IPA Biologi

UNTUK SMA/MA KELAS X

Bab 3

Inovasi Teknologi Biologi

Pendahuluan

Bioteknologi sudah ada sejak ditemukannya proses fermentasi makanan. Dalam pembuatan produk bioteknologi, diperlukan input (dapat berupa bahan baku, mikroorganisme, maupun sel makhluk hidup), dan ilmu pengetahuan (prinsip-prinsip ilmiah).

Amatilah gambar produk bioteknologi di samping.

Tuliskan beberapa pertanyaan dan diskusikan dengan temanmu untuk memprediksi jawaban permasalahan tersebut.

Daftar Isi

Penggunaan Mikroorganisme dalam�Bioteknologi

D

Dampak Negatif Bioteknologi

Rekayasa Genetika

Kultur Jaringan pada Tumbuhan

G

E

C

Pemanfaatan Rekayasa Genetika

Kloning pada Hewan

H

F

A

B

Pengertian Bioteknologi

Bioteknologi Konvensional dan Modern

Pengertian Bioteknologi

A

Bioteknologi berasal dari kata bios (hidup), teknos (penerapan), dan logos (ilmu). Pengertian bioteknologi menurut Organization for Economic Cooperation and Development (OECD) adalah penerapan prinsip ilmiah dan kerekayasaan untuk pengolahan bahan dengan bantuan agen biologis untuk menyediakan barang dan jasa.

Pengertian Bioteknologi

Pengertian lebih lengkap bioteknologi adalah ilmu yang menerapkan prinsip ilmiah dan kerekayasaan untuk penanganan dan pengolahan bahan mentah, baik organik maupun anorganik dengan bantuan makhluk hidup seperti mikroorganisme, sel hewan, dan tumbuhan untuk meningkatkan potensi makhluk hidup serta menghasilkan produk dan jasa bagi kepentingan hidup manusia.

Diagram Bioteknologi

Input

Bahan baku, mikroorganisme, sel hewan, dan sel tumbuhan

Proses

Aplikasi prinsip ilmiah, kerekayasaan, dan teknologi

Output (Produk)

Makhluk hidup:

Hewan ternak dan tumbuhan yang bersifat unggul

Produk:

Makanan, minuman, obat-obatan, bahan bakar, atau senyawa biokimia

Jasa:

Pengolahan limbah, pemisahan logam, atau pemberantasan hama

Alasan digunakannya Makhluk Hidup dalam Bioteknologi

Mudah diperoleh karena sudah tersedia di alam.

Memiliki sifat yang tetap dari generasi ke generasi berikutnya.

Dapat dikembangbiakkan.

Dapat diubah sifatnya melalui teknik rekayasa genetika.

Perubahan sifat yang terjadi dapat diturunkan pada anaknya.

Dapat menghasilkan produk yang bermanfaat bagi manusia.

Bioteknologi Konvensional dan Modern

B

Bioteknologi Konvensional dan Modern

Penggunaan teknik bioteknologi berupa fermentasi pangan telah diterapkan oleh peradaban manusia beberapa abad yang lalu. Pada zaman dahulu, bioteknologi dilakukan dengan cara yang sangat sederhana. Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan, para ahli memanfaatkan prinsip-prinsip ilmiah melalui penelitian.

Penerapan bioteknologi dalam segala bidang kehidupan semakin meningkat sejak ditemukannya struktur dan fungsi DNA. Penemuan tersebut memberikan dampak yang besar bagi perkembangan bioteknologi, seperti teknik rekayasa genetika, mendukung terciptanya produk-produk baru yang lebih mutakhir.

Perbedaan Bioteknologi Konvensional dengan Bioteknologi Modern

Penggunaan Mikroorganisme dalam Bioteknologi

C

Prinsip bioteknologi adalah penggunaan makhluk hidup atau bagian-bagiannya, terutama mikroorganisme yang memiliki enzim. Pemanfaatan mikroorganisme dalam bioteknologi, antara lain untuk mengubah dan menghasilkan bahan makanan/minuman; memproduksi protein sel tunggal (PST), zat-zat organik, enzim, vitamin, obat-obatan, dan sebagainya.

Melalui proses fermentasi, bahan makanan tertentu diubah menjadi makanan bentuk lain sehingga cita rasanya lebih enak dan menarik serta mengandung nilai gizi yang lebih tinggi.

Contohnya, susu diubah menjadi keju (a) dan yoghurt (b), serta air kelapa menjadi sari kelapa (nata de coco) (c).

Pada awalnya, proses fermentasi makanan dilakukan secara tradisional. Namun, kini prosesnya dilakukan secara ilmiah menggunakan teknologi mutakhir sehingga dapat menghasilkan produk yang berkualitas dan lebih beraneka ragam.

Mikroorganisme Penghasil Makanan dan Minuman

1

Pembuatan Keju

• Bahan baku berupa susu.
• Teknik pasteurisasi untuk mematikan mikroorganisme patogen.
• Bibit bakteri (starter) dimasukkan ke dalam susu pada suhu 30°C.
• Enzim renin dimasukkan ke dalam susu asam sehingga terbentuk dadih dan whey.
• Whey dipisahkan dari dadih.
• Gumpalan dadih kemudian diberi garam, diperas, dicetak, dan disimpan.

Diagram proses pembuatan keju

Mikroorganisme Penghasil Makanan dan Minuman

1

Pembuatan Tempe

Tempe terbuat dari kacang kedelai yang telah direbus setengah matang dan ditaburi ragi dari jamur Rhizopus oligosporus atau Rhizopus oryzae. Jamur tersebut menghasilkan enzim pengurai protein (proteolitik) yang menyebabkan kacang kedelai menjadi lunak. Miselium jamur yang tumbuh dapat mengikat butir-butir kedelai sehingga dapat bersatu.

Mikroorganisme Penghasil Makanan dan Minuman

1

• Protein sel tunggal (PST) merupakan bahan makanan berkadar protein tinggi yang berasal dari berbagai jenis mikroorganisme.
• Mikroorganisme tersebut dapat tumbuh dan berkembang biak dengan cepat pada substrat limbah buangan yang mengandung selulosa.
• Protein sel tunggal dapat dihasilkan oleh ganggang Arthrospira maxima, Arthrospira platensis, Scenedesmus sp., dan Chlorella sp.
• Golongan jamur yang menghasilkan protein, misalnya Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, Paecilomyces variotii, dan Fusarium graminearum.
• Mikoprotein dari Fusarium graminearum mengandung 45% protein, 13% lemak, dan serat sehingga mampu dijadikan kue maupun pengganti daging.
• Golongan bakteri yang menghasilkan protein, misalnya Methylophilus methylotrophus.

Filamen spiral dari Spirulina platensis atau

Arthrospira platensis

Mikroorganisme Penghasil Protein

2

Dalam pengembangan industri nonpangan, mikroorganisme juga mempunyai peranan yang besar. Di masa mendatang, ketika produk senyawa kimia yang disintesis semakin berkurang, dunia akan bergantung pada hasil-hasil fermentasi mikroorganisme.

Fermentasi mikroorganisme hasil rekayasa genetika terhadap substrat-substrat dapat menghasilkan senyawa-senyawa kimia, antara lain asam amino, asam sitrat, enzim, dan vitamin.

Mikroorganisme Penghasil Zat-Zat Organik,

Enzim, dan Vitamin

3

Asam amino yang dapat diproduksi oleh mikroorganisme, antara lain asam glutamat dan lisin.

​

Asam glutamat digunakan untuk pembuatan MSG (monosodium glutamat) atau vetsin. Mikroorganisme yang digunakan untuk industri asam glutamat, yaitu bakteri Corynebacterium glutamicum dan Brevibacterium flavum.

​

Lisin tidak dapat disintesis oleh tubuh hewan. Untuk memproduksi lisin dalam jumlah yang besar, diperlukan mutan dari bakteri Corynebacterium glutamicum.

Asam Amino

Mikroorganisme Penghasil Zat-Zat Organik,

Enzim, dan Vitamin

3

Asam cuka (asam asetat) dibuat dari bahan baku alkohol. Alkohol dapat diperoleh dengan cara fermentasi karbohidrat secara anaerob oleh ragi. Alkohol kemudian dioksidasi secara aerob oleh bakteri penghasil asam asetat, yaitu Gluconobacter sp. dan Acetobacter aceti. Cuka apel (cider) dibuat dari bahan apel dengan menggunakan Saccharomyces bayanus.

Pembuatan Asam Cuka

Mikroorganisme Penghasil Zat-Zat Organik,

Enzim, dan Vitamin

3

Asam sitrat digunakan untuk pemberi rasa, campuran es krim, antioksidan, penaksir pH, pembuat emulsi dalam perusahaan susu, pembuatan detergen, dan pembersih belerang pada cerobong asap pabrik. Asam sitrat dapat disintesis secara kimia, tetapi biayanya cukup mahal. Dengan biaya yang lebih murah, asam sitrat dapat dihasilkan oleh jamur Aspergillus niger dengan medium substrat berupa sirup atau tetes gula.

Asam Sitrat

Mikroorganisme Penghasil Zat-Zat Organik,

Enzim, dan Vitamin

3

Enzim

Enzim merupakan salah satu komponen penting yang sangat diperlukan oleh tubuh. Enzim banyak diperlukan dalam industri makanan, farmasi, dan sabun.

Aspergillus niger

Untuk melembutkan adonan roti dan membuat pemanis sirup dari tepung jagung.

​

Bacillus subtilis

Untuk membantu pencernaan makanan.

Aspergillus oryzae

Untuk produksi kanji, lem, kertas, tekstil, dan glukosa.

Enzim yang diproduksi secara komersial melalui fermentasi oleh mikroorganisme

Amilase

Mikroorganisme Penghasil Zat-Zat Organik,

Enzim, dan Vitamin

3

Aspergillus niger

Untuk industri tekstil, detergen, kertas, farmasi, dan pengolahan kopi.

Aspergillus niger

Untuk industri lemak dan minyak serta menambah cita rasa keju.

Saccharomyces fragilis

Untuk menghidrolisis laktosa serta mencegah kristalisasi laktosa dalam susu.

Aspergillus niger

Sebagai pemecahan molekul pektin dalam industri minuman sari buah dan teh.

Bacillus subtilis

Sebagai agen diagnostik dalam farmasi.

Aspergillus oryzae, Serratia marcescens, dan Bacillus subtilis

Sebagai pelunak daging; membantu pencernaan makanan; bahan tambahan dalam detergen.

Enzim yang diproduksi secara komersial melalui fermentasi oleh mikroorganisme

Selulase

Laktase

Lipase

Pektinase

Penisilinase

Proteinase

Beberapa vitamin dapat diproduksi dalam jumlah besar dengan memanfaatkan jasa mikroorganisme. Vitamin B12 (kobalamin) dihasilkan oleh bakteri Pseudomonas denitrificans dan Propionibacterium shermanii. Sementara itu, vitamin B2 (riboflavin) dihasilkan dari fermentasi jamur Ashbya gossypii.

Vitamin

Mikroorganisme Penghasil Zat-Zat Organik,

Enzim, dan Vitamin

3

Antibiotik

Antibiotik adalah zat yang mampu menghambat bahkan mematikan mikroorganisme patogen.

• Penisilin dihasilkan dari jamur Penicillium notatum dan Penicillium chrysogenum.
• Sefalosporin dihasilkan oleh jamur Cephalosporium sp.
• Streptomisin dihasilkan oleh bakteri Streptomyces griseus.
• Tetrasiklin dihasilkan oleh bakteri Streptomyces aureofaciens dan Streptomyces rimosus.
• Eritromisin dihasilkan oleh bakteri Streptomyces erythreus.
• Polimiksin dihasilkan oleh bakteri Bacillus polymyxa.
• Basitrasin dihasilkan oleh bakteri Bacillus subtilis.

Mikroorganisme Penghasil Obat

4

Vaksin

Vaksin adalah mikroorganisme atau bagian dari mikroorganisme yang telah dilemahkan kemudian dimasukkan ke tubuh orang yang sehat untuk memicu terbentuknya sistem kekebalan. Vaksin dapat berasal dari substansi toksoid bakteri yang sudah tidak berbahaya bagi tubuh. Contohnya vaksin hepatitis, vaksin polio, vaksin campak, vaksin BCG untuk mencegah TBC, serta vaksin DPT untuk mencegah difteri dan tetanus.

Mikroorganisme Penghasil Obat

4

Interferon

Interferon adalah senyawa glikoprotein yang disekresikan oleh sel hewan vertebrata akibat rangsangan patogen. Interferon α dan β merupakan antivirus yang dapat dihasilkan melalui fusi sel. Sebelum ada rekayasa genetika, sel manusia merupakan sumber interferon. Saat ini, fusi sel dilakukan dengan teknologi hibridoma sehingga dapat dihasilkan interferon dalam jumlah besar. Interferon memberikan harapan pada pengobatan penyakit yang disebabkan oleh virus, misalnya kanker dan AIDS.

Mikroorganisme Penghasil Obat

4

Bahan Bakar Alkohol

Alkohol sebagai pengganti bahan bakar bensin dapat diperoleh dari fermentasi substrat gula tebu, pati, selulosa, atau jagung dengan bakteri Zymomonas mobilis, Clostridium thermocellum, Thermoanaerobacter ethanolicus, dan khamir mutan petite dari Saccharomyces cerevisiae. Mutan petite Saccharomyces cerevisiae mampu meningkatkan kadar etanol 30–40% dibandingkan tipe liarnya.

Mikroorganisme Penghasil Energi

5

Gas Metana

Contoh biogas adalah metana (CH₄) yang dihasilkan oleh mikroorganisme dalam medium kotoran ternak. Limbah dari pembuatan biogas masih dapat dimanfaatkan untuk pupuk tanaman. Proses pembentukan metana oleh mikroorganisme disebut metanogenesis. Mikroorganisme penghasil metana disebut metanogen, misalnya Methanobacterium sp.

Pembuatan biogas

Mikroorganisme Penghasil Energi

5

Gas Hidrogen

Gas hidrogen (H₂) dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar. Bahan bakar hidrogen tidak menimbulkan polusi, tetapi menghasilkan air yang memperbarui bahan mentahnya. Hampir semua bahan di dalam sel mengandung atom hidrogen. Namun, untuk menggabungkan dua atom hidrogen menjadi H₂, diperlukan enzim hidrogenase.

Penelitian terus dilakukan untuk memperoleh mikroorganisme yang mampu menghasilkan enzim hidrogenase, antara lain ganggang air tawar Chlorella pyrenoidosa dan bakteri Clostridium butyricum. Reaksinya adalah sebagai berikut.

2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Mikroorganisme Penghasil Energi

5

Cara pemberantasan hama yang aman terhadap lingkungan adalah menggunakan mikroorganisme patogen terhadap hama tanaman.

Bacillus thuringiensis menghasilkan senyawa delta-endotoksin berupa toksin protein kristal yang dapat membunuh hama, bekerja dengan mengikat reseptor khusus pada membran usus ulat.

Beberapa varietas bakteri Bacillus thuringiensis komersial, antara lain sebagai berikut.

• Bacillus thuringiensis varietas aizawai
• Bacillus thuringiensis varietas tenebrionis
• Bacillus thuringiensis varietas kurstaki
• Bacillus thuringiensis varietas israelensis

Spora dan kristal

Bacillus thuringiensis

Mikroorganisme Pembasmi Hama Tanaman (Biopestisida)

6

• Bioinsektisida Baculovirus digunakan untuk memberantas hama tanaman budidaya. Baculovirus dapat ditularkan pada serangga lainnya.
• Bakteri hasil rekayasa genetika lain yang dapat dimanfaatkan di bidang pertanian, yaitu bakteri minus es yang berasal dari keturunan Pseudomonas syringae. Bakteri minus es strain liar dapat membentuk kristal es pada kondisi udara dingin yang menyebabkan luka beku pada jaringan tanaman. Sementara itu, bakteri hasil rekayasa tidak membentuk kristal es dan mampu berkompetisi mendesak pertumbuhan bakteri biasa.
• Feromon adalah substansi kimia yang digunakan oleh suatu organisme untuk berkomunikasi dengan sesamanya. Dengan merekayasa feromon, diharapkan populasi hama dapat diturunkan dengan cara menghambat kehadirannya dalam suatu areal pertanian maupun mencegah terjadinya perkawinan atau reproduksi.

Mikroorganisme Pembasmi Hama Tanaman (Biopestisida)

6

• Pengembangan bioteknologi di bidang peternakan telah menghasilkan vaksin, antibodi, dan hormon.
• Hormon pertumbuhan BGH (bovine growth hormone) yang dihasilkan dari bakteri Escherichia coli yang telah direkayasa genetiknya, ternyata mampu merangsang pertumbuhan hewan ternak sehingga produksi daging dan susu dapat ditingkatkan.
• Sementara itu, hormon EGF (epidermal growth factor) adalah hormon yang mempercepat pertumbuhan rambut domba penghasil wol.
• Jika diberikan penambahan dosis EGF, domba akan memiliki rambut yang tumbuh lebih cepat, helaian rambut lebih tipis, dan akan rontok dengan sendirinya, artinya tidak diperlukan pencukuran secara manual.

Pemanfaatan Mikroorganisme dalam Bidang Peternakan

7

Bioremediasi adalah proses pengubahan zat pencemar lingkungan menjadi bahan yang lebih tidak beracun dengan bantuan mikroorganisme, seperti bakteri dan jamur.

Pengolahan Limbah Organik

Pengolahan limbah organik berupa limbah cair dari industri alkohol menggunakan bakteri Clostridium butyrium. Bakteri dimasukkan ke dalam bak berisi limbah yang biasanya mengandung gula. Gula dalam limbah akan diuraikan oleh bakteri sehingga dihasilkan gas hidrogen. Gas hidrogen dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Limbah yang sudah tidak lagi membahayakan bagi kehidupan, kemudian dibuang ke lingkungan.

Mikroorganisme Pengolah Limbah (Bioremediasi)

8

Pengolahan Limbah dengan Sistem Lumpur Aktif (Activated Sludge)

Pengolahan limbah dengan sistem lumpur aktif menggunakan mikroorganisme aerob pengoksidasi material organik. Udara disalurkan melalui pompa blower/aerator (alat pemasok udara). Sel-sel mikroorganisme membentuk flok (gumpalan) yang akan mengendap di tangki penjernihan. Sistem ini baik untuk mengatasi limbah dari industri tapioka, nata de coco, kecap, dan tahu.

Pengolahan Limbah dengan Biofilm (Saringan Tetes)

Biofilm adalah kumpulan mikroorganisme (misalnya bakteri) yang diselimuti oleh pelekat karbohidrat hasil sekresi mikroorganisme tersebut. Biofilm menyelimuti hamparan saringan (tumpukan arang dan batu kerikil) pada dasar bak. Limbah disemprotkan perlahan ke hamparan biofilm. Mikroorganisme akan menguraikan materi organik dalam limbah.

Mikroorganisme Pengolah Limbah (Bioremediasi)

8

Penguraian Lumpur secara Anaerobik

Lumpur yang akan diproses berupa endapan yang terakumulasi dari pengolahan limbah secara aerob atau pengendapan lainnya. Di dalam tangki pemproses, dipelihara bakteri anaerob Methanobacterium yang mampu mengubah bahan organik menjadi CH₄, CO₂, H₂, dan H₂O. Lumpur tersebut dibiarkan selama 2–3 minggu di dalam tangki tanpa oksigen pada suhu 30–40°C.

Mikroorganisme Pembersih Limbah Minyak

Galur dari bakteri Pseudomonas putida dan jamur Cladosporium resinae merupakan mikroorganisme yang mampu mengonsumsi hidrokarbon. Hidrokarbon merupakan bagian utama minyak bumi dan bensin.

Mikroorganisme Pengolah Limbah (Bioremediasi)

8

Plastik komersial yang terbuat dari bahan kimia seperti polietilena (PE) sulit terurai di lingkungan. Oleh karena itu, bioteknologi mengembangkan bioplastik yang mampu terdegradasi secara alami. Bioplastik biasa digunakan untuk barang sekali pakai, seperti kemasan makanan dan alat makan/minum.

• Bioplastik dapat dibuat dari pati, selulosa, minyak nabati, amilum jagung, klobot jagung, amilum ercis, dan biopolimer lainnya yang berasal dari mikroorganisme.
• Bioplastik jenis poli-3-hidroksibutirat (PHB) dapat membentuk lapisan transparan pada titik leleh melebihi 130°C dan dapat terurai tanpa sisa.
• Mikroorganisme yang berperan dalam pembuatan bioplastik, antara lain bakteri Alcaligenes eutrophus dan jamur Aureobasidium pullulans.

Berbagai pemanfaatan bioplastik

Bioplastik (Biodegradable Plastic)

9

• Mulanya, proses mengekstrak tembaga dari bijihnya dilakukan dengan meluluhkan (leaching).
• Pada tahun 1957, berhasil dikembangkan teknik pemisahan logam dari bijinya dengan menggunakan bakteri Thiobacillus ferrooxidans.
• Bakteri tersebut tergolong kemolitotrof, yaitu mendapatkan energi dari oksidasi senyawa anorganik, seperti amonia, nitrit, sulfit, besi, atau hidrogen.
• Bakteri ini banyak ditemukan di daerah pertambangan dengan lingkungan asam dan miskin senyawa organik karena mampu mengekstrak karbon dari CO₂ di udara.

Pemanfaatan Mikroorganisme dalam Bidang Pertambangan

10

Kultur Jaringan pada Tumbuhan

D

Kultur Jaringan pada Tumbuhan

Kultur jaringan tumbuhan merupakan cara perbanyakan tanaman secara vegetatif berdasarkan sifat totipotensi (kemampuan sel untuk tumbuh menjadi individu baru yang sempurna). Kultur jaringan dilakukan dalam kondisi aseptik (bebas dari mikroorganisme patogen).

Kultur jaringan dapat menyediakan bibit yang bersifat identik dengan induknya dan berjumlah banyak dalam waktu yang cepat. Tanaman yang biasa dikultur adalah tanaman unggul atau tanaman langka.

Pengambilan eksplan

Eksplan yang tumbuh menjadi kalus di dalam media kaya nutrisi

Kalus yang tumbuh menjadi protocorm-like body (PLB)

Planlet di dalam pot berisi media tanah

Tahapan kultur jaringan

Kloning pada Hewan

E

Kloning pada hewan dibedakan menjadi dua macam, yaitu kloning embrio dan kloning transfer inti.

Kloning Embrio

Kloning embrio merupakan usaha untuk menghasilkan individu baru identik secara genetik dengan kedua induknya tanpa melalui perkawinan secara alamiah.

Dengan teknik ini, diharapkan dapat diperoleh hewan yang berkualitas baik dan berjumlah banyak dalam waktu yang lebih cepat. Kloning embrio dapat dilakukan pada hewan mamalia, misalnya sapi, kelinci, dan domba.

Sperma diambil dari sapi jantan yang memiliki sifat unggul

Ovum diambil dari sapi betina

Ovum difertilisasikan dengan sperma secara in vitro (di luar tubuh)

Zigot hasil fertilisasi in vitro akan tumbuh menjadi embrio

Embrio tersebut kemudian ditanamkan ke dalam rahim sapi betina lain hingga embrio tumbuh menjadi janin yang siap dilahirkan.

Tahapan kloning embrio pada sapi

1

Bayi Tabung

Kloning embrio pada manusia dikenal dengan istilah bayi tabung. Teknik bayi tabung dilakukan terhadap pasangan suami-istri yang sulit memiliki keturunan karena adanya hambatan pada sistem reproduksi, seperti ketidakmampuan menghasilkan sperma atau sel telur yang subur, dinding rahim wanita yang lemah, terhambatnya fertilisasi, atau terhambatnya pertumbuhan embrio di dalam rahim.

Sampel sperma

diambil dan

dipekatkan

Ovum diambil dan dipekatkan

Ovum dan sperma difertilisasikan secara in-vitro di dalam cawan petri

Zigot akan tumbuh menjadi embrio (morula)

Morula kemudian diimplantasikan di dalam rahim ibu sehingga tumbuh dan berkembang hingga menjadi bayi yang siap dilahirkan

Tahapan kloning embrio pada manusia (bayi tabung)

Kloning Transfer Inti (Transplantasi Inti)

Kloning transfer inti merupakan usaha untuk menghasilkan individu dengan sifat yang sama dengan inti sel donor. Kloning transfer inti bertujuan menghasilkan individu baru dengan sifat dan jenis kelamin yang sama dalam jumlah banyak.

Inti dari sel usus kecebong katak diambil dengan menggunakan mikropipet

Inti sel tersebut ditransplantasikan ke dalam sel telur katak lain yang telah dirusak inti selnya

Sel telur dengan inti baru akan membelah secara mitosis membentuk morula

Morula tumbuh menjadi blastula, gastrula dan seterusnya hingga menjadi individu baru

Transfer Inti pada Katak

Tahapan kloning transfer inti pada katak

2

Transfer Inti pada Domba Dolly

Sel telur (ovum) dirusak intinya dengan radiasi

Sel somatik donor (dari sel kelenjar susu) diambil intinya

Inti dari sel somatik donor dimasukkan ke dalam sel telur dengan bantuan kejutan listrik

Sel telur kemudian membelah beberapa kali hingga membentuk morula

Morula kemudian diimplantasikan di dalam rahim induk betina sehingga tumbuh dan berkembang menjadi bayi domba yang siap dilahirkan

Domba Dolly hasil kloning transfer inti sangat berisiko mengalami penuaan dini, komplikasi penyakit, hingga akhirnya mengalami kematian pada usia dini (sekitar 6 tahun).

Tahapan kloning transfer inti pada Domba Dolly

Kloning Transfer Inti (Transplantasi Inti)

2

Rekayasa Genetika

F

Rekayasa genetika merupakan suatu usaha memanipulasi sifat makhluk hidup untuk menghasilkan makhluk hidup dengan sifat baru sesuai dengan yang diinginkan. Jenis rekayasa genetika, antara lain fusi sel (teknologi hibridoma) dan rekombinasi DNA.

Fusi Sel (Teknologi Hibridoma)

• Hibridoma adalah penyatuan (fusi) dua sel yang berasal dari organisme yang sama atau dari organisme yang berbeda.
• Teknologi hibridoma menggunakan sel wadah (sel mieloma/sel kanker), sel sumber gen (sel dengan sifat yang diinginkan), dan zat fusi gen (zat yang memicu terjadinya penggabungan sel).
• Cara untuk mempercepat terjadinya fusi sel biasa dilakukan dengan metode elektrofusi.

1

Fusi Sel (Teknologi Hibridoma)

Pemanfaatan Hibridoma dalam Pembuatan Antibodi Monoklonal

Antibodi monoklonal adalah antibodi yang hanya mengenali dan melawan satu jenis antigen tertentu.

• Hewan mamalia (misalnya tikus) disuntik dengan antigen tertentu.
• Sel limfosit B dari hewan tersebut diambil dan difusikan dengan sel mieloma (sel kanker) sehingga dihasilkan sel hibridoma.
• Sel hibridoma tersebut diklon dan diseleksi.
• Sel hibridoma yang dipilih dikultur untuk menghasilkan antibodi monoklonal manusia dan sebagian lainnya dibekukan.

Tahap pembentukan antibodi monoklonal

1

Pemanfaatan Hibridoma dalam Pemetaan Kromosom

Pemetaan kromosom merupakan usaha untuk mengetahui letak kromosom yang mengandung gen-gen pembawa sifat-sifat tertentu pada suatu urutan kromosom dalam sel organisme. Saat terbentuk sel hibridoma, kromosom hancur secara acak. Setiap sel hibridoma mengalami kerusakan kromosom yang berlainan. Jika salah satu sel hibridoma yang memiliki kromosom nomor tertentu dikultur dan ternyata dapat menghasilkan suatu hormon, misalnya somatotropin, dapat diketahui kromosom yang membawa sifat penghasil hormon tersebut.

Pemetaan kromosom memberikan sumbangan informasi pada diagnosis dan pengobatan suatu penyakit, pencegahan penyakit keturunan, serta memberikan gambaran pada evolusi biologi.

Fusi Sel (Teknologi Hibridoma)

1

Hibridoma Memungkinkan Terbentuknya Spesies Baru

Fusi sel memberikan gambaran kemungkinan diciptakannya spesies baru yang berasal dari gabungan dua sel dari organisme yang berbeda, misalnya antarsel hewan yang berbeda spesies, antarsel tumbuhan yang berbeda spesies, atau sel hewan dengan sel tumbuhan.

Hibridoma sel tumbuhan agak rumit dilakukan karena sel tumbuhan memiliki dinding sel yang merupakan penghalang terjadinya fusi sel. Dinding sel tersebut perlu dihancurkan terlebih dahulu hingga tersisa protoplasma. Protoplasma yang difusikan disebut fusi protoplas. Setelah protoplasma disatukan, akan tumbuh membentuk dinding sel baru dan menjadi individu hibridoma yang diinginkan.

Fusi Sel (Teknologi Hibridoma)

1

Rekombinasi DNA dapat diperoleh dengan pemotongan dan penyambungan DNA secara in vitro, dengan alasan sebagai berikut.

• Struktur DNA semua spesies sama, yaitu gula pentosa, basa nitrogen, dan gugus fosfat.
• Gen dapat mengontrol sintesis polipeptida dan mengekspresikan sifat tertentu di mana pun berada asalkan kondisinya sesuai.

Untuk melakukan rekombinasi DNA, perlu disiapkan hal-hal berikut.

• Metode untuk memperoleh gen (seperti metode tembak langsung, metode transkripsi balik, maupun metode sintesis gen).
• Enzim pemotong dan penyambung DNA.
• Sel wadah (sel yang menerima DNA rekombinan, seperti bakteri Escherichia coli).
• Vektor pembawa gen sisipan (seperti virus maupun plasmid bakteri).

Rekombinasi DNA

2

Teknologi Plasmid

• DNA asing dan plasmid dipotong menggunakan enzim restriksi yang sama. Situs restriksi hanya ada satu dan dekat dengan gen lacZ.
• Enzim restriksi menciptakan ujung lengket yang memungkinkan DNA asing dan vektor kloning untuk menempel.
• Vektor kloning bertransformasi menjadi strain bakteri inang yang sensitif terhadap ampisilin dan kehilangan gen lacZ.
• Bakteri ditumbuhkan di media yang mengandung ampisilin dan X-gal. Bakteri tanpa plasmid akan mati. Plasmid yang tidak mengandung gen sisipan mengubah koloni menjadi berwarna biru. Plasmid dengan sisipan tidak akan memiliki lacZ aktif sehingga warna koloni putih.

Tahap pembuatan DNA rekombinan menggunakan plasmid

Rekombinasi DNA

2

Teknologi Plasmid

• Plasmid bakteri dan DNA yang mengandung gen insulin dari sel pankreas dipotong menggunakan enzim endonuklease restriksi.
• Fragmen DNA gen insulin disambungkan pada plasmid menggunakan enzim DNA ligase sehingga terbentuk plasmid dengan rangkaian DNA rekombinan.
• Plasmid rekombinan dimasukkan ke dalam sel wadah (seperti bakteri E. coli).
• Bakteri rekombinan dikembangbiakkan sehingga diperoleh populasi bakteri yang mampu menghasilkan hormon insulin dalam jumlah banyak.
• Hormon insulin yang dihasilkan oleh bakteri rekombinan dikumpulkan dan disuntikkan pada penderita diabetes melitus yang membutuhkan.

Teknologi plasmid dalam pembuatan hormon insulin

Rekombinasi DNA

2

Pemanfaatan Rekayasa Genetika

G

Pemanfaatan bioteknologi rekayasa genetika, antara lain untuk terapi gen, pembuatan vaksin baru, dan pembuatan tanaman transgenik.

• Terapi gen adalah usaha perbaikan kelainan genetik dengan memperbaiki susunan basa nitrogen pada rantai DNA dalam gen menggunakan teknik rekombinasi DNA.
• Terapi gen diterapkan untuk memperbaiki kelainan genetik ADD (adenosine deaminase deficiency), yaitu kelainan berupa hilangnya daya tahan tubuh akibat tidak terdapatnya enzim ADA (adenosin deaminase). ADD menyebabkan penyakit SCID (severe combined immunodeficiency disease).

Terapi Gen

Mekanisme terapi gen adalah sebagai berikut.

• Alel ADA normal disisipkan ke dalam asam nukleat retrovirus sehingga diperoleh retrovirus rekombinan. Dalam hal ini, retrovirus berperan sebagai vektor.
• Sel limfosit T abnormal dari pasien dikultur bersama retrovirus rekombinan.
• Retrovirus rekombinan menginfeksi sel limfosit T abnormal dan menyisipkan genomnya pada sel limfosit T tersebut sehingga sel limfosit T menjadi normal (terdapat alel ADA).
• Sel limfosit yang sudah normal dimasukkan kembali ke dalam tubuh pasien.

1

Pembuatan Vaksin Baru

• Rekayasa genetika telah memproduksi vaksin baru, misalnya vaksin subunit.
• Vaksin subunit adalah vaksin yang dibuat dari bagian tertentu mikroorganisme yang imunogenik (mampu menimbulkan respons imunitas tubuh) secara alamiah.
• Vaksin subunit umumnya berasal dari protein permukaan virus yang dapat diperbanyak dengan metode kloning gen (teknologi DNA rekombinan).
• Gen pengkode protein tersebut dimasukkan ke dalam plasmid sel ragi (misalnya Saccharomyces cerevisiae). Sel ragi akan menghasilkan protein virus sekitar 1–2% dari total protein ragi.
• Vaksin yang telah berhasil dibuat melalui teknologi ini, antara lain vaksin untuk hepatitis B, yaitu Recombivax HB vaccine.

2

Pembuatan Organisme Transgenik

• Organisme transgenik adalah organisme yang mendapatkan gen-gen dari organisme lain.
• Gen yang ditransfer dapat berasal dari jenis (spesies) lain, seperti bakteri, virus, hewan, atau tanaman lain.
• Transgenik dapat dimanfaatkan dalam pemuliaan tumbuhan maupun hewan.

3

Tanaman Transgenik

• Penggabungan gen dapat dilakukan secara langsung (dengan alat penembak gen atau elektroporasi) maupun tidak langsung.
• Penggabungan gen secara tidak langsung dengan menggunakan vektor, misalnya bakteri Agrobacterium tumefaciens.
• Bakteri Agrobacterium tumefaciens adalah bakteri tanah yang memiliki plasmid Ti (tumor inducing) dan menyebabkan crown gall (tumor) pada tanaman.
• Plasmid Ti dapat disisipi oleh gen-gen tertentu dengan sifat yang diinginkan.

Tanaman transgenik merupakan tanaman hasil rekayasa genetika dengan sistem penggabungan gen pada suatu rangkaian DNA.

Pembuatan Organisme Transgenik

3

1) Tumbuhan Tahan Hama

• Rekayasa genetika dikembangkan dalam mengatasi pengendalian hama, melalui rekombinasi gen dan kultur sel untuk menghasilkan tanaman yang tahan terhadap serangan hama.
• Gen tahan hama disisipkan pada sel suatu tanaman, kemudian sel-sel tumbuhan tersebut dikultur dan tumbuh menjadi tanaman baru yang tahan hama.
• Contohnya adalah kapas transgenik yang telah disisipi gen toksin Bt dari bakteri Bacillus thuringiensis dan ubi jalar yang tahan terhadap penyakit yang disebabkan oleh virus karena sudah ditransfer gen dari selubung virus tertentu.

Tanaman Transgenik

Pembuatan Organisme Transgenik

3

2) Tumbuhan Memupuk Sendiri

• Tumbuhan tidak dapat memanfaatkan nitrogen secara langsung dalam bentuk N₂ di udara.
• Umumnya, N₂ dapat diubah menjadi nitrat (NO₃) atau amonium (NH₄) oleh bakteri pemfiksasi nitrogen, misalnya Rhizobium sp yang bersimbiosis pada akar tanaman kacang-kacangan.

• Pakar rekayasa genetika telah berhasil memindahkan gen nif (nitrogen fixation) dari bakteri Klebsiella pneumoniae ke bakteri Escherichia coli.
• Bakteri E. coli yang sudah disisipi gen nif dapat dikolonikan di akar tumbuhan.
• Gen nif pengikat nitrogen juga dapat disisipkan secara langsung ke dalam tumbuhan budidaya sehingga tidak perlu bantuan mikroorganisme lagi.

Tanaman Transgenik

3) Tumbuhan yang mengandung gizi tambahan

• Dengan rekayasa genetika, kini dapat dihasilkan tanaman pangan berupa padi, buah, dan sayuran transgenik yang lebih berkualitas.
• Contohnya adalah beras emas (golden rice) yang mengandung β-karoten dan provitamin A dan pisang yang mengandung protein bersifat vaksin.

Tanaman Transgenik

Beras emas (golden rice)

4) Buah-buahan yang lebih tahan untuk disimpan

• Rekayasa genetika dengan transfer gen antisenescens digunakan untuk menghambat enzim poligalakturonase (enzim yang mengkatalis proses perusakan dinding sel) sehingga proses pelunakan buah dapat diperlambat.
• Contohnya tomat flavr savr yang mempunyai tingkat waktu kematangan lebih lama setelah dipetik sehingga tidak mudah membusuk.
• Contoh lainnya, adalah melon yang ditransfer dengan gen baru dari bakteriofag T3 yang berfungsi untuk mengurangi pembentukan hormon etilen (hormon yang berperan dalam pematangan buah).

Tanaman Transgenik

5) Tumbuhan tahan herbisida

• Contoh tumbuhan tahan herbisida adalah kedelai yang ditransfer gen resisten herbisida dari bakteri Agrobacterium galur CP4.
• Ketika tanaman kedelai disemprot dengan herbisida, hanya gulma di sekitar kedelai yang akan mati.

Tanaman Transgenik

6) Tumbuhan yang tahan terhadap perubahan cuaca

• Contoh tumbuhan yang tahan terhadap perubahan cuaca adalah tembakau yang ditransfer gen untuk mengatur pertahanan pada cuaca dingin dari tanaman Arabidopsis thaliana.
• Selain dari Arabidopsis thaliana, gen dengan sifat tersebut dapat diperoleh dari Cyanobacterium spesies Anacystis nidulans.

7) Tumbuhan bioluminesensi

• Bioluminesensi adalah emisi cahaya yang dihasilkan oleh makhluk hidup karena adanya reaksi kimia tertentu.
• Contohnya tanaman tembakau yang disisipi gen kunang-kunang mampu melepaskan energi cahaya sehingga tampak bersinar.

Tanaman Transgenik

Hewan Transgenik

1. Pronuclear microinjection adalah teknik memasukkan transgen (gen terpilih yang akan dipindahkan) secara langsung ke dalam pronukleus ovum yang sudah difertilisasi. Teknik ini biasa digunakan pada percobaan pembuatan tikus transgenik.
2. Embryonic stem (ES) cell electroporation dan subsequent blastocyst injection adalah insersi transgen ke dalam sel induk embrionik (ES cells) yang dilanjutkan dengan pemasukan ES cells ke dalam blastokista.

Hewan transgenik adalah hewan yang mengandung sisipan gen asing di dalam genomnya.

Metode pembuatan hewan transgenik

Pembuatan Organisme Transgenik

3

Dampak Negatif Bioteknologi

H

Penggunaan bioteknologi, terutama bioteknologi modern yang telah banyak memberikan manfaat dalam kehidupan manusia, ternyata dapat menimbulkan dampak negatif jika dalam penggunaannya kurang diawasi atau disalahgunakan oleh pihak-pihak tertentu yang tidak bertanggung jawab.

1. Kemungkinan munculnya mikroorganisme patogen baru.
2. Timbulnya bahan makanan yang mengandung protein baru bersifat toksik.
3. Munculnya tanaman supergulma.
4. Teknik bayi tabung dapat membingungkan status orang tuanya.
5. Risiko tinggi bagi organisme hasil kloning.
6. Penyebaran strain bakteri tertentu secara liar.
7. Erosi plasma nutfah.
8. Terganggunya keseimbangan ekosistem.
9. Penyalahgunaan senjata biologis.

Dampak Negatif Bioteknologi

Glosarium

• Antibodi monoklonal adalah antibodi yang mengenali dan melawan satu jenis antigen tertentu.
• Antibodi multiklonal adalah antibodi yang dibentuk oleh berbagai klon sel limfosit.
• Bakteri minus es adalah bakteri hasil rekayasa genetika (misalnya keturunan Pseudomonas syringae) yang tidak akan membentuk kristal es meskipun kondisi suhu -4°C.
• Bioteknologi adalah ilmu yang menerapkan prinsip ilmiah dan kerekayasaan untuk penanganan dan pengolahan bahan mentah organik maupun anorganik dengan bantuan makhluk hidup seperti mikroorganisme, sel hewan dan tumbuhan untuk meningkatkan potensi makhluk hidup, menghasilkan produk dan jasa bagi kepentingan hidup manusia.

Glosarium

• DNA ligase adalah enzim yang berfungsi untuk menyambung suatu potongan DNA dengan potongan DNA dari mikroorganisme lainnya.
• Endonuklease restriksi adalah enzim yang berfungsi sebagai gunting molekuler untuk memotong molekul DNA.
• Hibridoma adalah penyatuan (fusi) dua sel yang berasal dari organisme yang sama atau dari organisme yang berbeda.
• Mikroprotein adalah bahan makanan berprotein tinggi yang berasal dari jamur, misalnya Fusarium venenatum untuk membuat kue dan pengganti daging.
• Planlet adalah sel-sel kalus yang berdiferensiasi membentuk akar, batang, daun, dan tumbuh menjadi tanaman lengkap berukuran kecil.

Glosarium

• Plasma nutfah adalah bahan dari tumbuhan, hewan, atau mikroorganisme yang mempunyai fungsi dan kemampuan mewariskan sifat.
• Plasmid adalah rangkaian DNA nonkromosom yang berbentuk sirkuler.
• Rekayasa genetika adalah suatu usaha memanipulasi sifat makhluk hidup untuk menghasilkan makhluk hidup dengan sifat baru yang diinginkan.
• Teknologi plasmid adalah usaha manipulasi sifat genetik dengan cara mengubah susunan DNA dengan memanfaatkan plasmid bakteri.
• Terapi gen adalah usaha perbaikan kelainan genetik dengan memperbaiki susunan basa nitrogen pada rantaian DNA dalam gen.
• Transplantasi inti adalah memindahkan inti dari sel donor ke sel yang lain agar diperoleh individu dengan sifat yang sama dengan inti sel donor.

Selamat Belajar!

Sumber gambar:

www.shutterstock.com

pixabay.com

​