BIOTEKNOLOGI

MAKALAH

BIOTEKNOLOGI

A.    Definisi Bioteknologi

Istilah bioteknologi pertama kali dikemukakan oleh Karl Ereky, seorang insinyur dari Hongaria. Pada tahun 1917 istilah bioteknologi digunakan untuk mendiskripsikan produksi babi dalam skala besar dengan menggunakan bit gula sebagai sumber pakannya. Sampai tahun 1970 bioteknologi selalu berasosiasi dengan rekayasa biokimia (biochemikal enginering) dan pada umumnya perkuliahan yang berhubungan dengan bioteknologi juga diberikan oleh Jurusan Rekayasa Kimia atau Rekayasa Biokimia.

Bioteknologi merupakan teknologi yang menggunakan organisme hidup atau bagian-bagiannya untuk memenuhi berbagai kebutuhan manusia. Dengan kata lain, bioteknologi merupakan penggunaan organisme atau sistem hidup untuk memecahkan suatu masalah atau untuk menghasilkan produk yang berguna.

B.     Bioteknologi Klasik dan Bioteknologi Modern

            Selama beribu-ribu tahun kita telah menggunakan mikroba seperti khamir dan bakteri untuk membuat produk-produk yang berguna seperti roti, anggur, keju, toghurt, tempe dan nata de coco. Produk-produk makanan dan minuman tersebut termasuk hasil dari bioteknologi klasik.

            Bioteknologi modern dimulai dengan produksi bahan kimia dalam skala besar dengan menggunakan mikroorganisme. Bioteknologi modern telah berkembang secara pesat sejak munculnya teknik-teknik biologi molekul (teknologi DNA rekombinan), sehingga manusia dapat mengotak-atik susunan genetik dari mahluk hidup.

Dengan munculnya teknik-teknik biologi molekul inilah, bioteknologi dikatakan merupakan suatu terobosan teknologi yang revolusioner. Selama periode tahun 1960-an sampai tahun 1970-an, pengetahuan kita tentang biologi sel dan molekuler sampai pada suatu titik yang memungkinkan kita untuk memanipulasi suatu organisme ditaraf seluler atau molekuler. Memanipulasi suatu organisme untuk kepentingan umat manusia bukanlah suatu hal yang baru, yang baru adalah bagaimana melakukan manipulasi tersebut.

Sebelumnya, kita menggunakan suatu organisme utuh tetapi sekarang menggunakan sel-sel dan molekul organisme tersebut. Sebelumnya kita melakukan manipulasi tanpa mengetahui mekanisme yang mendasari manipulasi tersebut. Cara manipulasi kita sulit diprediksi hasilnya. Tetapi kita sekarang mengerti manipulasi yang kita lakukan pada taraf yang paling mendasar aitu pada taraf molekuler atau gen. Oleh karena itu, kita dapat memprediksi pengaruh manipulasi yang dilakukan dan mengarahkan perubahan yang diinginkan dengan tingkat ketepatan yang tinggi.

C.    Perkembangan Bioteknologi

            Bioteknologi sudah ada sejak 10.000 tahun yang lalu. Mikroorganisme sudah digunakan orang dalam pembuatan bir, cuka, yoghurt, dan keju. Pada zaman romawi, anggur sudah dikenal orang. Pembuatan bahan kimia pertama dengan menggunakan mikroorganisme dilakukan pada abad ke-14, yaitu pada pembuatan etanol. Industri fermentasi modern dikenal sejak perang dunia I, yaitu produksi dalam skala besar berbagai bahan kimia, seperti gliserol dengan menggunakanm ragi, aseton-butanol dengan menggunakan bakteri Clostridium acetobutilicum dan asam sitrat dengan menggunakan jamur Aspergillus niger. Fermentasi semi kontinu mulai dikenal selama perang dunia II. Perang dunia II memicu orang untuk meningkatkan produksi anti bioik penisilin. Produksi penisillin berhasil ditingkatkan dengan memperbaiki galur jamur yang digunakan dan mengembangkan teknologi fermentasi dalam skala besar. Pencarian antibiotik lain dari berbagai mikroorganisme lain juga terus dilakukan. Sesudah tahu 1960-an, kultur sel hewan dalam skala besar mulai digunakan dalam pembuatan vaksin dan pembuatan obat seperti ionterferon.

            Berbeda dengan kultur mikroorganisme, kultur sel tidak dapat tumbuh sebagai suspensi tetapi memerlukan suatu permukaan tempat melekatnya sel hewan. Pada tahun 1970-an berhasil dibuat hibridoma, yaitu hasil fusi sel tumor denagn sel limfosit penghasil antibodi. Masing-masing sel hibridoma menghasilkan antibodi monoklonal, yaitu antibodi terhadap bagian spesifik dari suatu protein. Antibodi monoklonal banyak digunakan dalam diagnostik, terapi terhadap suatu penyakit dan proses pemurnian protein. Kultur sel tumbuhan dapat diregenerasi menjadi tanaman baru. Dari suatu kultur sel tumbuhan dapat dihasilkan ratusan tanaman baru. Sel yang bebas dari virus dapat diisolasi dan dikulturkan sehingga dapat dihasilkan tanaman yang bebas virus dan ini dapat meningkatkan produksi.

Pada tahun 1980-an, bioteknologi berkembang secara pesat akibat munculnya teknologi DNA rekombinan yang memberi kemampuan bagi manusia untuk memotong dan menyambung kembali molekul DNA secara in-vitro. Dengan demikian gen yang berasal dari suatu spesies dapat dipindahkan ke spesies lain. Dengan teknologi DNA rekombinan, bakteri Escherichia coli dapat digunakan untuk memproduksi hormon manusia dalam skala besar. Hewan dan tumbuhan dapat dimodifikasi dengan menambahkan gen yang berasal dari spesies lain sehingga diperoleh hewan atau tumbuhan transgenik.  Aplikasi komersial pertama dari teknologi DNA rekombinan adalah produksi protein skala besar oleh bakteri, seperti protein yang berupa hormon dan enzim. Kemudian produksi molekul kecil dapat dilakukan dengan mengklon gen-gen yang terlibat dalam biosintesis molekul tersebut dalam satu fragmen DNA. Penggunaan DNA dengan teknik Polymerase Chain Reaction (PCR) yang dikembangkan sejak akhir tahun 1980-an, memungkinkan orang untuk mengisolasi fragmen DNA tertentu dari satu sel kemudian dilipatgandakan misalnya sel yang terdapat ujung rambut, bercak darah kering atau fosil yang berumur ribuan tahun. Teknik ini dapat dimanfaatkan untuk mendiagnosis penyakit dan mencari bukti kejahatan pada ilmu forensik.

Tabel 1. Perkembangan Sejarah Bioteknologi Molekuler

Tahun

Peristiwa

1917 1943 1944 1953 1961 1961-1966 1970 1972 1973 1975 1976 1978 1980 1981 1981 1982 1983 1988 1988 1990

Karl ereky memperkenalkan istilah bioteknologi Penisilin diproduksi dalam skala industri Avery, Mac Leod, Mc Carty mendemoonstrasikan bahwa DNA adalah bahan genetik Watson dan Crik menentukan struktur DNA Jurnal  Biotechnology and bioengineering ditetapkan Seluruh sandi genetik terungkap Enzim restriksi endonuklease pertama kali diisolasi Khorana dan kawan-kawan berhasil mensintesis secara kimiawi seluruh gen DNA Boyer dan Cohen memaparkan teknologi DNA rekombinan Kohler dan Milstein menjabarkan produksi antibodi monoklonal Perkembangan teknik-teknik untuk menentukan sekuen DNA Genentech menghasilkan insulin manusia dalam E.coli US Spreme Court: mikroorganisme hasil manipulasi dapat dipatenkan Untuk pertama kalinya automated DNA synthesizers dijual secara komersial Untuk pertama kalinya kit diagnostik berdasarkan antibodi disetujui untuk dipakai di Amerika Serikat Untuk peratma kalinya vaksin hewan hasil teknologi DNA rekombinan disetujui pemakaiannya di Eropa Plasmid Ti hasil rekayasa genetik dipakai untuk transformasi tanaman US Patent diberikan untuk mencit hasil rekayasa sehingga rentan terhadap kanker Metode polymerase Chain Reaction dipublikasikan USA: telah disetuji percoban terapi gen sel somatik pada manusia

 

D.    Bioteknologi Hulu dan Bioteknologi Hilir

Suatu proses industri bioteknologi yang menggunakan mikroorganisme untuk menghasilkan suatu produk pada dasarnya terdiri dari tiga tahapan utama,

 

1.      Proses hulu: melibatkan serangkaian perlakuan pada bahan mentah sehingga dapat digunakan sebagai sumber makanan bagi mikroorganisme sasaran

2.      Fermentasi dan transformasi: penumbuhan mikroorganisme sasaran dalam bioreaktor besar (biasanya lebih dari 100 liter) yang diikuti dengan produksi (hasil biotransformasi) bahan yang diinginkan, misalnya: antibiotik, asam amino, enzim, atau asam-asam organik

3.      Proses hilir: pemurnian senyawa atau bahan yang diinginkan dari medium fermentasi atau dari massa sel

Penelitian-penelitian bioteknologi dimaksudkan untuk memaksimalkan efisiensi tiap tahap dalam proses bioteknologi serta dapat menemukan miokroorganisme yang sesuai untuk produksi pangan, pakan, suplemen pangan dan obat-obatan. Selama tahun 1960-an sampai tahun 1977-an, penelitian-penelitian ini difokuskan pada proses hulu, desain bioreaktor dan proses hilir.oleh karena itu banyak dihasilkan informasi yang menjadi dasar penting bagio pembuatan bioreaktor serta instrumentasinya, serta teknologi scale-up yang lebih efisien dalam menghasilkan berbagai produk.

Dari keseluruhan proses industri bioteknologi, bagian biotransformasi merupakan komponen yang paling sulit dioptimalkan secara sistematis. Paad umumnya galur-galur mikroba yang diisolasi dari alam tidak optimal untuk dipakai langsung dalam industri bioteknologi. Oleh larena itu, induksi mutasi melalui mutagenesis kimia atau radiasi ultraviolet digunakan untuk mengubah secara acak susunan genetik suatu galur mikroba, dengan harapan dapat diperoleh galur yang profilnya lebih optimal. Dalam beberapa hal misalnya dalam produksi antibiotik, cara-cara mutasi acak dan seleksi telah berhasil dilakukan. Meskipun demikian, pada sebagian industri bioteknologi lainnya, mutasi acak justru munurunkan produksi atau hasilnya sulit sekali di prediksikan, karena adanya mutasi pada bagian-bagian lain dari genom mikroba yang bersangkutan. Selain itu, derajad perbaikan galur masih sangat dibatasi oleh sistem biologi yang ada. Contohnya dalam produlsi asam sitrat digunaka Aspergillus niger yang memnag sangat tinggi rendemennya. Tetapi untuk fermentasi nedia padat, spora kapang ini dapat menyebabkan masalah medis yang relatif sulit penanganannya di lapangan. Sementara itu mutasi acak untuk meniadakan spora dari Aspergillus niger tanpa menurunkan rendemen asamnya sangat sulit dilakukan tanpa melewati batas-batas biologi Aspergillus niger.

E.     Teknologi Teknologi Yang Mendasari Bioteknologi

            Beberapa teknologi yang mendasari Bioteknologi:

      1. Teknologi Antibodi Monoklonal (TAM)

Teknologi antibodi monoklonal menggunakan sel-sel sistem imunitas yang membuat protein yang disebut antibodi. Sistem kekebalan kita tersusun dari sejumlah tipe sel yang bekerja sama untuk melokalisir dan menghancurkan substansi yang dapat memasuki tubuh kita. Tipa tipe sel mempunyai tugas khusus. Beberapa dari sel tersebut dapat membedakan dari sel tubuh sendiri (self) dan sel-sel asing (non self). Salah satu dari sel tersebut adalah sel limfosit B yang mampu menanggapi masuknya substansi asing denngan spesivitas yang luar biasa.

Dengan mengetahui cara kerja anti bodi, kita dapat memanfaatkannya untuk keperluan deteksi, kuantitasi dan lokalisasi. Pengukuran dengan pendeteksian dengan menggunakan TAM relatif cepat, lebih akurat, dan lebih peka karena spesifitasnya tinggi.

TAM saat ini digunakan untuk deteksi kehamilan, alat diagnosis berbgai penyakit infeksi dan deteksi sel-sel kanker. Karena spesifitasnya yang tinggi maka TAM dapat digunakan untuk membunuh sel kanker tanpa mempengaruhi sel-sel yang sehat. Selain kegunaannya untuk mendiagnosis penyakit pada manusia, TAM juga banyak dipakai untuk mendeteksi penyakit-penyakit pada tanaman dan hewan, kontaminasi pangan dan polutan lingkungan.

2. Teknologi Bioproses

            Teknologi bioproses menggunakan sel-sel hidup atau komponen mekanisme biokimia untuk mensintesis, menguraikan atau membebaskan energi. Kebanyakan yang dipakai adalah sel organisme bersel tunggal seperti bakteri, archae bakteri dan khamir. Sedangkan komponen seluler yang sering dipakai adalah sekelompokmprotein yang disebut enzim.

a). Fermentasi. Teknologi bioproses yang paling kuno dan paling dikenal adalah fermentasi melalui mikroba. Pada mulanya produk fermentasi asal mikroba diperoleh dari serangkaian reaksi yang dikatalis enzim untuk menguraikan glikosa. Dalam proses penguraian glukosa untuk mendapatkan energi, mikroba melakukan reaksi sintesis senyawa sampingan yang dapat digunakan untuk keperluan manusia, seperti: karbondioksida untuk mengembangkan roti, etenol untuk produksi anggur dan bir, asam laktat untuk produksi yoghurt dan susu fermentasi lainnya, serta asam asetat untuk berbagai jenis cuka dan acar. Sekarang kita telah mengembangkan pemakaian mesin biokimia ini sampi diluar lintasan metabolisme penguraian glukosa. Kita telah memanfaatkan fermentasi asal mikroba untuk mensintesis berbagai macam produk lain termasuk anti biotik, asam amino, hormon, vitamin, pelarut-pelarut organik, pestisida, bahan-bahan pembantu proses pengolahan pangan, pigmen, enzim, inhibitor enzim dan berbagai bahan biofarmasi.

b). Biodegradasi. Mikroba dan enzim yang digunakan untuk menguraikan molekul-molekul organik dapat membantu kita untuk membersihkan atau memecahkan sejumlah masalah lingkungan tertentu seperti: tumpahan minyak, tempat-tempat pembuangan bahan toksik, dan residu pestisida. Pemanfaatan populasi mikroba untuk membersihkan polusi lingkungan disebut bioremediasi. Salah satu contoh adalah bioremediasi dalam pemakaian bakteri pemakan minyak untuk membersihkan tumpahan minyak Exxon Valdez di Prince William Sound, Alaska pada tahun 1989 dan tumpahan minyak di Irak setelah perang teluk 1991. Di masa mendatang kita dapat menggunakan limbah rumah tangga dan pertanian untuk memproduksi energi melalui bantuan mikroba. Berbagain jenis mikroba juga berperan untuk mencegah terjadinya ledakan penyakit, baik dalam bidang pertanian, perikanan, maupun peternakan. Pemakaian bakteri tertentu untuk biokondisioner sudah sangat dikenal di sektor pertambakan udang dan pertanian tanaman tertentu.

3. Teknologi Sel dan Kultur Jaringan

Teknologi sel dan kultur jaringan adalah teknologi yang memungkinkan kita menumbuhkan sel jaringan dalam nutrien sesuai di laboratorium.

            4. Kultur sel tanaman. Kulturr sel dan jaringan tanaman merupakan aspek yang sangat penting dalam bioteknologi tanaman. Teknologi ini berlandaskan pada kemampuan unik sel-sel atau jaringan tanam untuk menghasilkan tanaman multiseluler dari satu sel tunggal yang dapat berdiferensiasi (totipotensi). Rekayasa genetika tanaman biasanya dilakukan pada taraf satu sel tunggal. Jika satu sel daun direkayasa agar membawa sifat yang menguntungkan misalnya membawa sifat yang resisten terhadap serangga, maka sel tersebut harus dapat berkembang menjadi tanaman utuh sehingga dapat bermanfaat bagi petani.

            5. Kultur sel hewan. Sel dan jaringan tumbuahn bukan satu-satunya yang dipakai dalam bidang pertanian. Dengan menggunakan kultur sel insekta (serangga) untuk menumbuhkan virus-virus yang dapat menginfeksi serangga memungkinkan kita untuk memperluas pemakaian virus dan baculovirus sebagai agen biokontrol. Masyarakat medis menggunakan kultur sel untuk mempelajari aspek keamanan da efektivitas senyawa biofarmasi, mekanisme molekuler infeksi virus dan replikasinya, sifat toksisitas suatu senyawa serat dasar-dasar biokimia sel. Kombinasi antara kultur sel mamalia dan teknologi bioproses akan memberikan harapan untuk memproduksi senyawa seluler tertentu dalam jumlah besar. Studi lanjut dalam kultur sel mamalia saat ini memungkinkan para pakar untuk menumbuhkan berbagai jenis sel manusia yang pada akhirnya dapat digunakan untuk memproduksi suatu jaringan tertentu untuk mengganti suatu jaringan yang rusak atau hilang, misalnya karena penyakit atau kecelakaan.

6. Teknologi Biosensor

Teknologi biosensor merupaka gabungan antara biologi molekuler dan mikroelektronika. Suatu biosensor adalah suatu alat pendeteksi yang terdiri dari suatu substansi biologi ayng digandengkan dengan suatu transduser elektronika. Substansi bioogis dapat berupa mikroba, sel tunggal dari hewan multi seluler atau komponen seluler seperti enzim atau anti bodi. Biosensor memungkinkan kita untuk mengukur konsentrasi suatu senyawa yang hanya terdapat dalam konsentrasi yang sangat rendah.

Biosensor bekerja apabila senyawa kimia yang diukur konsentrasinya bertumbukan dengan detektor biologis, sehingga trasduser akan menghasilkan suatu arus listrik kecil. Besar kecilnya sinyal listrik ini sebanding dengan konsentrasi senyawa kimia yang terdapat di lingkungan tersebut.

Teknologi biosensor dapat digunakan dalam berbagai bidang, seperti pengukuran derajad kesegaran suatu bahan pangan, memonitor suatu proses industri, atau mendeteksi suatu senyawa yang terdapat dalam jumlah kecil di dalam darah.

7. Rekayasa Genetika

Rekayasa genetika yang seringkali sinonim dengan teknologi DNA rekombinan merupakan tulang punggung dan pemicu lahirnya bioteknologi molekuler. DNA rekombinan dikonstruksi dengan manggabungkan materi genetik dari dua atu lebih sumber yang berbeda atau melakukan perubahan secara terarah pada suatu materi genetik tertentu. Di alam, materi genetik melakukan rekombinasi secara konstan. Berikut ini merupakan beberapa contoh rekombinasi dari dua sumber atau lebih:

v   Rekombinasi saat pendah silang dalam pembentukan gamet pada proses meiosis

v   Saat sperma dan ovum melebur pada proses fertilisasi

v   Saat bakteri melakukan transaksi  bahan genetik melalui konjugasi transformasi atau trasduksi.

Gambar 31. Teknologi DNA Rekombinan pertama kali oleh Stanley Cohen dan Herbert Boyer. (1973)

Stanley Cohen (Stanford)        Herbert Boyer (UCSF)

Dalam tiap contoh rekombinasi tersebut dapat dimengerti bahwa rekombinasi merupakan salah satu cara untuk menungkatkan terjadinya keragaman hayati di alam. Materi genetik yang ada di alam menyajikan suatu bahan mentah evolusi yang dilakukan oleh seleksi alam atau seleksi buatan yang dilakukan oleh manusia.

8. Penggunaan variasi genetik dalam pemuliaan. Setelah manusia mampu melakukan domestikasi, maka mulailah terjadi pemuliaan secara selektif untuk mengubah bahan genetiknya sesuai dengan keinginan. Suatu individu tertentu dalam populasi, yang berarti suatu materi genetik tertentu, disukai oleh manusia dan dipakai sebagai induk untuk generasi-generasi berikutnya. Dengan menyeleksi sutu variasi genetik tertentu dari suatu populasi dan menyingkirkan variasi genetik lainnya, berarti kita sudah melakukan rekombinasi bahan genetik dengan terarah dan dengan tujuan khusus. Akibatnya, secara rfadikal kita telah mengubah bahan genetik organisme yang telah kita domestikasikan.

a). Variasi genetik melalui rekayasa genetika. Rekayasa genetika atau teknologi DNA dapat diartikan sebagi teknik molekuler yang tepat dan mampu menggabungkan molekul DNA tertentu dari sumber-sumber berbeda. Rekombinasi DNA dilakukan dengan menggunakan enzim (enzim retriksi dan enzim ligase) yang dapat melakukan pemotongan dan penyambungan DNA dengan tepat dan dapat diperkirakan. DNA rekombinan selanjutnya dimasukkan kedalam organisme sasaran melalui introduksi langsung (transformasi) melalui virus atau bakteri.

 b). Pemuliaan selektif vs rekayasa genatika. Pada dasarnya, rekayasa genetika dan pemuliaan selektif memiliki kesamaan, namun kedua teknik ini juga memiliki perbedaan penting.

Tabel 2. Perbedaan Antara Pemuliaan Selektif dan Rekayasa Genetika

Parameter	Pemuliaan Selektif	Rekayasa Genetika
Tingkat Ketepatan Kepastian Batasan taksonomi	Organisme utuh Sekumpulan gen Perubahan genetik sulit atau tidak mungkin dikarakterisasi Hanya dapat dipakai dalam satu spesies atau satu genus	Sel atau molekul Satu gen tunggal Perubahan bahan genetik dikarakterisasi dengan baik Tidak ada batasan taksonomi

            Dalam rekayasa genetika, kita memindahkan satu gen tunggal yang fungsinya sudah diketahui dengan jelas, sedangkan dengan pemuliaan selektif yang ditransfer adalah sekumpulan gen yang fungsinya tidak diketahui. Dengan meningkatkan ketepatan dan kepastian dalam manipulasi gen, maka risiko untuk menghasilkan organisme dengan sifat-sifat yang tidak diharapkan dapat diminimumkan.

            Dalam pemuliaan selektif, kita mengawinkan organisme dari satu spesies, dari spesies yang berbeda, dan kadang-kadang dari genus yang berbeda. Dalam rekayasa genetika sudah tidak ada lagi hambatan taksonomi.

9. Teknologi Rekayasa Protein

Teknologi rekayasa protein sering digunakan bersamaan dengan rekayasa genetiak untuk menungkatkan profil atau kinerja suatu protein, dan untuk mengkonstruksi protein baru yang secara alami tidak ada. Dengan teknologi rekayasa protein, kita dapat meningkatkan daya katalis suatu enzim sehingga dapat lebih produktif pada kondisi proses-proses inustri. Selain itu, kemajuan dalam rekayasa protein juga memungkinkan kita membuat enzim baru dengan dasar antibodi, yang disebut abzyme.