REKAYASA GENETIKA DAN MOLEKUL-MOLEKUL KEHIDUPAN
BAB 12 REKAYASA GENETIKA DAN MOLEKUL-MOLEKUL KEHIDUPAN
PENDAHULUAN Pada pokok bahasan ini akan dipelajari tentang molekul luar biasa yang mengendalikan kehidupan suatu organisme. Molekul ini diwariskan kepada generasi selanjutnya sehingga keturunan dari suatu spesies akan memiliki sifat fisik yang sama dengan induknya. Sistem pewarisan sifat inilah yang disebut dengan genetika. Molekul ini berfungsi untuk mengkode sintesis protein suatu spesies, sehingga spesies tersebut memiliki protein tertentu yang mirip dengan protein induknya. Protein menentukan sifat fisik suatu spesies, jika struktur protein suatu spesies berbeda dari spesies lain, maka sifat fisik spesies-spesies tersebut berbeda.
Molekul yang mengendalikan genetika suatu organisme tersebut berada di dalam inti sel (nukleus) dan bersifat asam, sehingga molekul ini dinamakan asam nukleat. Asam nukleat adalah suatu makromolekul yang luar biasa dan hanya dimiliki oleh makhluk hidup. Ada dua macam asam nukleat yaitu deoxyribo nucleic acid (DNA) dan ribonecleic acid (RNA). Fungsi utama asam nukleat ada dua yaitu mewariskan sifat kepada generasi selanjutnya dan mengkode sintesis protein. Pewarisan sifat hanya dilakukan oleh DNA, sedangkan pengkodean sintesis protein dilakukan oleh DNA dan RNA.
Keberadaan asam nukleat menyebabkan suatu individu memiliki sifat fisik yang berbeda dari individu lainnya. Makromolekul ini juga menyebabkan suatu spesies memiliki sifat fisik yang mirip dengan sifat fisik spesies induknya. Hal ini karena asam nukleat (DNA) diwariskan dari induk ke anaknya sehingga susunan DNA yang mirip antara induk dengan anaknya akan menghasilkan protein yang mirip juga. Susunan DNA suatu organisme menentukan susunan protein tertentu sehingga sifat fisik suatu organisme sangat tergantung dari susunan DNA nya. Jika DNA suatu organisme diubah maka protein yang dihasilkan dari organisme tersebut bisa berubah. Hal inilah yang melandasi rekayasa genetik untuk mengubah organisme alami menjadi organisme baru dengan DNA yang terekayasa sehingga akan menghasilkan protein baru dan organisme baru yang memiliki sifat baru yang lebih unggul.
Setelah mempelajari pokok bahasan ini, peserta pembelajaran diharapkan dapat memahami tentang arti penting molekul kehidupan yang sangat luar biasa yaitu asam nukleat. Mahasiswa juga diharapkan mampu mempelajari struktur molekul dan fungsi asam nukleat serta hubungan antara asam nukleat dengan protein. Pada bagian akhir diharapkan para mahasiswa memahami tentang prinsip rekayasa genetik untuk menghasilkan organisme baru yang lebih unggul daripada organisme alami.
PENYAJIAN Asam Nukleat, molekul kehidupan
Di dalam sistem hayati (life system) ada suatu kepastian bahwa suatu spesies akan menurunkan anak atau generasi yang sama spesisnya, atau jika dua spesies kawin silang, maka akan menghasilkan spesies campuran (hibrida) yang mewarisi sifat dari kedua induknya. Hal ini disebabkan oleh adanya suatu molekul yang mengendalikan pewarisan sifat (heriditas) dari induk ke generasi selanjutnya. Molekul tersebut membawa seluruh informasi genetik suatu organisme dan diwariskan ketika terjadi proses regenerasi dari induk kepada anaknya, sehingga anak akan mewarisi sifat fisik induknya. Suatu molekul yang sangat luar biasa ini hanya ada pada makhluk hidup dan berada pada suatu tempat yaitu di dalam inti sel (nukleus) dan karena sifatnya asam maka dinamakan asam nukleat.
Asam nukleat ada dua macam yaitu asam deoksiribonukleat (deoxyribonucleic acid) atau lebih dikenal dengan singkatan DNA dan asam ribonukleat (ribonucleic acid) atau RNA. DNA merupakan makromolekul yang sangat panjang yang terdapat di dalam inti sel (untuk sel eukaryot) dan dikemas dengan cara dililitkan pada suatu protein like histone. DNA yang dikemas tersebut disebut dengan kromosom. Kromosom memuat semua informasi genetik yang terdapat di dalam DNA dari suatu organisme. Secara skematis DNA yang dikemas sebagai kromosom adalah sebagai berikut :
Gambar 12.1 DNA yang dikemas sebagai kromosaom DNA adalah makro molekul yang tersusun dari monomer yang disebut
nukleotida. Setiap nukleotida tersusun dari tiga bagian yaitu gula deoksiribosa, fosfat dan basa nitrogen. Basa nitrogen terdiri dari dua macam yaitu Purin dan Pirimidin, masing-masing terdiri dari dua macam basa, yaitu purin terdiri dari Adenin (A) dan Guanin (G), sedangkan pirimidin terdiri dari Sitosin (C) dan Timin (T). Struktur molekul penyusun nukleotida digambarkan sebagai berikut :
Gambar 12.2 Struktur molekul penyusun nukleotida Struktur salah satu nukleotida dengan basa adenin adalah sebagai berikut :
Gambar 12.3 struktur suatu nukleotida (adenosin monofosfat) Gambar 12.3 menunjukkan struktur salah satu nukleotida dengan basa
adenin, sehingga namanya adalah adenosin monofosfat. Jika basanya diganti dengan guanin maka disebut guanosin monofosfat, jika sitosin maka sitidin monofosfat dan jika timin maka timidin monofosfat. Dengan demikian terdapat empat macam nukleotida yang hanya berbeda pada jenis basanya saja. Jika nukleotida tersebut terangkaikan menjadi polinukleotida, maka polinukleotida satu berbeda dari polinukleotida lain karena perbedaaan urutan basanya. Struktur polinukleotida dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 10. 4 contoh struktur polinukleotida (T-A-C-G) Pada gambar 10.4 terlihat adanya struktur polinukleotida dengan urutan Timin-Adenin-Sitosin-Guanin (T-A-C-G). Jika urutan basa tersebut diubah, misalnya A-T-G-C atau T-C-G-A dsb. maka akan menjadi polinukleotida yang berbeda. Dengan demikian perbedaan polinukleotida satu dengan yang lain terletak urutan basanya.
DNA merupakan makromolekul yang berbentuk untai ganda (double helix). Struktur double helix ini ditemukan oleh James Watson dan Frederick Crick yang mendapatkan hadiah Nobel bidang kimia tahun 1962. Struktur double helix ini disebabkan karena adanya ikatan hidrogen antar dua basa dari dua untai polinukleotida. Ikatan hidrogen ini selalu terjadi antara adenin dengan timin (A-T) dan antara guanin dengan sitosin (G-C). struktur double helix DNA dapat digambarkan secara skematis adalah sebagai berikut :
Gambar 10.5 skema double helix DNA. Keterangan : S = sugar (gula deoksiribosa), P = fosfat, A = adenin, T = timin, G = guanin dan C= sitosin
Ikatan hidrogen selalu terjadi antara A dengan T dan G dengan C. Hal inilah yang menjadikan struktur DNA selalu pasti tidak pernah berubah jika sel melakukan pembelahan. Jika sel melakukan pembelahan maka setiap sel akan membawa DNA yang sama. Karena prinsip ini, maka pewarisan sifat dapat terjadi. Ikatan hidrogen ini juga memegang peranan yang sangat penting di dalam sintesis protein, sehingga urutan DNA tertentu akan menghasilkan protein tertentu pula. Model ikatan hidrogen antar dua basa ini dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 10.6 Model ikatan hidrogen antara A-T dan G-C
Replikasi dan pewarisan sifat Salah satu keistimewaan DNA adalah kemampuannya untuk mereplikasi diri. Hal ini tidak dimiliki oleh molekul-molekul lain. Replikasi DNA adalah pembentukan copy molekul DNA yang sama persis dengan DNA asalnya. Replikasi ini terjadi karena adanya kepastian ikatan hidrogen antara A-T dan G-C. Replikasi adalah awal dari pembelahan sel dan pewarisan sifat. Proses replikasi dapat digambarkan secara skematis sebagai berikut :
Gambar 12.7 Proses replikasi DNA Dari skema pada gambar 12.7 terlihat skema proses replikasi. Dari gambar tersebut terlihat bahwa satu double helix DNA direplikasi (dicopy) menjadi dua double helix yang sama persis. Proses replikasi ini dinamakan semikonservatif, dimana DNA double helix akan membelah dan masing-masing untai akan membentuk untai Gambar 12.7 Proses replikasi DNA Dari skema pada gambar 12.7 terlihat skema proses replikasi. Dari gambar tersebut terlihat bahwa satu double helix DNA direplikasi (dicopy) menjadi dua double helix yang sama persis. Proses replikasi ini dinamakan semikonservatif, dimana DNA double helix akan membelah dan masing-masing untai akan membentuk untai
Asam Nukleat dan Sintesis Protein Suatu organisme yang memiliki kemiripan urutan DNA dengan organisme lain, maka secara fisik keduanya mirip. Dua orang yang kembar identik, maka secara fisik mereka sangat mirip. Hal ini disebabkan karena urutan DNA keduanya sangat mirip. Mengapa hal ini bisa terjadi? Karena DNA merupakan penyandi di dalam proses sintesis protein. Protein adalah sifat yang nampak dari suatu organisme (fenotipe), sehingga jika DNA mirip, maka protein pun juga pasti mirip dan jika DNA berbeda, maka protein pun pasti berbeda. Proses penyandian protein oleh DNA terjadi melalui dua proses, yaitu transkripsi dan translasi.
Gambar 12.8 Proses penyandian sintesis protein
Dari gambar 12.8 dapat dijelaskan bahwa :
1. Untai DNA yang sangat panjang menyimpan semua informasi genetik dari suatu organisme. Informasi genetik tersebut merupakan urutan basa penyandi urutan asam amino untuk membentuk suatu protein. Tidak semua urutan DNA merupakan penyandi urutan asam amino untuk membentuk protein.
2. Satu urutan DNA yang menyandi satu protein disebut dengan gen, sehingga satu gen akan menyandi satu protein. Dengan demikian, jika di dalam organisme terdapat seribu macam protein, maka pada untai DNA akan terdapat seribu gen.
3. Suatu gen akan menyandi satu protein melalui dua tahap yaitu transkripsi dan translasi
4. Transkripsi adalah proses sintesis mRNA (RNA pembawa pesan) yang terjadi di dalam inti sel (nukleus). Proses ini terjadi melalui penyandian DNA membentuk mRNA. Satu gen dari untai DNA akan disandi menghasilkan satu mRNA. Proses penyandian terjadi melalui pasangan ikatan hidrogen dimana setiap A disandi ke untai mRNA oleh U (urasil), T oleh A, G oleh C dan C oleh
G. Jadi untai A-T-G-C pada DNA ditranskripsikan menjadi untai mRNA U-A- C-G.
5. Untai mRNA merupakan cetakan untuk sintesis protein, dimana setiap tiga basa pada mRNA menyandi satu asam amino tertentu. Tiga basa penyandi satu asam amino ini disebut dengan kodon, setiap beberapa kodon akan menyandi satu asam amino.
6. Proses penyandian sintesis protein dari mRNA disebut translasi. Proses translasi melibatkan mRNA sebagai cetakan, tRNA sebagai pembawa asam amino yang memiliki antikodon untuk berpasangan dengan kodon melalui ikatan hidrogen. Translasi akan menghasilkan satu untai polipeptida yang akan diproses menjadi satu protein.
7. Setiap asam nukleat tertentu akan menyandi satu protein tertentu. Protein adalah senyawa yang menentukan sifat fisik dan memiliki fungsi tertentu di dalam organisme. Dengan demikian asam nukleat adalah molekul yang mengendalikan pembentukan protein, sehingga molekul ini merupakan molekul yang mengendalikan kehidupan suatu organisme.
Rekayasa Genetika Asam nukleat merupakan penyandi sintesis protein. Jika asam nukleat suatu organisme diubah, maka sifat fisik (fenotipe) suatu organisme juga bisa mengalami perubahan. Organisme tersebut bisa berubah menjadi lebih unggul, produktif, tahan penyakit dll atau sebaliknya menjadi lebih rentan, tidak produktif dsb. Atas dasar hal tersebut maka melalui ilmu bioteknologi, para ilmuwan telah melakukan rekayasa pada level molekuler terhadap DNA dan telah berhasil menghasilkan organisme baru yang terekayasa. Organisme transgenik, kloning dan teknologi DNA rekombinan merupakan hasil dari rekayasa ini. Pengubahan DNA suatu organisme seperti pengurangan, penyisipan atau penggantian DNA akan menghasilkan organisme baru yang berbeda sifat dari organisme aslinya.
Penyisipan DNA asing ke dalam DNA suatu organisme merupakan teknik yang paling banyak dilakukan. DNA asing yang menyandi suatu protein yang berguna dapat disisipkan sehingga organisme alami (wild type) akan berubah menjadi organisme yang terekayasa yang dapat menghasilkan protein baru. Salah satu contoh adalah mikroba yang berhasil menghasilkan insulin karena disisipi oleh gen penyandi insulin. Tanaman dan hewan transgenik yang memiliki sifat unggul seperti produktif, tahan hama dan sebagainya juga telah berhasil dibuat. Tanaman dan hewan transgenik tersebut sekarang bahkan telah dikonsumsi. Berikut adalah skema langkah-langkah teknologi DNA rekombinan dan teknik tanaman transgenik.
Gambar 12.9 Skema teknologi DNA Rekombinan
Secara singkat dapat dijelaskan bahwa gen asing dari suatu organisme yang telah diketahui dapat menyandi suatu protein yang diharapkan direstriksi (dipotong) untuk kemudian diinsersikan (disisipkan) pada suatu vektor (plasmid). Plasmid adalah untai DNA non kromosomal yang dimiliki oleh bakteri. Plasmid yang telah diinsersi gen asing kemudian diinsersikan ke sel bakteri kemudian diseleksi menggunakan antibiotik tertentu dan dikloning sehingga akan diperoleh klon berupa bakteri yang memiliki sifat baru yang lebih bermanfaat. Teknologi tanaman dan hewan transgenik kurang lebih sama. Perbedaannya adalah setelah plasmid telah membawa gen baru maka diinsersikan ke kromosom tanaman atau hewan sehingga akan diperoleh tananman atau hewan baru yang lebih unggul.
PENUTUP Diskusikan hal-hal berikut :
1. Jelaskan hunungan antara asam nukleat dengan protein!
2. Gambarkan dan jelaskan struktur umum dari DNA dan RNA!
3. Mengapa DNA yang sangat panjang (2 meter) berada pada sel yang sangat kecil?
4. Mengapa ada sebagian orang yang khawatir jika mengkonsumsi produk dari tanaman atau hewan transgenik?