Rekayasa Genetika
1. Pengertian Rekayasa Genetika
Pada rekayasa genetika dilakukan manipulasi atas materi genetic dengan cara menambah atau menghilangkan gen-gen tertentu. Pada teknologi ini juga digunakan vector atau sarana lain untuk memindahkan gen atau fragmen DNA antara lain injkesi mikro, fusi protoplas, elektroporasi, kopresipitasi fosfat dan endositosis, serta proyektil mikro. Setelah klon rekombinan hasil rekayasa dipertahankan, klon diseleksi dan diberdayakan dengan analisis genetic, diagnosis molekuler, terapi gen, sidik jari DNA, serta bioteknologi. Ada beberapa pengertian rekayasa genetika (genetic engineering), yaitu: 1. Rekayasa genetika adalah manipulasi sifat genetic suatu organisme dengan cara mengintroduksi atau mengeliminasi gen-gen tertentu (Micklos, dkk, 1990) 2. Rekayasa genetika adalah manipulasi genetic dalam sel untuk menghasilkan sesuatu
sifat
yang
dikehendaki,
kadang-kadang
disebut
teknologi
rekombinan DNA (Rasmussen, dkk, 1990). 3. Rekayasa genetika adalah teknik mengubah konstitusi genetic sel atau individu dengan cara pemindahan selektif, insersi, atau dengan cara modifikasi gen baik yang individual maupun yang berupa perangkat gen. (Klug, dkk, 1994). Dari beberapa pengertian tersebut dapat dirangkum bahwa rekayasa genetika adalah manipulasi atas materi genetic dengan cara menambah atau menghilangkan gen-gen tertentu. Berbagai fenomena genetic alami sebenarnya menjadi model alami dari teknologi rekayasa genetika, antara lain crossing over, gene pick up, transduksi, insersi, delesi, translokasi, fusi dan fisi, yang dapat berakibat terjadinya penambahan atau peniadaan sesuatu atau beberapa beb erapa gen.
2. Sejarah Rekayasa Genetika
Sejarah
perkembangan
genetika
sebagai
ilmu
pengetahuan
dimulai
menjelang akhir abad ke-19 ketika seorang biarawan Austria bernama Gregor
1
Johann Mendel berhasil melakukan analisis yang cermat dengan interpretasi yang tepat atas hasil-hasil percobaan persilangannya pada tanaman kacang ercis ( Pisum sativum). Sebenarnya, Mendel bukanlah orang pertama yang melakukan percobaan-percobaan
persilangan.
Akan
tetapi,
berbeda
dengan
para
pendahulunya yang melihat setiap individu dengan keseluruhan sifatnya yang kompleks, Mendel mengamati pola pewarisan sifat demi sifat sehingga menjadi lebih mudah untuk diikuti. Deduksinya mengenai pola pewarisan sifat ini kemudian menjadi landasan utama bagi perkembangan genetika sebagai suatu cabang ilmu pengetahuan, dan Mendel pun diakui sebagai Bapak Genetika. Karya Mendel tentang pola pewarisan sifat tersebut dipublikasikan pada tahun 1866 di Proceedings of the Brunn Society for Natural History. Namun, selama
lebih
dari
30
tahun
tidak
pernah
ada
peneliti
lain
yang
memperhatikannya. Baru pada tahun 1900 tiga orang ahli botani secara terpisah, yakni Hugo de Vries di Belanda, Carl Correns di Jerman, dan Eric von Tschermak-Seysenegg di Austria, melihat bukti kebenaran prinsip-prinsip Mendel pada penelitian mereka masing-masing. Semenjak saat itu hingga lebih kurang pertengahan abad ke-20 berbagai percobaan persilangan atas dasar prinsip-prinsip Mendel sangat mendominasi penelitian di bidang genetika. Hal ini menandai berlangsungnya suatu era yang dinamakan genetika klasik. Selanjutnya, pada awal abad ke-20 ketika biokimia mulai berkembang sebagai cabang ilmu pengetahuan baru, para ahli genetika tertarik untuk mengetahui lebih dalam tentang hakekat materi genetik, khususnya mengenai sifat biokimianya. Pada tahun 1920-an, dan kemudian tahun 1940-an, terungkap bahwa senyawa kimia materi genetik adalah asam deoksiribonukleat (DNA). Dengan ditemukannya model struktur molekul DNA pada tahun 1953 oleh J.D. Watson dan F.H.C. Crick dimulailah era genetika yang baru, yaitu genetika molekuler .
Perkembangan penelitian genetika molekuler terjadi demikian pesatnya. Jika ilmu pengetahuan pada umumnya mengalami perkembangan dua kali lipat dalam satu dasawarsa, maka waktu yang dibutuhkan untuk itu (doubling time) pada genetika molekuler hanyalah dua tahun! Bahkan, perkembangan yang
2
lebih revolusioner dapat disaksikan semenjak tahun 1970-an, yaitu pada saat dikenalnya teknologi manipulasi molekul DNA atau teknologi DNA rekombinan atau dengan istilah yang lebih populer disebut sebagai rekayasa genetika .
3. Prinsip dan Metode Rekayasa Genetika
Rekayasa genetika adalah semua proses yang ditujukan untuk menghasilkan organisme transgenik. Organisme transgenik merupakan organisme yang urutan informasi genetik dalam kromosomnya telah diubah sehingga mempunyai sifat menguntungkan yang dikehendaki. Ada beberapa prinsip dasar dalam rekayasa genetika antara lain Rekombinasi DNA, fusi protoplasma, dan kultur jaringan. Beberapa metode yang sering digunakan dalam teknik rekayasa genetika meliputi pengunaan vektor, kloning, PCR (Polymerase Chain Reaction), dan seleksi, screening, serta analisis rekombinan.
a. Rekombinasi DNA
Proses mengidentifikasi dan mengisolasi DNA dari suatu sel hidup atau mati dan memasukkannya dalam sel hidup lainnya, itulah rekombinsi DNA. Rekayasa genetika ini merupakan suatu cara memanipulasikan gen untuk menghasilkan makhluk hidup baru dengan sifat yang diinginkan atau disebut juga pencangkokan gen. 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. Prinsip dasar teknologi rekayasa genetika adalah melakukan perubahan susunan asam nukleat dari DNA (gen) dan menyelipkan gen baru ke dalam struktur DNA organisme penerima. Gen yang diselipkan dan organisme penerima dapat berasal dari organisme apa saja. Pada proses rekayasa genetika organisme yang sering digunakan adalah bakteri Escherichia coli. Bakteri Escherichia coli dipilih karena paling mudah dipelajari pada taraf molekuler.
3
Pada proses penyisipan gen diperlukan tiga faktor utama yaitu 1)
Vektor, yaitu pembawa gen asing yang akan disisipkan, biasanya berupa plasmid atau virus. Plasmid yaitu lingkaran kecil DNA yang terdapat pada bakteri yang diambil dari bakteri dan disisipi dengan gen asing. Pemasukannya melalui pemanasan dalam larutan NaCl atau melalui elektroporasi.
2)
Bakteri atau virus berperan dalam memperbanyak plasmid atau DNA virus. Plasmid di dalam tubuh bakteri akan mengalami replikasi atau memperbanyak diri, makin banyak plasmid yang direplikasi makin banyak pula gen asing yang dicopy sehingga terjadi cloning gen.
3)
Enzim, berperan untuk memotong dan menyambung plasmid. Enzim ini disebut enzim endonuklease retriksi, enzim endonuklease retriksi yaitu enzim endonuklease yang dapat memotong ADN pada posisi dengan urutan basa nitrogen tertentu.
b. Fusi Sel
Fusi Sel adalah suatu cara untuk menyatukan dua sel dari jaringan jaringan berbeda suatu organisme yang sama atau bahkan organisme yang berbeda, sehingga diperoleh satu sel tunggal (sel hibrid). Selanjutnya, sel hibrid dapat dikembangbiakkan,sehingga diperoleh bertriliun-triliun sel, yang masing-masing mengandung satu set gen komplit dari dua sel aslinya. Sebagai contoh, salah satu dari dua sel yang asli mungkin berupa sel manusia. Sel tersebut khusus mensekresikan produk yang berguna seperti antibodi atau hormon. Hormon atau antibodi disekresikan dalam jumlah sangat sedikit, karena hasil produksi dikendalikan mekanisme pengaturan sel yang normal. Jika sel tersebut dilebur dengan sel kanker (sel yang tidak memiliki pengendalian normal terhadap pertumbuhan dan sintesis protein), maka produksi hormone atau antibodi secara dramatis me ningkat. Peristiwa peleburan dua sel seperti tersebut, menghasilkan sel hibrid dan dikenal sebagai hibridoma (hibrid = sel asli yang dicampur, oma = kanker). Tujuan teknik hibridoma adalah untuk menghasilkan antibodi dalam jumlah yang besar, sehingga dapat digunakan untuk diagnostic dan terapeutik. Selain
4
itu, teknik ini merupakan jalan untuk menyilang atau memotong dalam spesies secara genetik pada sel eukariotik yang tidak dapat diselesaikan dengan cara peleburan gamet secara seksual. Secara umum sel-sel tidak melebur secara otomatis, sehingga ilmuwan berusaha merancang teknik laboratorium untuk menstimulir sel-sel tersebut berfusi atau bergabung.
c. Kultur Jaringan
Teori yang melandasi teknik kultur jaringan ini adalah teori Totipotensi. Setiap sel tumbuhan memiliki kemampuan untuk tumbuh menjadi individu baru bila ditempatkan pada lingkungan yang sesuai. Individu-individu yang dihasilkan akan mempunyai sifat yang sama persis dengan induknya. Tahap-tahap kultur jaringan dalam membentuk embrio dari sel somatik serupa pada tahap perkembangan zigot menjadi embrio. Kultur jaringan sering disebut sebagai perbanyakan secara in vitro karena jaringan ditanam (dikultur) pada suatu media buatan (bukan alami). Materi yang akan dikulturkan dalam kultur jaringan disebut eksplan. Eksplan dapat diambil dari yang dewasa ataupun pembenihan (seeding). Pada media yang sesuai, eksplan akan tumbuh menjadi kalus. Selanjutnya, kalus akan berkembang menjadi tanaman kecil yang disebut plantlet. Kultur jaringan merupakan salah satu rangkaian teknik rekayasa genetika karena dapat menumbuhkan sel-sel transgenik. Oleh karena itu, dapat pula dikatakan bahwa kultur jaringan sebagai alat (tool) dalam pelaksanaan rekayasa genetika. d. Kloning
Kloning DNA adalah memasukkan DNA asing ke dalam plasmid suatu sel bakteri, DNA yang dimasukkan ini akan bereplikasi (memperbanyak diri) dan diturunkan pada sel anak pada waktu sel tersebut membelah. Jadi gen asing ini tetap melakukan fungsi seperti sel asalnya, walaupun berada dalam sel bakteri. Pembentukan DNA rekombinan ini disebut juga rekayasa genetika. Pereka-yasaan genetika terhadap satu sel dapat dilakukan dengan hanya menghi-langkan, menyisipkan atau menularkan satu atau beberapa pasang basa nukleotida penyusun molekul DNA tersebut. Untuk kloning ini
5
diperlukan plasmid dan enzim untuk memotong DNA, serta enzim untuk menyam-bungkan gen yang disisipkan itu ke plasmid. e. Teknologi plasmid
Plasmid adalah lingkaran DNA kecil yang terdapat di dalam sel bakteri atau ragi di luar kromosomnya. Sifat-sifat plasmid, antara lain:
merupakan molekul DNA yang mengandung gen tertentu;
dapat beraplikasi diri;
dapat berpindah ke sel bakteri lain;
sifat plasmid pada keturunan bakteri sama dengan plasmid induk.
Karena sifat-sifat tersebut di atas plasmid digunakan sebagai vektor atau pemindah gen ke dalam sel target. f.
Transfer Vektor
Transfer vector merupakan cara memasukkan suatu gen ke dalam sel baru dengan menggunakan pembawa (carrier) khusus. Transfer semacam ini memanfaatkan prose salami seperti pada transfer DNA oleh bakteri dan virus. Vektor yang digunakan dalam teknik ini dapat berupa plasmid, bakteriofag, dan kosmid atau cosmid. Selain itu juga tedapat Shuttle vector atau vector ulang-alik yang berupa molekul DNA. Sifat yang harus dimiliki molekul DNA sebagai vector: 1. Mampu melakukan replikasi sendiri maupun replikasi segmen DNA yang diinsersikan bebas dari replikasi kromosom sel inang dengan cara membawahi suatu ori. 2. Mengandung sejumlah tapak pemutusan enzim restriksi khusus yang bermanfaat untuk insersi segmen-segmen DNA. 3. Membawahi suatu penanda yang dapat dimanfaatkan untuk identifikasi selsel inang yang mengandungnya, 4. Mudah terbebas kembali dari sel inang.
6
Selain sifat-sifat diatas, molekul DNA yang digunakan untuk vector sebaiknya memiliki berat molekul rendah dan mampu member sifat fenotip yang dipilih dengan segera pada sel inang. g. PCR
Polymerase Chain Reaction (PCR) adalah metode untuk amplifikasi (perbanyakan) primer oligonukleotida diarahkan secara enzimatik urutan DNA spesifik. Teknik ini mampu memperbanyak sebuah urutan 105-106-kali lipat dari jumlah nanogram DNA template dalam latar belakang besar pada sequence yang tidak relevan (misalnya dari total DNA genomik). Sebuah prasyarat untuk memperbanyak urutan menggunakan PCR adalah memiliki pengetahuan, urutan segmen unik yang mengapit DNA yang akan diamplifikasi, sehingga oligonucleotides tertentu dapat diperoleh. Hal ini tidak perlu tahu apa-apa tentang urutan intervening antara primer. Produk PCR diamplifikasi dari template DNA menggunakan DNA polimerase stabil panas dari Thermus aquaticus (Taq DNA polimerase) dan menggunakan pengatur siklus termal otomatis (Perkin-Elmer/Cetus) untuk menempatkan reaksi sampai 30 atau lebih siklus denaturasi, anil primer, dan polimerisasi. Setelah amplifikasi dengan PCR, produk ini dipisahkan dengan elektroforesis gel poliakrilamida dan secara langsung divisualisasikan setelah pewarnaan dengan bromida etidium. PCR
( Polymerase
Chain
Reaction)
merupakan
suatu
teknik
perbanyakan (amplifikasi) potongan DNA secara in vitro pada daerah spesifik yang dibatasi oleh dua buah primer oligonukleotida. Primer yang digunakan sebagai pembatas daerah yang diperbanyak adalah DNA untai tunggal yang urutannya komplemen dengan DNA templatnya. Proses tersebut mirip dengan proses replikasi DNA secara in vivo yang bersifat semi konservatif. PCR memungkinkan adanya perbanyakan DNA antara dua primer, hanya di dalam tabung reaksi, tanpa perlu memasukkannya ke dalam sel (in vivo). Pada proses PCR dibutuhkan DNA untai ganda yang berfungsi sebagai cetakan (templat) yang mengandung DNA-target (yang akan diamplifikasi) untuk
pembentukan
molekul
DNA
baru,
enzim
DNA
polimerase,
7
deoksinukleosida trifosfat (dNTP), dan sepasang primer oligonukleotida. Pada kondisi tertentu, kedua primer akan mengenali dan berikatan dengan untaian DNA komplemennya yang terletak pada awal dan akhir fragmen DNA target, sehingga kedua primer tersebut akan menyediakan gugus hidroksil bebas pada karbon 3’. Setelah kedua primer menempel pada DNA templat, DNA polimerase mengkatalisis proses pemanjangan kedua primer dengan menambahkan nukleotida yang komplemen dengan urutan nukleotida templat. DNA polimerase mengkatalisis pembentukan ikatan fosfodiester antara OH pada karbon 3’ dengan gugus 5’ fosfat dNTP yang ditambahkan. Sehingga proses penambahan dNTP yang dikatalisis oleh enzim DNA polimerase ini berlangsung dengan arah 5’→3’ dan disebut reaksi polimerisasi. Enzim DNA polimerase hanya akan menambahkan dNTP yang komplemen dengan nukleotida yang terdapat pada rantai DNA templat. PCR melibatkan banyak siklus yang masing-masing terdiri dari tiga tahap berurutan, yaitu pemisahan (denaturasi) rantai DNA templat, penempelan (annealing ) pasangan primer pada DNA target dan pemanjangan (extension) primer atau reaksi polimerisasi yang dikaalisis oleh DNA polimerase.
4. Dampak Rekayasa Genetika
Dengan perkembangan bioteknologi, akan memberikan dampak positif maupun dampak negatif bagi makhluk hidup, yang mencakup semua bidang. Adapun dampak negatif rekayasa genetika antara lain: a. Dampak Di Bidang Sosial Ekonomi Dampak ekonomi yang tampak adalah paten hasil rekayasa, swastanisasi dan kosentrasi bioteknologi pada kelompok tertentu, memberikan pengaruh yang sangat luas pada masyarakat. Produk bioteknologi dapat merugikan petani kecil. Penggunakan hormon pertumbuhan sapi dapat meningkatkan produksi susu sapi sampai 20%, niscaya akan men ggusur peternak kecil. b. Dampak Di Bidang Kesehatan 8
Produk rekayasa di bidang kesehatan ini memang sudah ada yang menimbulkan masalah yang serius. Contohnya adalah penggunaan insulin hasil rekayasa menyebabkan 31 orang meninggal di inggris. Tomat Flavr Savr diketahui mengandung gen resisten terhaap antibiotik. Susu sapi yang disuntik dengan hormone BGH disinyalir mengandung bahan kimia baru yang punya potensi berbahaya bagi kesehatan manusia. c. Dampak Di Bidang Etika Dan Moral Menyisipkan gen makhluk hidup kepada makhluk hidup lain memiliki dampak etika yag serius. Menyisipkan gen makhluk hidup lain yang tidak berkerabat dianggap sebagai pelanggaran terhadap hukum alam dan sulit diterima manusia. Bahan pangan transgenik yang tidak berlabel juga membawa konsekuensi bagi penganut agama tertentu. Penerapan hak paten pada organism hasil rekayasa merupakan pemberian hak pribadi atas organism. Hal ini bertentangan dengan banyak nilai-nilai budaya yang mengghargai nilai intrinsic makhluk hidup. Domba Dolly yang lahir pada 5 Juli 1996 diumumkan pada 23 Februari 1997 oleh majalah Nature. Pada 4 Januari 2002 di hadapan para wartawan dinyatakan domba itu menderita radang sendi di kaki belakang kiri di dekat pinggul dan lutut atau menderita arthritis. Kelahiran domba Dolly berkat kemajuan teknologi rekayasa genetika yang disebut kloning dengan mentransplantasikan gen dari sel kambing susu domba ke ovum (sel telur domba) dari induknya sendiri. Sejak lahir si domba Dolly tumbuh dan berkembang dalam keadaan sehat tetapi sesudah hampir enam tahun mulai muncul penyakit arthritis yang dijelaskan di hadapan wartawan. d. Gangguan Terhadap Lingkungan Pola tanam produk pertanian di Indonesia areal kecil dikelilingi oleh berbagai gulma, dengan adanya sifat cross-polination dari GMO maka dikhawatirkan akan bermunculan gulma baru yang lebih resisten. Tanpa membakar sisa tanaman GMO akan memusnahkan jasad renik dalam tanah bekas penanaman tanaman GMO akibat sifat dari sisa GMO yang bersifat toksis. Jangka panjang akan merubah struktur dan tekstur tanah. Sifat
9
tanaman GMO yang dapat membunuh larva kupu-kupu, akan memberikan kekhawatiran punahnya kupu-kupu di Sulawesi Selatan. Seperti diketahui Sulawesi Selatan termasyhur dengan kupu-kupunya. e. Gangguan terhadap kesehatan Satu-satunya gangguan kesehatan akibat penggunaan hasil rekayasa genetika ialah reaksi alergis yang sudah dapat dibuktikan. Kebiasaan mengonsumsi daging, di Indonesia memiliki kekhususan tersendiri dalam pola konsumsi daging, tidak ada bagian tubuh sapi yang tidak dikonsumsi. Apabila sapi disuntik dengan bovinesomatotropin, mengakibatkan kadar IGF I meningkat sangat tinggi dalam darah dan hati. Bagi daerah yang menggunakan darah sebagai bahan pangan demikian pula mengonsumsi hati (Indonesia mengimpor hati sejumlah lima juta kg dari negara-negara yang menggunakan GMO) memberikan kekhawatiran munculnya dampak negatif penggunaan GMO. f.
Gangguan Terhadap Religi Dan Etika Penggunaan obat insulin yang diproduksi dari transplantasi sel pancreas babi ke sel bakteri, serta xenotransplatation yang menggunakan katup jantung
babi
ditransplantasikan
ke
jantung
manusia
memberikan
kekhawatiran terhadap mereka yang beragama Islam. Adapun dampak positif rekayasa genetika antara lain: a. Meningkatnya derajat kesehatan manusia, dengan diproduksinya berbagai hormone manusia seperti insulin dan hormone pertumbuhan. b. Tersedianya bahan makanan yang lebih melimpah. c. Tersedianya sumber energy yang terbaharui.Proses industry yang lebih murah. d. Berkurangnya polusi.
10
