BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Ilmu genetika mendefinisikan dan menganalisis keturunan (heredity) atau konstansi dan perubahan pengaturan dari berbagai fungsi fisiologis yang membentuk karakter organisme. Unit keturunan disebut gen, adalah suatu segmen DNA yang nukleotidanya membawa informasi karakter biokimia atau fisiologis tertentu.. Genetika ialah telaah mengenai pewarisan dan keragaman ciri-ciri suatu organisme, baik organisme itu uniselular maupun multiseluler. Penelitian dalam bidang genetika pada taraf molekular telah mengenali asam deoksiribonukleat (DNA), yaitu substansi kimiawi yang membangun kromosom, sebagai substansi yang turun temurun. Banyak yang telah ditemukan mengenai struktur molekul DNA dan juga replikasinya. Sandi genetis yang terkandung di dalamnya telah pula diungkapkan artinya. Kini kita memiliki pengetahuan mengenai bagaimana informasi genetis diteruskan untuk mengendalikan perumbuhan dan aktivitas selular. Pengetahuan ini juga telah menuntun kepada pemahaman bahwa cacat molekular pada informasi yang disandikan di dalam DNA merupakan penyebab banyak penyakit genetis. Seperti halnya prinsip-prinsip biokimia, prinsip-prinsip genetika itu universal. Telaah mengenai genetika mikroba telah banyak sumbangannya terhadap apa yang kita ketahui mengenai genetika semua organisme.
Sel-sel
prokariotik,
terutama
bakteri,
telah
terkenal
sekali
kegunaannya seperti bakteri Escherichia coli coli dalam pembentukkan insulin di dalam hal ini; karena prokariota adalah organisme berkromosom tunggal, diekspresikan dengan segera dan mudah diamati.
1
Rekayasa genetika adalah proses mengidentifikasi dan mengisolasi DNA dari suatu sel hidup atau mati dan memasukkannya dalam sel hidup lainnya. Rekayasa
genetika
merupakan
suatu
cara
memanipulasikan
gen
untuk
menghasilkan makhluk hidup baru dengan sifat yang diinginkan. Rekayasa genetika disebut juga pencangkokan gen atau rekombinasi DNA. Dalam rekayasa genetika digunakan DNA untuk menggabungkan sifat makhluk hidup. Hal itu karena DNA dari setiap makhluk hidup mempunyai struktur yang sama, sehingga dapat direkombinasikan. Selanjutnya DNA tersebut akan mengatur sifat-sifat makhluk hidup secara turun-temurun.
1.2 Tujuan Penulisan Adapun tujuan dalam penyusunan makalah ini, antara lain: 1.
Mengetahui rekayasa genetika mikroba dalam industri insulin
2. Mengetahui penggunaan mikroba dalam produksi insulin 1.3 Rumusan Masalah
1. Bagaimana cara rekayasa genetika mikroba dalam industri i nsulin 2. Bagaimana cara penggunaan mikroba dalam produksi insulin
2
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Rekayasa Genetika Rekayasa genetika dalam arti paling luas adalah penerapan genetika untuk kepentingan manusia. Dengan pengertian ini kegiatan pemuliaan hewan atau tanaman melalui seleksi dalam populasi dapat dimasukkan. Demikian pula penerapan mutasi buatan tanpa target dapat pula dimasukkan. Walaupun demikian, masyarakat ilmiah sekarang lebih bersepakat dengan batasan yang lebih sempit, yaitu penerapan teknik-teknik biologi molekular untuk mengubah susunan genetik dalam kromosom atau mengubah sistem ekspresi genetik yang diarahkan pada kemanfaatan tertentu. 2.2
Peran Rekayasa Genetika Mikroba Dalam Industri Insulin
Insulin (bahasa latin: insula, “pulau”, karena diproduksi di pulau-pulau Langerhans di pankreas) adalah sebuah hormon polipeptida yang mengatur metabolisme karbohidrat. Selain merupakan “efektor” utama dalam homeostasis karbohidrat, hormon ini juga ambil bagian dalam metabolisme lemak (trigliserida) dan protein. Hormon ini memiliki properti anabolik. Hormon tersebut juga mempengaruhi jaringan tubuh lainnya. Insulin menyebabkan sel (biologi) pada otot dan adiposity menyerap glukosa dari sirkulasi darah melalui transporter glukosa GLUT1 dan GLUT4 dan menyimpannya sebagai glikogen di dalam hati dan otot sebagai sumber energi. Kadar insulin yang rendah akan mengurangi penyerapan glukosa dan tubuh akan mulai menggunakan lemak sebagai sumber energi. Secara normal insulin dihasilkan oleh pankreas. Dalam keadaan sehat pankreas secara spontan akan memproduksi insulin saat gula darah tinggi. Prosesnya sebagai berikut : jika gula darah rendah glukogen akan dibebaskan oleh sel alfa pankreas, kemudian hati akan melepaskan gula ke darah yang
3
mengakibatkan kadar gula darah menjadi normal. Sebaliknya jika gula dalam darah tinggi, insulin akan dibebaskan oleh sel beta pankreas, kemudian sel-sel lemak akan mengikat gula darah, yang mengakibatkan kadar gula darah menjadi normal. Struktur insulin manusia terdiri dari dua rantai polipeptida yang dihubungkan oleh ikatan disulfida, yaitu polipeptida alfa dan beta. Polipeptida alfa mengandung 21 asam amino sedang polipeptida beta mengandung 30 asam amino. Apabila urutan asam amino suatu polipeptida diketahui maka dengan menggunakan kode genetika dapat pula diketahui urutan nukleotida gena(DNA) yang mengkodenya. 2.3 Kegunaan Insulin
Insulin digunakan dalam pengobatan beberapa jenis diabetes melitus. Pasien dengan diabetes mellitus tipe 1 bergantung pada insulin eksogen (disuntikkan ke bawah kulit/subkutan) untuk keselamatannya karena kekurangan absolut hormon tersebut, pasien dengan diabetes mellitus tipe 2 memiliki tingkat produksi insulin rendah ataukebal insulin, dan kadang kala membutuhkan pengaturan insulin bila pengobatan lain tidak cukup untuk mengatur kadar glukosa darah. 2.4 Pengobatan Diabetes Melitus
Hal yang berkaitan dengan pengobatan Diabetes Melitus mikroba berupa Eschericia coli yang dapat melakukan proses metabolisme. Dari hasil metabolisme tersebut dapat menghasilkan insulin yang dapat digunakan penderita Diabetes Melitus (DM). Sebelum era rekayasa genetika, insulin yang diperlukan untuk mengobati penderita DM diperoleh dari hewan. Insulin yang dihasilkan oleh pankreas sapi atau babi digunakan untuk pengobatan DM pada manusia. Jika dibandingkan dengan insulin dari ekstraksi pankreas sapi yang hanya menghasilkan ½ cc saja, insulin babi dapat menghasilkan sekitar 1 L insulin dari gen pankreas yang diklon
4
dalam ragi pada tabung fermentor kapasitas 1000 L. Bila diamati dengan cermat, secara ilmiah organ yang ada pada babi memiliki perwujudan yang sangat serasi dengan manusia. Perbandingan lain juga ditemukan dari hasil struktur kimia yang dimiliki oleh babi, ternyata struktur insulin yang dimiliki oleh pankreas babi memiliki bentuk yang hampir sama dengan insulin manusia, yaitu : Insulin Manusia : C256H381N65O76S6 MW = 5807,7 Insulin Babi : C257H383N65O77S6 MW = 5777,6 Namun cara ini mempunyai kelemahan, yaitu terbatasnya insulin yang dapat diproduksi oleh pankreas, yang tidak sebanding dengan jumlah penderita DM yang membutuhkan insulin. Selain itu memungkinkan adanya efek samping karena insulin yang dihasilkan tidak sama persis dengan insulin manusia. Meskipun diketahui insulin yang dihasilkan oleh babi paling mirip dengan insulin manusia. Penemuan teknik rekayasa genetika pada Eschericia coli
untuk
menghasilkan insulin, jauh lebih menguntungkan karena yang dihasilkan adalah insulin manusia sehingga tidak memberikan efek sampingan seperti halnya insulin hewan serta dapat dihasilkan banyak insulin dalam waktu yang relatif pendek. Hal ini dikarenakan waktu generasi Eschericia coli E. coli yang cukup pendek, yaitu hanya 20 menit, sehingga setiap 20 menit, satu sel Eschericia coli
membelah
menjadi 2 sel. 2.5 Penggunaan Mikroba Dalam Produksi Insulin
Penggunaan mikroba dalam produksi insulin dengan menggunakan jenis bakteri Eschericia coli tergolong dalam mikrobiologi industri. Eschericia coli Eschericia coli
merupakan anggota bakteri. Selama ini bila kita mendengar kata
bakteri, maka yang terbayang di benak kita adalah sesuatu yang merugikan saja, misalnya penyebab suatu penyakit. Padahal sebenarnya Eschericia coli
tidaklah
demikian, bakteri ini dikenal sebagai mikrobia normal tubuh manusia. Eschericia coli
tidak bersifat pathogen selama berada dalam usus dan bahkan menurut
Sujono (1998) bakteri ini bersimbiosis mutualisme dengan manusia. Eschericia coli
membantu membentuk vitamin-vitamin (terutama vitamin K) dan dapat
5
menghambat terbentuknya gas H 2S, sedangkan Eschericia coli
juga
mendapatkan makanan dari sisa-sisa metabolisme manusia. Eschericia coli banyak digunakan dalam teknologi rekayasa genetik. Biasa digunakan sebagai vector untuk menyisipkan gen-gen tertentu yang diinginkan untuk dikembangkan. Eschericia coli
dipilih karena pertumbuhannya sangat
cepat dan mudah dalam penanganannya. Hormon insulin yang diproduksi dalam tubuh bakteri Eschericia coli berlangsung secara biosintesis. 2.6 Proses Produksi Insulin
Gambar 1 Proses Produksi Insulin Gambar di atas adalah rekayasa genetika pada bakteria guna menghasilkan hormon insulin yang penting untung pengendalian gula darah pada penderita diabetes. Tahap-tahapnya adalah sebagai berikut: 1. Tahap pertama dalam membuat bakteria yang bisa menghasilkan insulin adalah dengan mengisolasi plasmid pada bakteri tersebut yang akan direkayasa. Plasmid adalah materi genetik berupa DNA yang terdapat pada bakteria namun tidak tergantung pada kromosom karena tidak berada di dalam kromosom.
6
2. Kemudian plasmid tersebut dipotong dengan menggunakan enzim di tempat tertentu sebagai calon tempat gen baru yang nantinya dapat membuat insulin. 3. Gen yang dapat mengatur sekresi (pembuatan) insulin diambil dari kromosom yang berasal dari sel manusia. 4. Gen yang telah dipotong dari kromosom sel manusia itu kemudian „direkatkan‟ di plasmid tadi tepatnya di tempat bolong yang tersedia setelah dipotong tadi. 5. Plasmid yang sudah disisipi gen manusia itu kemudian dimasukkan kembali ke dalam bakteria. 6. Bakteria yang telah mengandung gen manusia itu selanjutnya berkembang biak dan menghasilkan insulin yang dibutuhkan. Dengan begitu diharapkan insulin dapat diproduksi dalam jumlah yang tidak terbatas di pabrik-pabrik. Insulin bervariasi dari satu organisme ke organisme lainnya, namun hal ini tidak membedakan aktivitasnya. Pada mulanya sumber insulin untuk penggunaan klinis pada manusia diperoleh dari pancreas sapi atau babi. Insulin yang diperoleh dari sumber – sumber tersebut efektif bagi manusia karena indentik dengan insulin manusia. Insulin pada manusia, babi, dan sapi mempunyai perbedaan dalam susunan asam aminonya, tapi aktivitasnya tetap sama. Eschericia coli , penghuni saluran pencernaan manusia, adalah „pabrik‟ yang digunakan dalam rekayasa genetika insulin. Ketika bakteri bereproduksi, gen insulin
direplikasi
bersama
dengan
plasmid.
Eschericia
coli
seketika
memproduksi enzim yang dengan cepat mendegradasi protein asing seperti insulin. Hal tersebut dapat dicegah dengan cara menggunakan Eschericia coli strain mutan yang sedikit mengandung enzim ini. Pada Eschericia
coli, B-
galaktosidase adalah enzim yang mengontrol transkripsi gen. Untuk membuat bakteri memproduksi insulin, gen insulin perlu terikat pada enzim ini. Enzim restriksi secara alami diproduksi oleh bakteri. Enzim restriksi bertindak seperti pisau bedah biologi, hanya mengenali rangkaian nukleotida
7
tertentu, misal salah satunya rangkaian kode untuk insulin. Hal tersebut memungkinkan peneliti untuk memutuskan pasangan basa nitrogen tertentu dan menghapus bagian DNA yang berisi kode genetik dari kromosom sebuah organisme sehingga dapat memproduksi insulin. Sedangkan DNA ligase adalah suatu enzim yang berfungsi sebagai perekat genetik dan pengelas ujung nukleotida
Gambar. 2 Rantai DNA Langkah pertama pembuatan humulin adalah mensintesis rantai DNA yang membawa sekuens nukleotida spesifik yang sesuai karakteristik rantai polipeptida A dan B dari insulin. Urutan DNA yang diperlukan dapat ditentukan karena komposisi asam amino dari kedua rantai telah dipetakan. Enam puluh tiga nukleotida yang diperlukan untuk mensintesis rantai A dan sembilan puluh untuk rantai B, ditambah kodon pada akhir setiap rantai yang menandakan pengakhiran sintesis protein. Antikodon menggabungkan asam amino, metionin, kemudian ditempatkan di setiap awal rantai yang memungkinkan pemindahan protein insulin dari asam amino sel bakteri itu. „Gen‟ sintetik rantai A dan B kemudian secara terpisah dimasukkan ke dalam gen untuk enzim bakteri, B-galaktosidase, yang dibawa dalam plasmid vektor tersebut. Pada tahap ini, sangat penting untuk memastikan
8
bahwa kodon gen sintetik
kompatibel dengan B-galaktosidase.
Plasmid
rekombinan tersebut kemudian dimasukkan ke dalam sel Eschericia coli.
Gambar 3. Bakteri Escherichia coli
Gambar 4 Cloning into a plasmid Praktis penggunaan teknologi DNA rekombinan dalam sintesis insulin manusia membutuhkan jutaan salinan plasmid bakteri yang telah digabungkan dengan gen insulin dalam rangka untuk menghasilkan insulin. Gen insulin
9
diekspresikan bersama dengan sel mereplikasi galaktosidase-B di dalam sel yang sedang menjalani mitosis.
Gambar. 5 Sel yang mengalami pembelahan mitosis Protein yang terbentuk, sebagian terdiri dari B-galaktosidase, bergabung ke salah satu rantai insulin A atau B. Rantai insulin A dan rantai B kemudian diekstraksi dari fragmen B-galaktosidase dan dimurnikan.
Gambar. 6 Rantai Insulin Kedua rantai dicampur dan dihubungkan kembali dalam reaksi yang membentuk jembatan silang disulfida, menghasilkan Humulin murni (insulin manusia sintetis).
10
Gambar. 7 Rantai insulin yang terhubung 2.6 Implikasi biologis dari rekayasa genetika Humulin rekombinan Humulin merupakan protein hewani yang dibuat dari bakteri sedemikian rupa sehingga strukturnya benar-benar identik dengan molekul alami. Hal ini akan mengurangi kemungkinan komplikasi yang disebabkan produksi antibodi oleh tubuh manusia. Dalam studi kimia dan farmakologi, insulin rekombinan DNA manusia yang diproduksi secara komersil telah terbukti bisa dibedakan dari insulin pankreas manusia. Awalnya, kesulitan utama yang dihadapi adalah kontaminasi produk akhir oleh sel inang, sehingga meningkatkan resiko kontaminasi dalam kaldu fermentasi. Bahaya ini diatasi dengan ditemukannya proses pemurnian. Ketika dilakukan tes pada produk akhir insulin, termasuk teknik terbaik radio-immuno assay, tidak ada „kotoran‟ yang terdeteksi. Seluruh prosedur, sekarang dilakukan dengan menggunakan sel ragi sebagai media pertumbuhan, karena sel ragi dapat menghasilkan sebuah molekul insulin manusia yang hampir lengkap dengan struktur tiga dimensi yang sempurna. Ini meminimalkan kebutuhan untuk prosedur pemurnian kompleks dan mahal.
11
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan
-
Bakteri Eschericia coli tidaklah selalu merugikan, bakteri ini dikenal sebagai mikrobia normal tubuh manusia. Eschericia coli
tidak bersifat patogen
selama berada dalam usus. -
Eschericia coli banyak digunakan dalam teknologi rekayasa genetik. Biasa digunakan sebagai vector untuk menyisipkan gen-gen t ertentu yang diinginkan untuk dikembangkan.
-
Eschericia coli
dipilih karena pertumbuhannya sangat cepat dan mudah
dalam penanganannya. Hormon insulin yang diproduksi dalam tubuh bakteri Eschericia coli berlangsung secara biosintesis.
12
DAFTAR PUSTAKA
Jawet, dkk. 2001. Mikrobiologi kedokteran. Penerbit salemba medica: Jakarta Budiyanto. 2001. Peranan Mikroorganisme dalam Kehidupan Kita. Malang: Universitas Muhammadiyah Malang. Anonymous. 2010. Kemajuan Iptek Untuk Kemaslahatan Umat . Wikipedia.org. Diakses Tanggal 26 Maret 2014
http://
Anonymous. 2010. Gambar Proses Reproduksi Insulin. http://www.littletree.com.au/dna.htm. Diakses Tanggal 26 Maret 2014 Posted January 11, 2011 by aguskrisno in INDUSTRI. Leave a Comment
KAJIAN MIKROBIOLOGI
13
