BIOTEKNOLOGI

Bioteknologi adalah pemanfaatan prinsip – prinsip dan rekayasa terhadap organisme, sistem, atau proses biologis untuk mengahsilkan atau meningkatkan potensi organisme maupun mengahsilkan produk dan jasa bagi kepentingan hidup manusia. Ilmu – ilmu yang digunakan dalam bioteknologi adalah mikrobiologi, biologi sel, genetika dan biokimia.

Mikrobiologi merupakan cabang biologi yang mempelajari mikroba atau jasad renik. Mikroba berupa bakteri, misalnya bakteri dapat digolongkan sebagai psikrofil (suhu 0oC – 30oC), mesofil (suhu 25oC – 40oC), dan termofil (suhu 50oC atau lebih). Contohnya untuk pembuatan yoghurt dengan menggunakan bakteri Lactobacillus bulgaricus, pada suhu 40oC selama 2,5 jam sampai 3,5 jam.

Biologi sel merupakan cabang biologi yang mempelajari sel. Pengetahuan mengenai sifat protoplasma suatu sel yang dapat berfusi atau bergabung dengan protoplasma sel lain pada spesies yang sama, bermanfaat bagi aplikasi fusi sel di bidang pemuliaan tanaman. Contoh tanamannya, tanaman kedelai dengan jagung serta tanaman kedelai dengan kacang kapri. Bisa juga sebagai pengetahuan mengenai sifat totipotensi untuk kultur jaringan, kamampuan sel – sel tanaman muda dan hidup untuk berdiferensiasi menjadi berbagai organ tanaman yang baru.

Genetika merupakan cabang biologi yang mempelajari warisan sifat – sifat genetik makhluk hidup dari satu generasi ke generasi berikutnya. DNA akan membantu percepatan kemajuan bioteknologi. Penemuan tanaman tomat yang tidak mudah rusak atau busuk, insulin manusia yang sintesis dari bakteri Escherichia coli.

Biokimia merupakan cabang ilmu kimia yang mempelajari makhluk hidup dari aspek kimia. Biokimia menggap semua yang terjadi pada kehidupan adalah kimia.

PERKEMBANGAN BIOTEKNOLOGI

Louis Pasteur dianggap sebagai bapak bioteknologi. Karena bukti penelitian adanya mikroorganisme yang melakukan fermentasi yang didapat dari hasil penelitiannya.

Berbagai teknik yang mendorong perkembangan bioteknologi

· Manipulasi DNA rekombinan

· Kultur in vitro

· Penggabungan protoplasma

· Pembuatan antibodi monoklonal

· Modifikasi struktur protein

· Imobilisasi enzim dan sel katalis

· Penginderaan dengan bantuan biologi molekul

· Menghubungkan komputer dengan reaktor

· Rancang bangun reaktor biokatalis baru

BIOTEKNOLOGI KONVENSIONAL (TRADISIONAL)

Bioteknologi tradisional adalah bioteknologi yang memanfaatkan mikroba, proses biokimia, dan proses genetik ternak dan tanaman panen, pembuatan alkohol, minuman keras dan minuman anggur telah dikenal di masyarakat tradisional.

PANGAN

· Tempe – jamur Rhizopus

· Oncom – jamur Neurospora ditophila

· Tapai ketan – Saccharomyces cereviceae

· Kecap – jamur aspergillus

PERTANIAN

· Hidroponik – cara bercocok tanam tanpa menggunakan tanah sebagai tempat menanam tanaman

· Suatu tanaman jenis mustard alami yang diseleksi oleh manusia menghasilkan tanaman brokoli, kubis, kembang kol, dan lain – lain.

PETERNAKAN

· Domba ankon – domba berkaki pendek dan bengkok, hasil mutasi alami.

· Sapi Jersey – diseleksi oleh manusia agar menghasilkan susu dengan kandugan krim lebih banyak

KESEHATAN DAN PENGOBATAN

· Antibiotik – digunakan untuk pengobatan, diidolasi dari bakteri dan jamur

· Vaksin – mikroorganisme atau bagian mikroorganisme yang toksinnya telah dimatikan, bermanfaat untuk meningkatkan imunitas

BIOTEKNOLOGI MODERN

Bioteknologi modern adalah bioteknologi yang berdasarkan pada manipulasi atau rekayasa DNA, selain memanfaatkan dasar mikrobiologi dan biokimia.

PANGAN

· Buah tomat – hasil amipulasi genetik sehingga tahan lama, tidak cepat matang dan membusuk

· Kentang – mengalami mutasi genetik sehingga kadarpati kentang meningkat 20% dari kentan biasa

PERTANIAN

· Tanaman kedelai Tengger dan kedelai hijau Camar – berumur pendek dengan produktivitas tinggi, diperoleh dari radiasi seleksi biji – biji kedelai

· Tanaman jagung dan kapas – resisten terhadap serangan penyakit gen tertentu setelah gennya di manipulasi

PETERNAKAN

· Pembelahan embrio secara fisik – menghasilkan kembar identik pada domba, sapi, babi, kuda

· Ternak unggul – hasil manipulasi genetik, contoh unggul pada daging dan susunya

KESEHATAN DAN PENGOBATAN

· Hormon pertumbuhan somatotropin yang dihasilkan oleh Escherichia coli

· Manipulasi produksi vaksi – menggunakan E. Coli agar lebih efisien

BIOTEKNOLOGI DENGAN MENGGUNAKAN MIKROORGANISME

Bioteknologi umumnya menggunakan mikroorganisme seperti bakteri, khamir, dan kapang, dengan alasan:

· Pertumbuhannya cepat

· Sel – selnya memiliki kandungan protein yang tinggi

· Dapat menggunakan produk – produk sisa sebagai substratnya

· Menghasilkan produk yang tidak toksik

· Sebagai organisme hidup

Bioteknologi yang menggunakan mikroorganisme, penemuan dan penyelesaian masalah pangan, obat – obatan, pembasmian hama tanaman, pencemaran, dan pemisahan logam dari bijih logam.

MIKROORGANISME PENGUBAH DAN PENGHASIL MAKANAN ATAU MINUMAN

Mikroorganisme dapat mengubah nilai gizi makanan atau minuman dalam proses fermentasi, perubahan enzimatik secara anaerob dari senyawa organik yang lebih sederhana. Mikroorganisme pada fermentasi menyebabkan perubahan senyawa – senyawa kompleks pada makanan atau minuman menjadi senyawa yang lebih sederhana dan peningkatan cita rasa dan aroma makanan atau minuman.

Mikroorganisme dapat dijadikan langsung sebagai sum

MIKROORGANISME PENGUBAH DAN PENGHASIL MAKANAN ATAU MINUMAN

Mikroorganisme dapat mengubah nilai gizi makanan atau minuman dalam proses fermentasi, perubahan enzimatik secara anaerob dari senyawa organik yang lebih sederhana. Mikroorganisme pada fermentasi menyebabkan perubahan senyawa – senyawa kompleks pada makanan atau minuman menjadi senyawa yang lebih sederhana dan peningkatan cita rasa dan aroma makanan atau minuman.

Mikroorganisme dapat dijadikan langsung sebagai sumber makanan, karena:

1. Massa mikroorganisme dapat tumbuh menjadi dua kali lipat dalam waktu satu jam, sedangkan massa tumbuhan atau hewan memerlukan waktu berminggu – minggu

2. Massa mikroba minimal mengandung 40% protein serta memiliki kandungan vitamin dan mineral tinggi

MIKROORGANISME PENGHASIL OBAT

Antibiotik

Antibiotik = senyawa yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme untuk menghambat pertumbuhan mikroorganisme lain.

Penisilin – diproduksi secara komersial dicampurkan dengan berbagai senyawa, namun komponen utama berupa penisilin

Sefalosporin – dihasilkan oleh jamur Cephalosporium yang ditemukan pada tahun 1948

Tetrasiklin – dihasilkan oleh bakteri Streptomycin aureofaciens

Eritromisin – memiliki kisaran yang sama dengan penisilin.

Toksisitas selektif pada antiobiotik dapat membunuh atau menghambat pertumbuhan bakteri, namun tidak menyebabkan kerusakan pada sel – sel inang atau sel – sel tubuh manusia.

Vaksin

Vaksin = mikroorganisme atau bagian mikroorganisme yang telah dilemahkan.

Mikroorganisme yang telah mati – digunakan unutk mengahsilkan vaksin batuk rejan dari bakteri penyebab batuk rejan.

Mikroorganisme yang telah dilemahkan – caksin yang dihasilkan dari mikroorganisme yang sudah dilemahkan (vaksin atenuasi)

Suatu substansi mikroorganisme yang tidak menyebabkan penyakit – vaksin diferti dan tetanus yang dihasilkan dari susbtansi toksin (toksoid) yang sudah tidak berbahaya dari bakteri. Toksoid bertujuan untuk merangsang produksi antibodi.

MIKROORGANISME PEMBASMI HAMA TANAMAN

Mikroorganisme di alam dapat dijadikan sebagai agen pengendali hayati, yaitu pengendalian terhadap hama dengan menggunakan musuh alami. Misalnya pengendalian hama serangga pada tanaman pertanian dengan menggunakan bakteri pantogen serangga, yaitu Bacillus thuringiensis (Bt).

Beberapa Bt yang tersedia secara komersial dengan hama targetnya:

· Bt varietas tenebrionis – menyerang kumbang kentang colorado dan larva kumbag daun

· Bt varietas kurstaki – menyerang berbagai jenis ulat tanaman pertanian

· Bt varietas israelensis – menyerang nyamuk dan lalat hitam

· Bt varietas aizawai – menyerang larva ngengat dan berbagai ulat, terutama ulat ngengat diamondback

MIKROORGANISME PENGOLAH LIMBAH

Pemrosesan limbah secara aerob terdiri dari dua metode pengolohan, prose yang menggunakan lumpur aktif dan proses yang menggunakan saringan tetes.

Pengolahan dengan lumpur aktif = pengolahan limbah cair dengan membiakkan bakteri aerobik dalam suatu tangki limbah yang diberi aerasi dengan tujuan untuk menurunkan bahan organik yang mengandung karbon atau nitrogen dalam limbah. Bakteri yang berperan adalah bakteri heterotrof.

Pengolahan dengan saringan tetes = pengolahan limbah cair dengan memanfaatkan teknologi biofilm. Biofilm = lapisan mikroorganisme yang menutupi hamparan saringan atau filter pada dasar tangki limbah.

Penguraian lumpur = proses penguraian bahan padat yang terakumulasi deri pemrosesan aerob atau dari endapan perlakuan fisiksebelumnya. Lumpur tersebut dibiarkan selama dua hingga tiga minggu di dalam suatu tangki yang tidak mengandung oksigen, pada suhu sekitar 30oC – 40oC.

MIKROORGANISME PEMISAH LOGAM DARI BIJIH LOGAM

Peranan mikroorganisme di dalam proses ekstrasi logam dari bijihnya akan menjadi semakin penting karena alasan – alasan berikut:

· Deposit – deposit mineral yang lebih kaya sudah banyak berkurang.

· Metode pengolahan bijih secara tradisional yaitu denganpeleburan, merupakan penyebab utama polusi udara dan kini banyak ditentang oleh kelompok pencinta lingkungan.

Mikroorganisme mampu memperbaiki kedua keadaan ini. Misalnya, beberapa bakteri aerobik autotrofik, Thiobacillus oxidans dan T. Ferroxidans bila ditumbuhkan dalam lingkungan yang mengandung bijih tembaga akan menghasilkan asam dan mengoksidasi bijih tersebut disertai pemisahan logam tembaganya. Proses ini disebut pencucian mikrobial.

BIOTEKNOLOGI DENGAN MENGGUNAKAN KULTUR JARINGAN TUMBUHAN

Kultur jaringan merupakan salah satu teknik klona (kloning) tumbuhan. Suatu klon tumbuhan merupakan populasi tumbuhan yang diproduksi secara secara aseksual dari satu nenek moyang. Klona menghasilkan sejumlah besar tumbuhan yang identik secara genetic. Klon tersebut ditumbuhkan dengan kultur jaringan pada kondisi steril dengan menggunakan konsentrasi nutrient serta hormon. Dengan kultur jaringan, tumbuhan utuh dapat dihasilkan dari bagian akar, batang, atau daun yang disebut eksplan

Berikut merupakan proses dalam kultur jaringan tumbuhan

BIOTEKNOLOGI DENGAN MENGGUNAKAN REKAYASA GENETIK

Rekayasa genetik atau DNA rekombinan atau pencangkokan gen adalah suatu kumpulan teknik-teknik eksperimental yang memungkinkan peneliti untuk mengisolaso, mengidentifikasi, dan melipatgandakan suatu fragmen DNA dalam bentuk murninya. Manipulasi-manipulasi tersebut dilakukan secara in vitro dengan menggunakan material-material biologi.

I. Tahapan Dasar Rekayasa Genetik

Rekayasa genetic dimulai kira-kira 50 tahun lalu oleh Dr. Paul Berg dari Stanford University di California, USA, dan usaha sekelompok penyelidik lainnya, yaitu Dr. Stanley Cohen dan Dr. Annie Chang dari Stanford University, serta Dr. Herbert Boyer dan Dr. Robert Helling dari University of California di San Fransisco.

Mereka menemukan bahwa bahan-bahan kimia tertentu yang disebut enzim restriksi endonuklease mampu berfungsi sebagai “gunting molekuler”, yaitu dapat mengenal dan kemudian memotong secara kimiawi tempat-tempat khusus di sepanjang sebuah molekul DNA. Penemuan penting lainnya adalah bahwa suatu enzim yang disebut ligase, dapat menggabungkan potongan DNA yang digunting dari suatu gen dengan potongan DNA gen lain dari makhluk yang tidak berkaitan. Hibrid yang terbentuk dengan cara ini disebut DNA rekombinan.

Para ahli genetika kini dapat membongkar sel-sel bakteri, virus, hewan, dan tanaman guna mengambil DNA-nya dan memasukkannya ke dalam makhluk lain. Namun pekerjaan tersebut bukanlah sekedar memotong dan menempel. Sebuah gen harus diangkut oleh suatu materi genetic khusus yang disebut vector. Salah satu jenis vector yang bermanfaat adalah plasmid. Plasmidadalah molekul DNA sirkuler kecil yang terdapat di luar kromosom sel bakteri.

Sebuah plasmid berasal dari bakteri. Untaian DNA plasmid yang sirkuler dipotong dengan enzim restriksi, kemudian fragmen DNA baru disisipkan ke dalamnya, dan plasmid dikemalikan ke bakteri. Selanjutnya setiap kali bakteri tersebut membelah diri menjadi dua, plasmid rekombinan tersebut juga membelah diri. Oleh karenanya, DNA rekombinan terus membuat klon DNA dari dirinya.

MANFAAT REKAYASA GENETIK

Rekayasa genetic sangat bermanfaat pada berbagai bidan kehidupan manusia. Misalnya bidang kedokteran dan farmasi, peternakan dan pertanian, serta perindustrian.

Manfaat rekayasa genetik di bidang kedokteran dan farmasi

Pembuatan insulin manusia oleh bakteri

Dengan teknik rekayasa genetic para peneliti berhasil memanipulasi bakteri untuk membentuk insulin yang mirip dengan insulin manusia. Melalui penelitian dapat dibuktikan pula bahwa salinan insulin manusia lebih baik daripada insulin hewani dan dapat diterima lebih baik oleh tubuh manusia. Biaya pembuatan insulin inipun menjadi jauh lebih murah.

Terapi gen manusia

Setiap kelainan genetic yang disebabkan alel tunggal yang rusak, secara teoritis mungkin untuk diganti dengan alel yang masih berfungsi normal menggunakan teknik DNA rekombinan. Alel baru tersebut dapat disisipkan ke dalam sel somatic jaringan yang dipengaruhi kelainan dalam diri pasien atau bahkan mungkin juga ke dalam sel germinal atau sel embrionik.

Agar terapi gen sel somatic bersifat permanen, sel yang menerima alel normal harus senantiasa memperbanyak diri di sepanjang hidup si pasien, sehingga alel pencangkokan akan bereplikasi dan terus diekspresikan. Dari percobaan terapi gen yang sedang dilakukan pada manusia, terapi yang paling menjanjikan adalaj terapi yang melibatkan sel sumsum tulang.

Antibodi monoklonal 

Antibodi merupakan protein yang dihasilkan oleh sistem imunitas vertebrata sebagai sistem pertahanan untuk melawan infeksi. Antibodi dapat dihasilkan dengan menyuntikkan bebearpa kali suatu sampel yang berisi antigen ke dalam seekor hewan kelinci atau kambing. Kemudian serum darah hewan tersebut diambil karena banyak mengandung antibody (antiserum). Antiserum tersebut mengandung campuran antibody yang dihasilkan oleh limfosit-B

Sel-sel limfosit B yang memiliki rentang waktu hidup yang terbatas dapat diatasi dengan menggabungkan sel-sel tumor limfosit-B yang menghasilkan satu jenis antibody dari tikus atau mencit yang telah diimunisasi dengan sel-sel tumor limfosit-B yang ‘kekal’. Berdasarkan campuran heterogen sel-sel hybrid tersebut, dapat dihasilkan hybrid yang memiliki kemampuan untuk menghasilkan antibody tertentu dan kemampuan memperbanyak kultur sel tertentu dengan tak terhingga.

Manfaat rekayasa genetik di bidang peternakan dan pertanian

Organisme transgenik

Bakteri bukan satu-satunya organisme yang dapat dimodifikasi dengan teknik klona atau transfer gen. Rekayasa genetic juga dapat mentransfer gen-gen tertentu ke tumbuhan berbunga, jamur, dan mamalia yang mengakibatkan perubahan genotip organisme atau disebut organisme transgenik.

1) Transfer gen pada hewan

Contoh transfer gen pada hewan adalah domba Tracey. Tracey merupakan domba betina yang sehat dan normal, namun DNA-nya telah disisipi oleh gen manusia. Gen manusia tersebut mengkode produksi protein alfa-1-antitripsin (ATT). Protein ATT ini disekresi oleh oleh Tracey pada air susunya. Protein ATT sangat berharga karena berkhasiat untuk mengobati penyakit paru-paru pada manusia, misalnya fibrosis sistik dam emfisema.

Gen manusia dapat masuk ke dalam tubuh Tracey dengan cara sebagai berikut. Pertama-tama gen manusia yang mengkode ATT diisolasi dan diklon. Gen ini kemudian diinjeksikan ke dalam sel telur yang telah dibuahi sperma dan diadopsi oleh satu kromosom. Sel telur yang telah dibuahi akan membelah secara mitosis menghasilkan sel-sel yang masing-masing mengandung gen ATT. Bila  terbentuk embrio pada tahap awal kemudian embrio ini ditanamkan ke rahim betina domba dewasa yang menjadi induk pengasuhnya. Embrio berkembang kemudian domba Tracey lahir.

2) Klona embrio

Tahapan teknik klona embrio pada hewan ternak misalnya sapi, adalah sebagai berikut. Pertama, sel telur yang diambil dari sapi betina dibuahi dengan sperma dari sapi jantan terbaik. Pembuahan dilakukan di dalam cawan petri. Pembuahan ini disebut sebagai fertilisasi in-vitro. Sel telur yang telah dibuahi akan membentuk kumpulan sel-sel. Pada tahapan ini embrio muda tersebut dipisahkan menjadi beberapa bagian. Setiap bagian embrio merupakan klon yang secara genetic identik. Embrio-embrio tersebut kemudian ditanamkan pada rahim sapi-sapi betina dewasa lainnya. Embrio-embrio akan tumbuh menjadi anak-anak sapi yang siap dilahirkan dengan sifat yang sama seperti induknya.

3) Klona dengan transfer inti

Teknik klona dengan transfer inti adalah klon-klon dihasilkan dari suatu individu. Prinsip klona dengan transfer inti adalah dengan memasukkan donor DNA dari hewan yang karakternya diinginkan ke dalam sel telur hewan yang intinya (DNA-nya) telah dihilangkan. Setelah terbentuk embrio lalu embrio ditanamkan ke rahim induk hewan yang akan membesarkannya.

Contoh klona dengan transfer inti adalah domb Dolly. Dolly merupakan domba hasil klon yang dilakukan oleh ilmuwan dari SKotlandia yang dipimpin oleh Ian Wilmot. Wilmot dan timnya merusak nukelus satu sel telur, kemudian dimasuki nucleus donor yang diambil dari sel-sel kelenjar susu seekor domba dewasa. Sel telur dengan nukelus dari donor memiliki materi genetic yang sama persis dengan induk yang mendonorkan nukelusnya. Kemudian sel tersebut distimulasi agar membelah menjadi kumpulan sel-sel(blastomer) yang ditanam ke dalam rahim seekor domba betina dewasa sebagai induk pengganti.

Tanaman hasil rekasaya genetik

Gen-gen asing dapat disisipkan ke dalam sel-sel tanaman dengan cara yang cukup alami. Agrobacterium tumefaciensmerupakan bakteri tanah penyebab infeksi tumor crown gall pada beberapa tanaman ini. Bakteri ini menyerang tanaman yang luka dan menyebabkan sel-sel tanaman memperbanyak diri hingga membentuk tumor.

Hal ini dapat terjadi karena Agrobacterium mampu menyisipkan plasmidnya sendiri (plasmid Ti) ke dalam kromosom tanaman. Plasmid gen bakteri ini bergabung dengan DNA tanaman dan menstimulasi pertumbuhan tumor. Ahli-ahli genetika tanaman telah berhasil menggantikan gen yang membentuk tumor pada plasmid dengan gen-gen yang berguna bagi manusia. Oleh karenanya, dalam hal ini Agrobacterium berfungsi sebagai vector.

Tanaman transgenic direkayasa dengan menggunakan Agrobacterium tumafaciens untuk memperoleh sifat sebagai berikut.

1) Menunda pematangan buah

2) Resistensi terhadap pestisida dan herbidida, mensintesis protein Kristal insektisidal (ICP) yang dapat membuat hama berhenti makan dan mati

3) Resistensi terhadap kondisi lingkungan, transfer gen dapat menghasilkan tanaman yang tahan kering karena memiliki lapisan kutikula yang lebih tebal sehingga tumbuh baik di daerah kering.

PENANGGULANGAN DAMPAK NEGATIF BIOTEKNOLOGI

Bioteknologi telah menghasilkan produk-produk yang bermanfaat untuk meningkatkan kesejahteraan masyarakat. Namun, perlu juga diperhatikan dampak negatif dari perkembangan bioteknologi tersebut. Beberapa dampak negatif yang mungkin timbul akibat dari perkembangan bioteknologi dinataranya sebagai berikut.

Alergi

Gen asing yang disisipkan pada organisme yang menjadi makanan manusia dapat menyebabkan alergi terhadap individu tertentu. Untuk mencegahnya, perlu dilakukan pengujian dalam jangka waktu yang lama untuk memastikan ada tidaknya efek negatif tersebut terhadap konsumen. Selain itu, produk yang mengandung organism hasil rekayasa bioteknologi harus diberi label dengan jelas guna memberi informasi kepada konsumen mengenai produk yang dikonsumsi.

Hilangnya plasma nutfah

Kepunahan plasma nutfah dapat diatasi dengan melakukan pemeliharaan berbagai jenis hewan dan tumbuhan di suatu situs konservasi tertentu.

Rusaknya ekosistem

Gangguan terhadap kondisi normal lingkungan dapat menyebabkan rusaknya ekosistem. Tanaman kapas Bt selain menyebabkan matinya hama ulat yang memakannya, juga diduga menyebabkan larva kupu-kupu lain ikut mati.