FUNGSI DAN APLIKASI ASAM NUKLEAT Adeline Jessica, Jessica, 140656781 1406567813, 3, Teknologi Teknologi Bioproses, Bioproses, Departemen Departemen Teknik Teknik Kimia, Universitas Universitas Indonesia, Indonesia, Kampus Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia
Abstrak Asam nukleat merupakan penyusun penyusun utama dari seluruh organisme. organisme. Setiap asam nukleat terdiri atas suatu monomer nukleotida. Apabila pada nukleotida, gula mengandung deoksiribosa disebut sebagai DNA (Deoxyribonucleic (Deoxyribonucleic acid), acid) , sedangkan yang mengandung ribosa disebut sebagai RNA (Ribonucleic acid). acid). Asam nukleat terdapat pada semua sel makhluk hidup. Secara umum, fungsi dari asam nukleat adalah menyimpan, mereplikasi, dan mentranskripsi informasi genetika; turut dalam metabolisme; menyimpan energi; berperan sebagai ko-enzim, dan lain-lain. Namun secara khusus fungsi asam nukleat dibagi berdasarkan bentuk asam nukelat itu sendiri yaitu berdasarkan fungsi dari DNA dan fungsi dari RNA. Baik DNA maupun RNA sendiri juga memiliki fungsi genetik serta non-genetik, walaupun pada DNA belum diketahui fungsi non-genetiknya. Adapun berbagai jenis RNA dengan fungsinya masing-masing, yaitu mRNA, siRNA, tRNA, rRNA, xistRNA, hnRNA, RNAi, snoRNA, miRNA, ncRNA, dan lain sebagainya. Purin dan pirimidin yang juga merupakan bagian penting dari asam nukleat ternyata tidak hanya berfungsi menyimpan menyim pan informasi genetik, namun juga sebagai penyimpanan energi jangka pendek. Fungsi-fungsi tersebut kemudian diaplikasikan kepada kehidupan sehari-hari, mulai dari bidang kesehatan, pendidikan, hingga hukum. Kata Kunci Deoxyribonucleic acid, Ribonucleic acid, genetik, acid, genetik, non-genetik, mRNA, siRNA, tRNA, rRNA, xistRNA, hnRNA, RNAi, snoRNA, miRNA, ncRNA Pendahuluan Asam nukleat, nukleat, yang yang merupakan merupakan asam asam yang relatif kuat kuat pertama pertama kali ditemukan ditemukan dalam nukleus nukleus sel sel pada pada tahun 1869. Asam nukleat tersebut merupakan biopolimer dengan berat molekuler sebesar 100.000.000 gram per mol, yang dapat diurai untuk membentuk monomer yang disebut sebagai nukleotida. Setiap nukletioda terdiri atas tiga bagian yaitu suatu gula, fosfat serta basa nitrogen.
Gambar 1 Struktur Nukleotda [Sumber: https://ka-perseusimages.s3. https://ka-perseusimages.s3.amazonaws.co amazonaws.com/cae990a2a8e7f1c337295 m/cae990a2a8e7f1c3372955686bd79327d8680943.jpg] 5686bd79327d8680943.jpg]
Asam nukleat terbagi menjadi dua jenis berdasarkan berdasarkan gula yang digunakan dalam pembentukan pembentukan nukleotida. Apabila gula yang digunakan mengandung ribosa(tidak terdapat oksigen pada gugus hidroksil pada karbon 2’ 2 ’), maka asam nukleat tersebut akan disebut sebagai RNA (Ribonucleic Acid). Acid) . Sebaliknya, apabila terdapat oksigen pada gugus hidroksil pada karbon 2 ’, maka asam nukleat akan disebut sebagai DNA DNA(Deoxyribonucleic (Deoxyribonucleic Acid). Acid) .
Gambar 2 β-D-ribofuranose & β-D-deoxyribofuranose [Sumber: http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/1biochem/graphics/53.gif ]
Basa nitrogen yang terdapat pada setiap nukleotida terikat secara kovalen dengan gula melalui suatu ikatan glikosidik. Basa nitrogen yang membentuk asam nukleat terbagi menjadi dua jenis, yaitu pirimidin dengan rantai tunggal, dan purin yang berantai ganda. Cytosine (C/S), Thymine (T), serta Uracil (U) termasuk pirimidin. Sedangkan, Adenine (A), dan Guanine (G) termasuk purin. Thymine dan Cytosine umumnya ditemukan pada DNA, sedangkan Uracil hanya ditemukan pada RNA. PIRIMIDIN
Cytosine(C/S)
Thymine(T)
Uracil(U)
PURIN
Adenine(A)
Guanine(G)
Gambar 3 Pirimidin & Purin [Sumber: http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/1biochem/graphics/36_1.gif ]
Dalam setiap rantai polinukleotida baik DNA ataupun RNA, nukleotida yang berpasangan berikatan secara kovalen melalui ikatan fosfodiester antara karbon #3 dari suatu nukleotida, dan karbon #5 pada nukleotida lainnya. Dengan semakin memanjangnya rantai, terbentuklah polinukletida. DNA dan RNA masing-masing mengandung 4 nukleotida, keduanya mengandung purin yang sama, serta cytosine. Namun, nukleotida keempat pada DNA adalah Thymine, sedangkan pada RNA adalah Uracil . Kromosom terdiri atas dua polimer DNA yang berikatan secara non-kovalen melalui ikatan hidrogen, yang kemudian membentuk double-helix . Nukleotida yang membentuk untaian DNA tersebut terikat dengan ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen terjadi antara atom hidrogen tertentu pada suatu basa, dan atom oksigen dan nitrogen tertentu pada basa pasangannya. Adenine dan Thymine masing-masing memiliki satu donor dan satu akseptor, dimana Cytosine memiliki satu donor dan dua akseptor, dan Guanine memiliki 1 akseptor dan 2 donor. Maka, nukleotida A akan selalu berikatan hidrogen dengan nukleotida T. Demikian pula dengan nukleotida C dan T yang selalu berpasangan.
Selama bertahun-tahun, peran asam nukleat dalam kehidupan sehari-hari tidak diketahui. Pada tahun 1944, Oswald Avery memberikan bukti bahwa asam nukleat terlibat dalam penyimpanan serta transfer materi genetik dalam sintesis protein. Adapun penemuan pertama yang signifikan mengenai fungsi asam nukleat didapatkan oleh Erwin Chargaff. Beliau menemukan bahwa DNA selalu mengandung jumlah yang sama dari pasangan basa tertentu. Banyaknya adenine adalah sebanyak adanya guanine, banyaknya cytosine juga sebanyak adanya thymine. James Watson dan Francis Crick kemudian menjelaskan bagaimana DNA dapat digunakan untuk menyimpan informasi genetik. Struktur yang terdiri dari dua untaian polinukleotida yang tidak searah dihubungkan oleh ikatan hidrogen antar purin spesifik pada satu untaian dan pirimidin spesifik pada untaian lainnya. Struktur tersebut dapat menjelaskan bagaimana diciptakan salinan sempurna dari DNA yang dapat diwariskan ke generasi berikutnya (replikasi). Tentunya juga terdapat suatu cara bagaimana memecahkan informasi dari rantai DNA (transkripsi) dan mengartikan informasi tersebut menjadi urutan asam amino dalam protein (translasi).
Fungsi DNA DNA merupakan asam nukleat yang berperan sebagai materi genetik baik pada sel prokariot dan eukariot yang memiliki pengaturan dan lokasi yang berbeda. Pada sel prokariotik, DNA terletak tidak terpisah dari komponen sel lainnya. Sedangkan pada sel eukariotik, DNA terletak di dalam nukleus, dan terpisah dari kompoen sel lainnya yang berbatasan dengan selaput inti. Fungsi DNA itu sendiri terbagi menjadi dua yakni DNA-coding yang berkaitan dengan peran DNA sebagai pemberi instruksi dalam sintesis protein, serta DNA-non coding . Gambar 4
DNA yang berbentuk heliks ganda
[Sumber: https://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/virttxtjml/Images3/dblhelx1.gif]
Fungsi DNA-Coding DNA yang terletak dalam inti sel, yang memiliki fungsi mengontrol aktivitas pada sel itu sendiri. DNA memberikan pola cetakan atau cetak biru untuk sintesis protein dan enzim. Protein dan enzim yang dihasilkan tersebut secara langsung dapat mengontrol perkembangan, proses biokimia, anatomi, fisiologi, dan tingkah laku dari organism tersebut. Sintesis protein sendiri merupakan proses penyusunan senyawa protein dengan membentuk rangkaian rantai polipeptida. Sintesis protein ini terjadi di dalam ribosom dan pengaturan sintesis protein ini dilakukan oleh DNA pada inti sel. Ketika DNA menjalankan fungsinya, yaitu menyusun protein, DNA sangat dipengaruhi oleh susunan sel serta gen-gen lain yang berada dalam lingkungannya. DNA menentukan urutan asam amino pada setiap protein yang akan disintesis. Secara garis besar, sintesis protein dilakukan melalui dua tahap yaitu tahap transkripsi dan tahap translasi. Transkripsi adalah proses penyalinan kode-kode genetik yang ada pada urutan DNA menjadi molekul RNA. Sementara translasi adalah proses penerjemah urutan nukleotida yang ada pada molekul mRNA menjadi serangkaian asam amino yang menyusun suatu polipeptida atau protein. Sel harus menerjemahkan alias menstranslasikan sekuens basa molekul mRNA menjadi sekuens asam amino polipeptida. Tempat terjadinya translasi adalah ribosom, partikel-partikel kompleks yang memfasilitasi penautan teratur asam amino menjadi rantai polipetida. Translasi merupakan proses penerjemahan beberapa triplet atau kodon dari mRNA menjadi asam amino-asam amino yang akhirnya
membentuk protein. Urutan basa nitrogen yang berbeda pada setiap triplet, akan diterjemahkan menjadi asam amino yang berbeda. Misalnya, asam amino fenilalanin diterjemahkan dari triplet UUU (terdiri dari 3 basa urasil), asam amino triptofan (UGG), asam amino glisin (GGC), dan asam amino serin UCA. Sebanyak 20 macam asam amino yang diperlukan untuk pembentukan protein merupakan hasil terjemahan triplet dari mRNA. Selanjutnya, dari beberapa asam amino (puluhan, ratusan, atau ribuan) tersebut dihasilkan rantai polipeptida spesifik dan akan membentuk protein spesifik pula.
Gambar 5 Mekanisme Sintesis Protein [Sumber: -]
Pada transkripsi, terdapat tiga tahapan, yaitu tahapan inisiasi, elongasi, dan terminasi. 1) Inisiasi Jika pada proses replikasi dikenal daerah pangkal replikasi, pada transkripsi ini dikenal promoter, yaitu daerah DNA sebagai tempat melekatnya RNA polimerase untuk memulai transkripsi. RNA polimerase melekat atau berikatan dengan promoter, setelah promoter berikatan dengan kumpulan protein yang disebut faktor transkripsi. Kumpulan antara promoter, RNA polimerase, dan faktor transkripsi ini disebut kompleks inisiasi transkripsi. Selanjutnya, RNA polymerase membuka rantai ganda DNA. 2) Elongasi (Pemanjangan)
Gambar 6 Proses
Elongasi [Sumber: http://3.bp.blogspot.com/-fhfAPG5Oq8/T9XvE6wUPHI/AAAAAAAAAF0/eyUYX5Rls1A/s320/0.png]
Setelah membuka pilinan rantai ganda DNA, RNA polimerase ini kemudian menyusun untaian nukleotida-nukleotida RNA dengan arah 5´ ke 3´. Pada tahap elongasi ini, RNA mengalami pertumbuhan memanjang seiring dengan pembentukan pasangan basa nitrogen DNA. Pembentukan RNA analog dengan pembentukan pasangan basa nitrogen pada replikasi. Pada RNA tidak terdapat basa pirimidin timin (T), melainkan urasil (U). Oleh karena itu, RNA akan membentuk pasangan basa urasil dengan adenin pada rantai DNA. Tiga macam basa yang lain, yaitu adenin, guanin, dan sitosin dari DNA akan berpasangan dengan basa komplemennya masing-masing sesuai dengan pengaturan pemasangan basa. Adenin berpasangan dengan urasil dan guanin dengan sitosin (Gambar 3.13).
3) Terminasi (Pengakhiran) Penyusunan untaian nukleotida RNA yang telah dimulai dari daerah promoter berakhir di daerah terminator. Setelah transkripsi selesai, rantai DNA menyatu kembali seperti semula dan RNA polymerase segera terlepas dari DNA. Akhir nya, RNA terlepas dan terbentuklah mRNA yang baru. Pada sel prokariotik, RNA hasil transkripsi dari DNA, langsung berperan sebagai mRNA. Sementara itu, RNA hasil transkripsi gen pengkode protein pada sel eukariotik, akan menjadi mRNA yang fungsional (aktif) setelah melalui proses tertentu terlebih dahulu. Dengan demikian, pada rantai tunggal mRNA terdapat beberapa urut-urutan basa nitrogen yang merupakan komplemen (pasangan) dari pesan genetik
(urutan basa nitrogen) DNA. Setiap tiga macam urutan basa nitrogen pada nukleotida mRNA hasil transkripsi ini disebut sebagai triplet atau kodon.
Gambar 7 Tahapan Transkripsi DNA [Sumber: http://3.bp.blogspot.com/-At08qZ_TpIo/T9XvhJAI6-I/AAAAAAAAAF8/W142hBLkaLo/s320/1.png]
DNA sebagai pembawa informasi genetik dapat berfungsi sebagai heterokatalis, yang artinya adalah DNA dapat melakukan sintesis pada molekul lainnya, seperti membentuk RNA. DNA juga dapat berfungsi sebagai autokatalitik, yaitu DNA mampu membentuk dirinya sendiri yang dilakukan melalui replikasi, pengkopian rangkaian molekul bahan genetik sehingga dihasilkan molekul anakan yang sangat identik. Proses replikasi diawali dengan terbukanya pilinan dan pemisahan rantai oleh enzim helikase sehingga akan terbentuk dua pita tunggal. Gambar 8 Tahapan Replikasi DNA Kedua pita tunggal tersebut berfungsi [Sumber; https://scavo2000.files.wordpress.com/2012/12/dna-replication2.gif] sebagai cetakan DNA baru dengan bantuan enim DNA polymerase. Hal yang perlu diperhatikan adalah bahwa terdapat satu sifat DNA double helix yang akan memengaruhi replikasi, yaitu kedua pita DNA bersifat anti paralel. Terdapat tiga hipotesis mengenai proses replikasi DNA, yaitu konservatif, semikonservatif, dan dispersive.
Konservatif Menurut model replikasi konservatif, semua pita DNA double helix berfungsi sebagai cetakan. Proses tersebut akan menghasilkan sebuah pita DNA double helix baru. Semikonsevatif Model replikasi DNA ini diusulkan oleh Watson dan Crick beberapa saat setelah mengajukan model DNA double helix . Model ini menjelaskan bahwa setelah pita terurai menjadi pita tunggal, setiap pita akan berfungsi sebagai cetakan. Setiap pita tunggal akan Gambar 9 Model Replikasi DNA [Sumber: http://www.sridianti.com/wp-content/uploads/2013/06/Modelmembentuk pita pasangannya sehingga Replikasi-DNA.jpg] terbentuk dua pita double helix . Dispersif Berdasarkan model ini, pita spiral terputus-putus kemudian potongan DNA tersebut membentuk dua pita baru. Potongan DNA lama akan bersambungan dengan DNA baru pada kedua pita double helix baru tersebut.
Fungsi DNA-Non Coding Genome lainnya, yang disebut sebagai DNA-Non Coding, atau junk DNA merupakan bagian-bagian dari DNA yang tidak memberikan kode untuk protein. Hanya sekitar 2% dari bagian DNA yang mengandung kode untuk sintesis protein. Walaupun pada mulanya hanya dianggap sebagai produk samping, telah ditemukan bahwa bagian DNA tersebut juga memiliki fungsi dalam control ekspresi gen dan struktur kromosom. Jumlah DNA-Non Coding bervariasi pada spesies berbeda. Fungsi yang dimaksud mencakup regulasi saat protein sedang dibuat, ataupun kontrol pengemasan DNA dalam sel. Fungsi RNA Secara umum, RNA berfungsi sebagai penyimpan informasi. Namun, peran utama RNA dan berlaku pada semua makhluk hidup ialah sebagai perantara antara DNA dan protein dalam proses ekspresi genetik. Dalam menjalankan peran tersebut, RNA diproduksi sebagai salinan kode urutan basa nitrogen DNA dalam tahapan trankskripsi DNA. Kode urutan basa ini tersusun dalam bentuk triplet (tiga urutan basa nitrogen), dikenal dengan istilah kodon. Setiap kodon berelasi dengan satu asam amino, monomer yang menyusun protein yang tujuannya yakni sebagai kode untuk berhenti. Fungsi RNA juga terbagi menjadi dua, yakni genetik maupun non-genetik. Fungsi RNA Genetik RNA genetik mengambil andil sebagaimana kerja DNA dan hanya dimiliki oleh makhluk hidup tertentu yang tidak memiliki DNA, seperti beberapa jenis virus. Di dalam sel inangnya, RNA yang terdapat pada virus akan mengalami transkripsi balik menjadi kode genetik RNA-DNA yang pada akhirnya membentuk DNA. Kemudian DNA virus akan masuk ke nukleus inang dan menyisip kedalamya sehingga pada awlanya akan merusak DNA inang dan membentuk mRNA. mRNA ini akan mengalami translasi untuk menghasilkan protein selubung virus sehingga terbentuklah virus-virus baru. Peran penting molekul ini ialah membawa segala materi genetis, seperti yang dimiliki oleh DNA. Fungsi RNA Non-Genetik RNA non-genetik tidak berperan sebagai pembawa genetik sehingga dimiliki oleh makhluk hidup yang juga mempunyai DNA. RNA dibagi menjadi 10 yaitu: mRNA, siRNA, tRNA, rRNA, xistRNA, hnRNA, RNAi, snoRNA, miRNA, ncRNA. Namun fungsi yang paling umum diketahui oleh orang-orang adalah fungsi dari mRNA, tRNA, dan rRNA.
A. mRNA mRNA merupakan blue print yang berfungsi untuk mengkode urutan asam amino dari satu atau lebih polipeptida yang terdapat pada gen. mRNA berbentuk pita tunggal, terdapat di dalam nukelus dan dibuat oleh DNA dalam proses yang dinamakan transkripsi. Sebelum DNA mencetak mRNA, DNA double helix terlebih dahulu membuka spiralnya dengan bantuan enzin RNA polymerase. Setelah mRNA selesai dicetak maka mRNA keluar dari nucleus melalui pori-pori dinding nucleus ke arah ribosom. B. tRNA Holley memberi keterangan tentang molekul tRNA pada tahun 1965 untuk pertama kalinya. tRNA merupakan molekul adaptor yang berfungsi menerjemahkan urutan nukleotida dalam mRNA menjadi urutan asam amino dalam polipeptida. tRNA akan membawa asam amino dari sitoplasma ke ribosom, tempat di mana sintesis protein terjadi, dan antikodon akan mengenali kodon komplemennya.
Gambar 10 Skema tRNA [Sumber: -]
C. rRNA rRNA disebut ribosomal RNA karena terdapat di ribosom, bentuknya berupa pita tunggal dan tidak bercabang. Fungsi dari ribosomal adalah sebagai mesin perakit dalam sintesis protein yang bergerak ke satu arah mRNA. Di dalam ribosom, molekul rRNA ini mencapai 30-46%. D. siRNA (small interfersion RNA) siRNA diproses dalam sitoplasma oleh enzim sebelum menjadi bagian dari kompleks protein. Proses interferensi RNA dapat dimoderasi oleh siRNA. siRNA adalah eksogen RNA untai ganda yang diambil oleh sel atau masuk melalui vector seperti virus. Fungsinya adalah menginterferensi ekspresi gen dan melakukan sintesis gen yang memiliki fungsi. siRNA juga mendegradasi mRNA dan menjadikan struktur kromatinnya menjadi kompak. Gambar 11 Mekanisme siRNA
E. xistRNA [Sumber: -] xistRNA mempunyai fungsi untukk berperan penting dalam proses penonaktifan kromosom X yang juga melibatkan Xinactivation center, xist, dan tsix. Xinactivation center berada di dekat sentromer dan mengandung 7 kode gen protein dan 5 koden gen RNA yang belum ditranslasi. Xic ini nantinya akan menghasilkan gen xist dan tsix. F. hnRNA Pada mamalia termasuk manusia, memiliki Heterogeneous nuclear yang merupakan molekul RNA inti yang mempunyai ukuran sangat heterogen dan kompak. Molekul hnRNA kemudian akan diproses untuk menghasilkan mRNA. hnRNA ini sendiri merupakan hasil langsung dari transkripsi DNA yang dikenal dengan pre-mRNA. hnRNA dapat ditemukan pada sel euukariot. G. RNAi RNA interference merupakan strategi pertahanan kuno yang dimiliki oleh tumbuhan dan invertebrate tingkat rendah untuk melawan infeksi virus dan kerusakan genomic akibat menyisipnya materi genetik asing. RNAi dapat menghambat ekspresi gen pada sekuens yang spesifik dengan cara memutuskan mRNA yang mempunyai sekuens pendek. Mekanisme dasar RNAi yaitu:
Rantai dsRNA masuk ke dalam sitoplasma dan akan langsung dikenali oleh enzim yang disebut Dicer . Enzim ini akan memotong rantai dsRNA menjadi rantai yang pendek-pendek. Dicer akan sangat aktif memotong dsRNA sehingga akan terdapat banyak potongan kecil dsRNA yang disebut dengan siRNA yang masih memiliki rantai ganda. siRNA akan dikenali ole RNA-Induced Silencing Complex yang mengandung enzim Argonaut. Pada fase ini siRNA akan dibelah menjadi rantai tunggal yang akan mengaktifkan RISC. RISC yang aktif akan mencari mRNA yang baru keluar dari inti sel setelah transkripsi. Singlestranded diRNA pada RISC akan dengan tepat mengenali target dan mengikat basa komplemen di mRNA. Setiap RISC mengandung aktifitas enzim endonuclease yag memiliki fungsi memotong target mRNA menjadi bagian-bagian kecil sehingga informasi genetik dari DNA yang mau diubah menjadi protein bisa hilang.
H. snoRNA small nucleolar RNA merupakan bagian dari molekul small RNA yang memiliki fungsi untuk melakukan modifikasi kima pada RNA lainnya, terutama rRNA dan tRNA. I.
miRN miRNA seperti siRNA juga diproses dalam sitoplasma oleh enzim sebelum menjadi bagian dari kompleks protein. Dalam pengaturan ekspresi genetik, miRNA terlibat dalam peredaman gen atau disebut juga genesilencing . Mikro RNA biasanya hanya 20-25 unit panjangnya. Mereka ditranskripsikan dari DNA namun tidak terlibat langsung dalam sintesis protein seperti RNA yang lain. Fungsi yang dilakukan lebih mirip enzim yaitu mengatur reaksi kimia di dalam sel-sel kita terutama pada tahap embrio, selain itu miRNA juga menghambat proses translasi tertentu.
J. ncRNA RNA ini dikodekan oleh gen RNA yang juga berasal dari mRNA intron. ncRNA ini meliputi tRNA dan rRNA yang tidak melakukan pengkodean untuk protein dan justru tetap menjadi RNA nukleotida. K. snRNA Small nuclear RNA memiliki fungsi utama untuk melakukan proses pre-mRNA atau hnRNA di dalam nucleus. Selain itu snRNA juga berfungsi mengatur telomere, membantu dalam regulasi, membentuk snRNP, dan membantu dalam penyambungan RNA. Fungsi Purin & Pirimidin Ada dua fungsi seluler utama untuk purin dan pirimidin. Pertama, purin adenin dan guanin dan pirimidin sitosin, timin dan urasil semua digunakan untuk produksi DNA dan RNA. Basa nitrogen disintesis terkait dengan residu gula ribosa terfosforilasi, dan ini monofosfat nukleosida yang dimasukkan ke dalam tumbuh untai DNA baru atau RNA selama replikasi atau transkripsi. Fungsi kedua pirimidin dan purin adalah penyimpanan energi jangka pendek. Bentuk yang paling umum dari energi di semua sel adalah adenosin trifosfat, atau ATP. Pelepasan fosfat ketiga untuk menghasilkan adenosine diphosphate, atau ADP, merupakan reaksi yang sangat menguntungkan dan dapat mendorong reaksi memerlukan masukan energi. Trifosfat guanin difosfat dan guanin yang digunakan oleh enzim dan reseptor tertentu sebagai on / off, sementara trifosfat sitosin dan uridin trifosfat keduanya digunakan dalam produksi biomolekul. Aplikasi Asam Nukleat A. Hukum 1. Forensik dan DNA f i n g e r p r i n t Ilmuwan forensik dapat menggunakan DNA yang terletak dalam darah, sperma, kulit, atau rambut yang tersisa di tempat kejadian kejahatan untuk mengidentifikasi kemungkinan tersangka, sebuah proses yang disebut sidikjari ( fingerprinting ) DNA atau pemrofilan DNA (DNA
profiling). Dalam pemrofilan DNA panjang relatif dari bagian DNA yang berulang seperti short tandem repeats dan minisatelites, dibandingkan. Pemrofilan DNA dikembangkan pada 1984 oleh genetikawan Inggris Alec Jeffreys dan pertama kali digunakan untuk mendakwa Coline Pitchfork pada 1988 dalam kasus pembunuhan Enderby di Leicestershire, Inggris. DNA fingerprint merupakan gambaran pola potongan DNA dari setiap individu. Karena setiap individu mempunyai DNA fingerprint yang berbeda maka dalam kasus forensik, informasi ini bisa digunakan sebagai bukti kuat kejahatan di pengadilan. DNA yang biasa digunakan dalam tes adalah DNA mitokondria dan DNA inti sel. DNA yang paling akurat untuk tes adalah DNA inti sel karena inti sel tidak bisa berubah sedangkan DNA dalam mitokondria dapat berubah karena berasal dari garis keturunan ibu, yang dapat berubah seiring dengan perkawinan keturunannya. Dalam kasus-kasus kriminal, penggunaan kedua tes DNA diatas, bergantung pada barang bukti apa yang ditemukan di Tempat Kejadian Perkara (TKP). Seperti jika ditemukan puntung rokok, maka yang diperiksa adalah DNA inti sel yang terdapat dalam epitel bibir karena ketika rokok dihisap dalam mulut, epitel dalam bibir ada yang tertinggal di puntung rokok. Epitel ini masih menggandung unsur DNA yang dapat dilacak. Untuk kasus pemerkosaan diperiksa spermanya tetapi yang lebih utama adalah kepala spermatozoanya yang terdapat DNA inti sel didalamnya. Sedangkan jika di TKP ditemukan satu helai rambut maka sampel ini dapat diperiksa asal ada akarnya. Namun untuk DNA mitokondria tidak harus ada akar, cukup potongan rambut karena diketahui bahwa pada ujung rambut terdapat DNA mitokondria sedangkan akar rambut terdapat DNA inti sel. Bagian-bagian tubuh lainnya yang dapat diperiksa selain epitel bibir, sperma dan rambut adalah darah, daging, tulang dan kuku. Banyak yurisdiksi membutuhkan terdakwa dari kejahatan tertentu untuk menyediakan sebuah contoh DNA untuk dimasukkan ke dalam database komputer. Hal ini telah membantu investigator menyelesaikan kasus lama di mana pelanggar tidak diketahui dan hanya contoh DNA yang diperoleh dari tempat kejadian. 2. Narkotika Rambut dalam kasus terorisme selalu dijadikan uji pembanding untuk mengetahui kecocokan DNA antara keluarga dan pelaku teror. Tidak hanya untuk uji DNA, rambut ternyata dapat digunakan sebagai uji kandungan narkotika dalam tubuh seseorang. Hal ini dikarenakan narkoba tetap akan berada dalam rambut secara abadi dan mengikuti pertumbuhan rambut yang berlangsung sekitar 1 inchi per 60 hari. Deteksi kandungan narkotika dengan media rambut sangat efektif bila dibandingkan dengan uji lainnya, seperti kandungan kemih (urine) yang dapat berkurang dan menghilang dalam waktu singkat antara 48-72 jam karena pengeluaran secara berkala. Selain itu, secara operasional pengambilan dan penyimpanan contoh rambut juga jauh lebih sederhana dan tidak menjijikan seperti dalam pengumpulan urine. Meski memiliki beberapa keunggulan, pengujian kandungan narkotika dengan menggunakan rambut sepenuhnya tidak dapat menggantikan uji urine. "Hanya menjadi pendukung untuk menguatkan bukti bila seseorang tersebut menyimpan kandungan narkotika. BNN sendiri saat ini memiliki 10 unit kendaraan yang digunakan untuk uji narkotika di lapangan. Kendaraan tersebut dilengkapai dilengkapi teknologi GC-MS ( Gas Chromatography Mass Spectrometer ) yang mampu untuk mendeteksi kandungan Narkoba dengan menggunakan media rambut. Selain untuk tes Narkoba dengan rambut, alat-alat yang ada dalam kendaraan ini juga bisa digunakan untuk tes dengan menggunakan urine .
B. Kesehatan 1. DNA rekombinan Teknologi DNA Rekombinan merupakan kumpulan teknik atau metoda yang digunakan untuk mengkombinasikan gen-gen di dalam tabung reaksi. Teknik-teknik yang dimaksud meliputi mengisolasi DNA dari berbagai organisme, menggabungkan DNA yang berasal dari organisme yang berbeda sehingga terbentuk DNA rekombinan, memasukkan DNA rekombinan ke dalam sel organisme prokariot maupun eukariot hingga DNA rekombinan dapat berepilkas i dan bahkan dapat diekspresikan. Perangkat yang digunakan dalam teknologi DNA rekombinan adalah perangkat-perangkat yang ada pada bakteri. Perangkat tersebut antara lain adalah:. 1. Enzim restriksi Digunakan untuk memotong DNA 2. Enzim DNA ligase Digunakan untuk menyambung DNA 3. Plasmid Digunakan sebagai vektor untuk mengklonkan gen atau mengklonkan fragmen DNA atau mengubah sifat bakteri. 4. Transposon Digunakan sebagai alat untuk melakukan mutagenesis dan untuk menyisipkan penanda. 5. Pustaka Genom Digunakan untuk menyimpan gen atau fragmen DNA yang telah diklonkan. 6. Enzim traskripsi balik Digunakan untuk membuat DNA berdasarkan RNA. 7. Pelacak DNA / RNA Digunakan untuk mendeteksi gen atau fragmen DNA yang diinginkan atau untuk mendeteksi klon yang benar. Kloning merupakan produksi banyak Salinan dari DNA yang baru direkayasa. Amplifikasi gen kloning tertentu atau gen, ditambah dengan peningkatan yang ditandai dalam produksi produk protein mereka, membuatnya relatif mudah untuk mengekstrak dan memurnikan protein tersebut di laboratorium. Tujuan kloning adalah untuk mengisolasi gen yang diinginkan atau segmen DNA dari suatu organisme dan memperkenalkannya kepada sel inang untuk mendapatkan kuantitas banyak dari DNA. Jumlah sel yang mengandung DNA yang diinginkan harus didapatkan, baik dari sebagian kecil jaringan atau kultur sel. Kemudian sel diurai dan material genetik (baik di kromosom atau di plasmid) diekstraksi.
Gambar 12 Prosedur Kloning [Sumber: https://orindnesia.files.wordpress.com/2014/09 /dolly.png]
Teknologi DNA rekombinan juga digunakan untuk membuat vaksin. Pada aplikasi ini, secara garis besar beberapa mikroorganisme digunakan untuk menghambat kemampuan mikroorganisme patogen (penyebab penyakit). Mikrobia menjadi suatu bibit penyakit dalam tubuh apabila mikrobia tersebut menghasilkan senyawa toksik bagi tubuh manusia. Selain itu, bagian-bagian tubuh mikrobia seperti flagel dan membran sel juga dapat menimbulkan penyakit. Hal ini karena bagian-bagian tersebut kemungkinan terdiri dari protein asing bagi tubuh. Senyawa dan protein asing ini disebut antigen.
Gen yang mengkode senyawa penyebab penyakit (antigen) diisolasi dari mikrobia yang bersangkutan. Kemudian gen ini disisipkan pada plasmid mikrobia yang sama, tetapi telah dilemahkan (tidak berbahaya). Mikrobia ini menjadi tidak berbahaya karena telah dihilangkan bagian yang menimbulkan penyakit, misal lapisan lendirnya. Mikrobia yang telah disisipi gen ini akan membentuk antigen murni. Bila antigen ini disuntikkan pada manusia, sistem kekebalan manusia akan membuat senyawa khas yang disebut antibodi. Munculnya antibodi ini akan mempertahankan tubuh dari pengaruh senyawa asing (antigen) yang masuk dalam tubuh.
Gambar 13 Prosedur Produksi Insulin [Sumber: http://1.bp.blogspot.com/-eVgC9aDlTi4/ULB29iDt8LI/AAAAAAAABKs/KTDZCmiS0JA/s1600/vaksintransgenik.jpg]
Indonesia juga memanfaatkan bioteknologi untuk membuat vaksin flu burung. Baru-baru ini para ahli dari Fakultas Kedokteran Hewan IPB bekerja sama dengan Shigeta Pharmaceutical, sebuah perusahaan farmasi dari Jepang telah berhasil menemukan vaksin untuk penyakit yang meresahkan masyarakat ini. Vaksin ini diberi nama Bird CLOSE 5.1. Vaksin ini diperoleh melalui rekayasa genetika dari virus penyebab flu burung H5N1 yang dikawinkan dengan virus influenza Puerto Rico yang dapat tumbuh dengan pesat. Virus yang dijadikan sampel dalam pembuatan vaksin ini yaitu virus H5N1 yang ditemukan di daerah Legok, Tangerang, Banten. Zat-zat berbahaya dari virus ini dihilangkan kemudian virus ini dikembangbiakkan dengan cepat. Virus yang sudah tidak berbahaya inilah yang digunakan sebagai vaksin. 2. Terapi gen Bila dikonsumsi dengan dimakan atau diminum , kombinasi RNA / DNA digunakan untuk meningkatkan memori dan ketajaman mental, untuk mengobati atau mencegah penyakit Alzheimer , untuk mengobati depresi , meningkatkan energi , mengencangkan kulit , meningkatkan gairah seks , dan untuk melawan efek penuaan . Jika digunakan secara enteral , RNA digunakan dalam formulasi nutrisi yang mencakup omega - 3 asam lemak dan arginin untuk mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk pemulihan setelah operasi , untuk meningkatkan respon kekebalan tubuh, dan untuk meningkatkan hasil dari pasien luka bakar dan pasien perawatan intensif .Jika disuntikan, RNA digunakan untuk mengobati eksim , psoriasis , gatal-gatal , dan herpes zoster . Pemulihan bedah . Melengkapi diet pasien menjalani operasi besar dengan enteral atau lisan RNA , L - arginin , dan asam eicosapentaenoic mungkin meningkatkan pemulihan . Kombinasi ini diberikan dalam periode perioperatif muncul untuk meningkatkan respon kekebalan tubuh , mengurangi infeksi perioperatif , meningkatkan penyembuhan luka , dan mempersingkat waktu
pemulihan
(5531,
5532,
5533,
7819).
Meskipun sebagian besar organisme dapat mensintesis nukleotida (5900), nukleotida makanan (berasal dari DNA dan RNA) tampaknya menjadi penting dalam kondisi pert umbuhan yang cepat seperti pengembangan usus, reseksi hati atau cedera dan juga selama tantangan terhadap sistem kekebalan tubuh Ketika nukleotida preformed dikonsumsi, mereka terdegradasi ke pangkalan-pangkalan gratis di usus sebelum penyerapan. Bukti eksperimental menunjukkan mereka dimasukkan ke dalam hati pirimidin nukleotida renang (5900) dan bahwa mereka mempengaruhi isi RNA hati. Isi RNA hati, pada gilirannya, mempengaruhi waktu pemulihan dari cedera hati Dalam protein - kekurangan hewan, nukleotida makanan muncul untuk manfaat saluran usus. Mereka juga dapat mengembalikan fungsi kekebalan tubuh, sementara memulihkan keseimbangan nitrogen (protein) tidak (5543). Dengan tidak adanya nukleotida, pematangan T - limfosit yang normal diblokir (5543). Model penyakit A Crohn pada tikus menunjukkan RNA memiliki efek yang sangat signifikan pada ulserasi usus penyembuhan (5900) . Melengkapi diet enteral dengan arginin , RNA , dan asam lemak omega - 3 dapat mengurangi konsentrasi dari tumor necrosis factor alpha , dan interleukin - 6 dan mempercepat pemulihan konsentrasi interleukin - 1 beta dan interleukin - 2 reseptor alpha. 3. Patologi Hibridisasi DNA adalah suatu teknik untuk mendeteksi keberadaan DNA dari patogen dalam specimen klinis dan untuk mencari gen spesifik dalam sel. Hibridisasi DNA memanfaatkan kemampuan asam nukleat untuk membentuk molekul stabil beruntai ganda ketika dua untai tunggal dengan basa komplementer yang digabungkan pada kondisi-kondisi yang mendukung. DNA dari virus atau sel didenaturasi dengan alkali untuk memisahkan untaiannya. Untaian tunggal DNA kemudian disambungkan ke medium solid seperti nitroselulosa atau membrane nilon sehingga tidak bergabung kembali. DNA ditempelkan kepada membrannya dengan penyangga gula-fosfat dengan basa nitrogen yang mengarah keluar. Untuk mengkarakterisasi DNA, suatu DNA beruntai tunggal atau molekul RNA, yang disebut sebagai probe, ditambahkan ke membrane dalam larutan penyangga. Ini memungkinkan pembentukan ikatan hidrogen antar basa komplementer. Probe disebut demikian karena digunakan untuk mencari urutan DNA, diberi label dengan grup reporter , yang mungkin merupakan atom radioaktif atau enzim yang keberadaannya dapat dideteksi dengan mudah. Probe tersebut dibiarkan bereaksi dengan DNA target, kemudian probe yang tidak bereaksi dihilangkan dengan mencucinya dalam larutan penyangga. Setelah itu, semua yang tersisa dalam nitroselulosa adalah DNA target dan molekul probe yang menempel pada urutan komplementer dalam DNA target, membentuk hibridisasi stabil. Apabila grup reporter terdeteksi, hibridisasi telah berjalan. Sebaliknya, apabila tidak, dapat diasumsikan bahwa molekul target tidak memiliki urutan atau sekuens yang komplementer terhadap probe tersebut, dan gen atau segmen DNA yang dicari tidak ada dalam sampel. Pada kondisi yang sesuai, probe DNA adalah sangat spesifik terhadap patogen atau gen yang diteliti. Kerugian yang relative sedikit dalam hibridisasi DNA umumnya terkait dengan penggunaan radioaktif sebagai sinyal deteksi, dan waktu serta usaha dikeluarkan untuk mendapatkan data.
C. Pendidikan dan Industri
Proses DNA rekombinan pada tumbuhan menggunakan vektor Agrobacterium tumefaciens yang mempunyai plasmid Ti (Tumor inducing). Langkah pertama, plasmid Ti diisolasi, kemudian disisipi dengan gen asing (transplantasi gen). Setelah itu, plasmid dimasukkan ke dalam A. tumefaciens. Ketika digabung dengan sel-sel tumbuhan, A. tumefaciens membiakkan plasmid. Setelah berbiak, A. tumefaciens yang telah mengalami rekombinasi (melalui proses DNA rekombinan) kembali menginfeksi kromosom tumbuhan. Kini tumbuhan tersebut telah mengandung gen asing yang dicangkokkan pada A. tumefaciens. Sel-sel yang dihasilkan dari proses DNA rekombinan tersebut ditumbuhkan dengan metode kultur jaringan sehingga menghasilkan tunas. Setelah tumbuh, tanaman tersebut dapat ditanam pada lahan pertanian.
Gambar 14 Rekayasa Genetika tumbuhan Agrobacterium tumefaciens dengan Menggunakan Plasmid Ti [Sumber: http://4.bp.blogspot.com/-RyzJhbt5ZLg/ULB25hAC2uI/AAAAAAAABKM/CniBA_lsuQY/s1600/Rekayasagenetika-Agrobacterium-tumefaciens-plasmid-Ti.jpg]
Aplikasi (penerapan) DNA rekombinan dengan vektor mikrobia telah menghasilkan hewan maupun tumbuhan transgenik. Hewan maupun tumbuhan yang dihasilkan melalui proses ini mempunyai karakteristik yang tidak ditemukan di alam. Beberapa contoh aplikasi bioteknologi dalam bidang pertanian dan peternakan sebagai berikut.
No. 1
Produk Bioteknologi Bunga antilayu
Keterangan Etilen merupakan hormon tumbuhan yang menyebabkan bunga menjadi layu. Para peneliti mengganti gen yang sensitif terhadap etilen pada mahkota bunga dengan gen yang kurang sensitif sehingga kelayuan bunga dapat ditunda. Contohnya anyelir transgenik yang mampu bertahan tetap segar selama 3 minggu.
2
Buah tahan kebusukan
3
Ikan salmon raksasa
4
Sapi perah dengan hormon manusia
5
Hormon Bovin Somatotropin (BST)
6
Kain ”alami” sintesis
Etileh juga merangsang pematangan buah. Aktivitas gen penghasil etilen dapat dihambat melalui rekayasa genetika sehingga buah tetap segar dalam waktu yang cukup lama. Contohnya tomat ”Flavr Savr”. Ikan salmon disisipi gen yang dapat menghasilkan hormon pertumbuhan yang aktif pada fase pertumbuhan embrio. Ikan salmon transgenik ini mempunyai berat 11 kali lipat dibanding ikan salmon biasa dan siklus hidupnya lebih pendek. Gen laktoferin yang memproduksi HLF (Human Lactoferrin) disisipkan pada sapi perah melalui rekayasa genetika. Sapi tersebut akan memproduksi susu yang mengandung laktoferin. Contohnya sapi Herman. Gen somatotropin sapi ditransplantasikan pada plasmid Eschericia coli sehingga menghasilkan BST. BST yang ditambahkan pada makanan ternak dapat meningkatkan produksi daging dan susu ternak. Kain dari serat alami mempunyai tekstur halus tetapi mudah putus. Adapun kain dari serat sintetis (poliester) tidak mudah putus tetapi terasa panas. Kini telah dikembangkan gen pada bakteri yang mengkode enzim yang dapat mensintesis poliester.
Kesimpulan Asam nukleat berperan penting dalam kehidupan makhluk hidup. Asam nukleat itu sendiri terbagi menjadi dua jenis yaitu Deoxyribonucleic Acid (DNA) dan Ribonucleic Acid (RNA). Hal ini berdasarkan ada atau tidakny oksigen pada gugus hidroksil karbon 2’ pada g ula dalam nukleotidanya. Adanya perbedaan ini juga memberikan diferensiasi fungsi. Baik pada DNA ataupun RNA, mempunyai fungsi genetik maupun non-genetis. Fungsi DNA-Coding atau genetik adalah sebagai pengontrol aktivas sel serta penyimpan informasi genetik yang kemudian akan diwariskan. Yang dimaksud sebagai pengontrol aktivitas sel, adalah asam nukleat seperti yang telah diketahui terletak dalam inti sel. DNA memiliki informasi gen apa sajakah yang ingin disintesis hingga menghasilkan protein atau enzim yang diperlukan. Protein atau enzim inilah yang akan terlibat langsung dalam aktivitas sel. Selain itu, DNA juga dapat mereplikasikan dirinya untuk menggantikan gen-gen yang sudah lama dengan baru. Adapun fungsi DNA-Non Coding, junk DNA atau non-genetik DNA belum diketahui secara persis namun baru dapat disimpulkan bahwa junk DNA tersebut juga turut berperan dalam regulasi maupun kontrol pengemasan sel. Selain DNA, RNA juga memiliki fungsi baik genetik dan non-genetik. Pada fungsi genetik, RNA bekerja layaknya DNA pada makhluk hidup eukariotik. RNA pada beberapa jenis virus berperan sebagai penyimpanan kode genetik yang kemudian akan digunakan dalam sintesis protein. Terdapat beberapa jenis RNA dengan fungsi non-genetik, yaitu mRNA, siRNA, tRNA, rRNA, xistRNA, hnRNA, RNAi, snoRNA, miRNA, ncRNA, dan lain sebagainya. Setiap jenis RNA tersebut tidak berperan sebagai pembawa materi genetik, namun dapat berperan dalam proses sintesis protein seperti mRNA, rRNA, serta tRNA. Tak hanya RNA dan DNA, purin dan pirimidin juga dapat menyimpan materi genetik serta menyimpan energi jangka pendek. Aplikasi dari setiap fungsi dari bagian asam nukleat ini sangat luas, mulai dari bidang hukum, kesehatan, hingga pendidikan dan industri. Penggunaan DNA fingerprinting yang merupakan gamabran pola potongan DNA adalah salah satu aplikasi yang paling umum. DNA yang tertinggal pada bukti atau TKP akan dibandingkan dengan DNA tersangka. DNA yang digunakan biasanya adalah DNA inti sel yang
tidak berubah. Adapun perkembangan teknologi juga memungkinan adanya rekayasa pada DNA, baik rekombinan, maupun modifikasi. Rekombinan DNA dimanfaatkan untuk membuat vaksin, hingga mendeteksi patogen. Rekayasa DNA memungkinkan munculnya spesies unggul seperti tanaman tahan hama, tahan suhu ekstrem, dan lain sebagainya.
Daftar Pustaka Anonim. 2012. Sintesis Protein dan Kode Genetik . [ONLINE] Tersedia: http://www.biologisel.com/2012/06/sintesis-protein-dan-kode-genetik.html . [Diakses 20 Februari 2016]. Aris Tjahjoleksono. 2003. Teknologi DNA Rekombinan. [ONLINE] Tersedia: http://web.ipb.ac.id/~tpb/files/materi/genetika/dnarekombinan/textdnarekombinanpdf.pdf . [Diakses 21 Februari 2016]. JF, Waring; R, Ciurlionis; RA, Jolly; M, Heindel; RG, Ulrich. 2001. Fingerprint DNA. Toxicol Lett. Julia Willingale-Theune. 2016. What Does DNA Do. [ONLINE] Tersedia: http://www.yourgenome.org/facts/what-does-dna-do . [Diakses 20 Februari 2016]. Krane, D.E., dan M.L. Raymer. 2003. Fundamental Concepts of Bioinformatics. San Francisco: Benjamin Cummings. Mount, D.W. 2001. Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis . Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Laboratory Press. Purdue University. 2016. Nucleic Acids. [ONLINE] Tersedia: http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/1biochem/nucleic8.html . [Diakses 20 Februari 2016]. Sembiring, L. 2009. Biologi : Kelas XII untuk SMA dan MA . Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta, p. 282. Sklar J. 1985. DNA hybridization in diagnostic pathology . [ONLINE] Tersedia: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2989147 . [Diakses 20 Februari 2016]. Sridianti. 2016. Apakah Fungsi Purin dan Pirimidin. [ONLINE] Tersedia: http://www.sridianti.com/apakah-fungsi-purin-dan-pirimidin.html. [Diakses 20 Februari 2016]. Stansfield, William, Rano Carlo, dan Jaime Colome. 2003. Schaum’s Easy Outline: Molecular & Cell Biology. New York: McGraw-Hill.
