu pada
suatu lahan pertanian.
- Dalam Bidang kesehatan, berbagai penyakit dengan mudah, lebih cepat, dan lebih murah
untuk mendiagnosa, mengobati dan melakukan pencegahan.
2. Teknologi Enzim
Peran enzim adalah :
- Sebagai Katalis (memperlancar setiap reaksi kimia)
- Aktivitas molekuler dalam tubuh agar berlangsung cepat irit energi, tidak menimbulkan
panas, tidak mengubah keseimbangan elektrolit cairan tubuh dan mencegah
penimbunan bahan yang menghalangi aktivitas.
- Enzim diekstrak dari tubuh organisme kemudian digunakan untuk menghasilkan berbagai
produk industri seperti : membuat anggur, bir, wiski, pemanis, sirup dan sebagainya.
PERKEMBANGAN BIOTEKNOLOGI
Keberhasilan perkembangan bioteknologi yang terus menerus Tergantung Pada 3 Pokok:
1. Perluasan kisaran produk berharga, baik yang berasal dari sistim tradisional maupun rekayasa
genetika
2. Kemampuan memperoleh bahan baku dari sumberdaya yang dapat diperbaharui
3. Peningkatan kesadaran bahwa proses bioteknologi dalam banyak hal akan lebih ekonomis.
Peningkatan Ekspresi Gen Dapat Dilakukan dengan Modifikasi Genom Melalui :
1. Mutagenesis
 Merupakan sumber utama semua variasi genetic (Industrial)
 Tujuan untuk meningkatkan produktivitas
 Kesulitannya adalah mutasi terjadi pada frekwensi rendah dan harus diseleksi dari
sejumlah basar populasi nonmutan
 Contoh hasil mutasi adalah Galur Streptomyces → Tetrasiklin
 Galur mutannya adalah S. aureofaciens S-604 mensintesis 6-dimetiltetrasiklin yang tidak
dapat disintesis oleh galor inangnya.
 Mutagen ada 2 yaitu : Fisik dan Kimia (mutagen penginduksi : tidak akibat kerusakan
DNA, tapi lebih merupakan hasil perbaikan DNA seluler yg terjadi pada DNA yang rusak
untuk menghslkan perubahan yang tetap pada urutan dasar DNA).
(Sinar UV, Radiasi ionisasi, dan mitomisin C, 5- bromurasil, metilmetan sulfonat,
mustard nitrogen serta senyawa nitrofuran)
2. Hibridisasi (Rekombinasi)
 Menyusun ulang gen atau bagian gen dari 2 atau lebih organisme dan Menggabungkan
menjadi satu informasi genetika dalam satu organisme
 Ada 2 jalan yaitu Hibridisasi seksual (Eukariot) dan paraseksual (Prokariot sampai
Eukariot)
a. Hibridisasi Seksual
 Inti haploid dari jenis kelamin berbeda bergabung dalam satu sel
(kariogami)
membentuk inti diploid selajutnya mengalami miosis.
 Selama miosis terjadi penyusunan ulang
dan reorganisasi kromosum yang
mengakibatkan terjadi rekombinasi elemen genetic.
 Jika organisme memiliki sejumlah n gen yang berbeda maka rekombinasi terjadi
sebanyak 2n genotip.
 Contoh Hibridisasi galur ragi Saccharomyces yang berbeda → produksi roti secara
cepat, menaikkan kandungan alkohol dsb.
b. Hibridisasi Paraseksual
 Proses rekombinasi terjadi pada sel vegetatif
 Contoh : Konjugasi, Transduksi, Transpormasi, Rekombinasi Mitosis, dan Fusi
Protoplas.
 Konjugasi : Proses transper informasi genetic dari satu sel ke sel lain melalui
kontak antarsel.
Contoh: pada bakteri (bisa melalui plasmid / kasus tertentu bisa melibatkan Hfr dan
galur elemen genetik ekstra)
Dua galur E. coli yang berbeda
sex
dimana perpindahan genetik terjadi melalui filus
(berupa tabung yang dibentuk oleh salah satu dari pasangan sel. Sel yang
membentuk filus mengandung elemen genetic ekstra , faktor F atau plasmid yang
memegang peranan pada pemutusan DNA lingkar serta perpindahannya ke sel
bakteri lain yang akan terjadi rekombinasi antara dua genom.
 Transduksi : Perpindahan materi genetik dari satu sel ke sel lain dengan bantuan
Vektor Virus yang diikuti secara rekombinasi.
 Transformasi : perpindahan materi genetic secara tidak terarah (DNA yang berasal
dari suatu sel diambil dan tetap dilindungi oleh sel lain)
Transformasi dapat dikerjakan secara In – vitro atau manipulasi yang melibatkan
mutagenesis sebelum dimasukkan kedalam sel.
 Rekombinasi Mitosis : (berlaku pada Kapang yang memiliki fase vegetatif haploid,
dimana sejumlah kecil inti dapat melebur untuk membentuk diploid).
Ada 3 tahap :
1. Pembentukan heterokarion (dua atau lebih inti yang berbeda dengan satu
sitoplasma tunggal) antara dua miselia haploid
2. Peleburan inti oleh sejumlah kecil inti yang berlawanan yang mengakibatan
pertukaran kromosum
3. Haploidisasi (inti diploid diubah menjadi menjadi haploid).
Diketahui rekombinasi mitosis jauh kurang efektif dibandingkan dengan
rekombinasi seksual.
 Fusi Protoplas : Meleburnya protoplas yang diikuti terbentuknya sel hibrid.
- Induksi fusi protoplas mikroba berkembang sangat luas
- Menggunakan secara mekanis dan enzimatis
- Tapi kebanyakan dengan menggunakan enzim litik (contohnya : helikase,
glusulase, sulfatase untuk menghasilkan protoplas ragi).
- Pada umumnya sel fase eksponensial lebih lebih mudah menghasilkan protoplas
dari pada sel
fase stationer (komposisi dinding sel berubah selama siklus
pertumbuhan)
- Untuk menjaga stabilitas protoplasma yang dihasilkan diperlukan adanya
stabilisator seperti: berbagai garam inorgenik, gula dan gula alkohol.
- Protoplas dapat membentuk dinding sel yang baru selanjutnya sel akan tumbuh
secara normal. Jika rekombinasi terjadi maka akan timbul organisme yang
berubah secara genetik.
- Baru-baru ini dikembangkan fusi protoplas dengan menggunakan medan listrik (
Sel diganggu dengan menggunakan medan listrik yang lemah tak homogen dan
- frekwensi tinggi sehingga sel membentuk cabang. Selajutnya dialirkan arus
searah (DC) yang menyebabkan terbukanya mikropore dalam membran sehingga
isi sel akan bergabung dan melebur.
- Jika dua protoplas dari galur yang berbeda melebur maka dihasilkan sel yang
heterokariotik (mengandung inti yang berbeda sumber).
- Peleburan inti dapat terjadi antara inti haploid dari genotip yang berbeda akan
menghasilkan inti yang diploid heterozigot sedangkan dari inti yang sejenis akan
menghasilkan inti diploid yang homozigot.
- Aplikasi Impiris dari Fusi Protoplas dapat dilihat pada perbaikan hasil produksi
antibiotik dan Fusi turunan dari sel manusia yang mampu menghasilkan insulin
- Fusi Sel sudah berhasil diterapkan pada sel hewan untuk menghasilkan antibodi
monoklonal.
REKAYASA GENETIKA (Kloning Gen/ DNA Rekombinan )
Definisi : Pembentukan kombinasi baru dari materi keturunan melalui penyisipan asam nukleat
yang dihasilkan dengan cara apapun diluar sel, ke dalam sistim vector
(plasmid/bakteriofag) sehingga memungkinkan penyatuannya ke dalam organisme
yang menjadi hospes, dan bentuk-bentuk ini tidak terjadi secara alami namun
mempunyai kemampuan memperbanyak diri secara berkesinambungan.
Beberapa hal pokok dalam Rekayasa genetika :
1. DNA dapat diisolasi dari sel-sel tumbuhan, hewan dan mikroorganisme donor dan dapat
dipecah menjadi fragmen-fragmen satu atau lebih gen dengan menggunakan enzim
endonuklease (Restriction Enzymes)
2. Sistem vector (pembawa) : Plasmid dan Bakteriofag (virus bakteri)
Syarat vector : - harus mampu masuk ke dalam hospes dan mengadakan replikasi
didalamnya
- harus ada marker
- idial berukuran kecil
3. Fragmen gen yang diingini dapat dirangkai dalam vector dengan menggunakan enzim ligase.
4. Penyisipan vector DNA rekombinan ke dalam hospes (transpormasi) dan transduksi.
5. Deteksi DNA hibrida
Contoh: Ezim, hormon, senyawa-aenyawa anti tumor, interferon dan zat-zat kimia.
EXPLORASI MIKROBA
Mikroba : merupakan suatu organisme yang penting dalam bioteknologi terutama hubunganya
dengan teknologi fermentasi.
Merugikan
Mikroba
Menguntungkan
Peran Mikroba Penting Dalam Industri :
1. Mikroba mampu mensintesa senyawa komplek
2. Mampu melakukan perubahan makro melekul secara ekonomis
3. Menggunakan substrat yang murah
Sumber Eksplorasi :
1. Tanah
2. Air
3. Tempat yang ekstrim (limbah)
4. Mahluk hidup
Isolasi Mikroba :
- Metode Platting dengan seri pengenceran
- Penanaman Langsung
Identifikasi - Makroskopis
- Mikroskopis
Konvensional
- Uji biokimia
- Secara Cepat (ELISA, Elektroforisis, Kromatografi)
Peranan Mikroba Dalam Bioteknologi
1. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Aseton-Butanon
Hidrolisa Tongkol
Jagung
Clostridium
CH3(CH2)2CH2OH
acetobutylicum
Hidrolisa Serbuk
Aseton-Butanol
C. acetibutylicum H3(CH2) 2CH2OH
Kayu
Aseon-ButanolGergaji
Glukosa,Fruktosa
C. aurianticum
CH3(CH2)2CH2OH
Aseton-Butanol
2. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Etanol
C6H12O6
Saccharomyces cerevisiae
Zymomonas mobilis
C2H5OH
Etanol
3. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Asam Asetat
C2H5OH
Etanol
C6H12O6
Acetobacter aceti
CH3COOH
Asam asetat
Clostridium thermoaceticum
CH3COOH
Asam asetat
4. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Asam Sitrat
Tetes, Pati, Sirup jagung
Aspergillus niger
Asam sitrat
Glukosa, Sukrosa
5. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Asam Glukonik
Glukosa
Penicillium chrygenum
Asam Glukonik
Acetobactergluconicum
ASpergillus niger
6. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Asam Itakonik
Sukrosa
Aspergillus niger
Glukosa
aspergillus itaconicus
Asam Itakonik
7. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Asam Laktat
Karbohidrat
Lactobacillus bulgaricus
Asam Laktat
L. casei
Susu
L. casei
Asam Laktat
Streptococcus lactis
8. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Xantham Gum
Sukrosa, Glukosa
Pati
Xanthomonas campestris
Xantham Gum
X. maluacearum
X. carotaei
9. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Dextran
Sukrosa
Leuconostoc mesenteroides
Dextran
Streptobacterium dextranicum
10. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Isopropil Alkohol
Glukosa
Clostridium aurianticum
Isopropil Alkohol
11. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Asam Akrilik
Glukosa
Lactobacillus bulgaricus
Asam Akrilik
Clostridium propionium
12. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Metil Etil Keton
Glukosa
Klebsiella neumonia
Proses kimia Metil Etil Keton
13. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Gliserol
Glukosa
Saccharomyces cerevisiae
Gliserol
14. Peranan Mikroba Dalam Pembuatan Insektisida Mikrobial
Substrat+Nutrien+O2
Bacillus thuringiensis Insetisida Mikrobial
15. Peranan Mikroba Dalam pembuatan Hormon Gibberellin
Garam, Glukosa+ Nutrien+ O2
Gibberella fujikuroi
Gibberellin