TOPIK 13: BIOTEKNOLOGI & HYDROPONICS 3/27/2010 Apa itu Bioteknologi? Bioteknologi berasal dari kata: Bios hidup; Teuchos alat; Logos ilmu Bioteknologi: Penggunaan organisme atau sistem hidup untuk memecahkan suatu masalah atau untuk menghasilkan produk yang berguna. Atau Seperangkat teknik yang memanfaatkan organisme hidup atau bagian dari organisme hidup, untuk menghasilkan atau memodifikasi produk, meningkatkan kemampuan tumbuhan dan hewan, mengembangkan mikroorganisme untuk penggunaan khusus yang berguna bagi kehidupan manusia. Sejarah Perkembangan Bioteknologi 1973 Boyer dan Cohen memaparkan teknologi DNA Tahun 1917 Perkembangan/Penemuan Karl Ereky memperkenalkan istilah bioteknologi rekombinan Kohler dan Milstein menjabarkan produksi antibodi monoklonal 1975 1943 Penisilin diproduksi dalam skala industri 1976 Perkembangan teknik-teknik untuk menentukan 1944 Avery, MacLeod, McCarty mendemonstrasikan sekuen DNA bahwa DNA adalah bahan genetik 1978 Genetech menghasilkan insulin manusia dalam 1955 Watson & Crick menentukan struktur DNA E.coli 1961 1961-1966 1970 1972 Jurnal Biotechnology and Bioengineering ditetapkan Seluruh sandi genetik terungkapkan Enzim restriksi endonuklease pertama kali diisolasi Khorana dan kawan-kawan berhasil mensintesa 1980 1981 US Supreme Court: Mikroorganisme hasil manipulasi dapat dipatenkan Untuk pertama kalinya automated DNA synthesizers dijual secara komersial Untuk pertama kalinya kit diagnostik berdasar antibodi disetujui untuk dipakai di Amerika Serikat secara kimiawi seluruh gen tRNA 1982 Untuk pertama 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 genetik sehingga rentan terhadap kanker (untuk penelitian tumor) Metode Polymerase Chain Reaction dipubliikasi USA: Telah disetujui percobaan Terapi gen sel somatik pada manusia Kloning hewan (domba Dolly) dari sel dewasa (sel kambing) Pro dan kontra tanaman transgenik di Indonesia. Kapas transgenik ditanam di Sulawesi Selatan Konstruksi monyet transgenik (ANDi) yang Teknik-teknik dalam Bioteknologi ☼ Fermentation ☼ Analisis Genetik ☼ Seleksi dan Pemuliaan ☼ Analisis DNA ☼ Kultur Sel dan Jaringan ☼ Rekayasa Genetik atau DNA Rekombinan 1983 1988 1990 1997 2000 2001 mengandung gen GFP dari sejenis ubur-ubur 1

Konseling genetik ◙ Terapi gen 3/27/2010 Fermentation Menggunakan mikroba untuk mengubah suatu senyawa seperti pati atau gula menjadi senyawa lain seperti etanol Digunakan pada: ☺ Bioteknologi klasik ☺ Industri farmasi ☺ Biopulping ☺ Bahan bakar ☺ Bioplastik Seleksi dan Pemuliaan Manipulasi mikroba, tanaman atau hewan dan pemilihan individu atau populasi yang diinginkan sebagai stok genetik untuk perbaikan generasi baru Dapat digunakan untuk:  Bioteknologi klasik (fermentasi)  Produksi bahan pangan  Bioplastik Analisis Genetik Mempelajari bagaiman sifat/karakter atau gene diwariskan dari generasi ke generasi dan bagaimana gen dan lingkungan berinteraksi untuk menghasilkan suatu sifat Dapat digunakan untuk:  Diagnosis  Pertanian  Bahan bakar Analisis DNA PCR (Polymerase chain reaction)  dapat membuat copy segmen DNA RFLP Mapping  mendeteksi keberadaan suatu gen pada DNA Diagnosis suatu penyakit Konseling genetik Terapi gen Kultur Sel dan Jaringan Rekayasa Genetika Menumbuhkan tanaman atau jaringan hewan atau sel secara steril di dalam tabung reaksi atau tabung gelas lainnya Dapat digunakan untuk: Trasfer segmen DNA dari suatu organisme ke DNA organisme lain. Kedua organisme tersebut dapat tidak saling berkerabat satu sama lain Perbanyakan tanaman Produksi tanaman transgenik Produksi bahan kimia Penelitian kedokteran Kapas Dapat digunakan untuk: ◙ Produksi bahan pangan ◙ Industri farmasi ◙ Konseling genetik ◙ Terapi gen Kedelai 2

dalam satu spesies taksonomi 3/27/2010 Bioteknologi Molekular Perbedaan antara pemuliaan selektif dan rekayasa genetika  Didorong oleh pengetahuan tentang biologi sel dan ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Parameter Pemuliaan Selektif Rekayasa Genetika n Tingkat Organisme utuh Sel atau molekul molekular  Memanipulasi suatu organisme pada taraf selular dan molekular (rekayasa genetika dan biologi molekular) n Ketepatan n Kepastian Sekumpulan gen Perubahan genetik sulit atau tidak Satu gen tunggal Perubahan bahan genetik dikarakterisasi  Hasil manipulasi dapat diprediksi dan diarahkan dengan ketepatan yang lebih tinggi  Dapat mengkonstruksi galur/varietas baru dengan bahan mungkin dikarakterisasi dengan baik genetik tambahan yang tidak pernah ada pada galur n Batasan taksonomi Hanya dapat dipakai Tidak ada batasan asalnya dalam satu spesies taksonomi atau satu genus ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Penggabungan antara teknologi DNA rekombinan dengan bioteknologi melahirkan suatu bidang studi yang sangat dinamis dan kompetitif yang disebut Bioteknologi Molekuler Industri bioteknologi molekuler adalah industri yang berbasis riset (research-based industry) Melibatkan berbagai disiplin ilmu. Bioteknologi dikembangkan dan disempurnakan oleh pakar-pakar mikrobiologi industri dan rekayasa kimia Pengembangan komponen teknologi DNA rekombinan sangat tergantung pada penemuan- penemuan dalam ilmu dasar seperti biologi molekuler, genetika, biokimia, dan mikrobiologi Pertanian – “GM Food”  Sel prokariot atau eukariot dapat digunakan sebagai “pabrik biologis”  Porduksi senyawa sekunder Kegunaan Bioteknologi bagi Kehidupan Manusia  Pertanian – “genetically modified-GM Food”  Bioteknologi kelautan dan akuakultur  Bioteknologi lingkungan  Manufaktur dan bioproses  Kedokteran  Industri obat-obatan  Terapi gen untuk penyakit genetik  “Human Embryonic Stem Cells” dan Kloning GM Food Bioteknologi dapat dimanfaatkan dalam: Bt Corn Peningkatan kualitas biji-bijian Peningkatan kadar protein Pembentukan tanaman resisten hama, penyakit, dan herbisida Pembentukan tanaman toleran kekeringan, tanah masam, suhu ektrem Pembentukan tanaman yang lebih bernilai nutrisi tinggi, seperti vit C, E dan -karoten n Genetically modified (GM) foods are foodstuffs produced from genetically modified organisms (GMO) that have had their genome altered through genetic engineering. GM Foods have been available since the 1990s. The most common modified foods are derived from plants: soybean, corn, canola and cotton seed oil and wheat. The process of producing a GMO used for GM Foods may involve taking DNA from one organism, modifying it in a laboratory, and then inserting it into the target organism's genome to produce new and useful traits or phenotypes. Such GMOs are generally referred to as transgenics. Other methods of producing a GMO include increasing or decreasing the number of copies of a gene already present in the target organism, silencing or removing a particular gene or modifying the position of a gene within the genome. 3

Bioteknologi Kelautan dan Akuakultur 3/27/2010 GM Food GM Food n Kedelai merupakan tanaman paling dominan mewakili tanaman GM (60%). Jenis tanaman GM lainnya antara lain jagung, kanola (rapeseed), tomat, kapas, kentang, padi, pepaya, kantalup, gula bit, chicory, dan gandum. Tanaman GM tersebut paling banyak menawarkan karakter baru tahan herbisida. Tak mengherankan bila perusahaan raksasa pestisida seperti Monsanto, Bayer, Aventis, berlomba-lomba memasarkan produk biotek semacam itu. Keuntungan mereka berlipat ganda karena kini mereka juga berkecimpung dalam pemasaran benih tanaman GM. n Karakter lain hasil modifikasi melalui biotek yang ditawarkan oleh tanaman GM adalah tahan hama atau penyakit, daya simpan buah lebih lama (tomat, kantalup), perbaikan kualitas minyak pada biji-bijian (kedelai, kanola). Bioteknologi Kelautan dan Akuakultur Rekayasa genetika pada hewan Bioteknologi dalam bidang kelautan/akuakultur dapat n Upaya perbanyakan bibit ternak pada saat ini dengan teknik kloning Dikenal 2 cara perkembangbiakan hewan dengan teknik kloning : aseksual dan seksual Kloning aseksual : sel telur dikeluarkan kemudian dimasukan sel somatis dari jaringan apa saja Kloning seksual : dilakukan dengan membelah embryo pada saat tertentu Bioteknologi Lingkungan Bioteknologi dapat dimanfaatkan untuk mengatasi isu lingkungan seperti: Restorasi ekologi Diagnosis dan monitoring penyakit menular Kontrol hama,penyakit dan gulma pada pertanian Deteksi, monitor dan remediasi polutan dimanfaatkan untuk memproduksi dan mengembangkan: Farmasi Enzim dan bahan-bahan biomolekul Biopestisida Peningkatan pertumbuhan, perkembangan, reproduksi dan nutrisi ikan Bioproses Bioteknologi dapat dimanfaatkan dalam bioproses melalui kegiatan-kegiatan: Produksi bioenergi: ethanol, methane, biodiesel Biokatalis, enzim, asam organik dan pelarut Produksi polimer Farmasi, flavor, essense Rekayasa metabolik Skreening toksisitas Konversi limbah ke energi 4

X 3/27/2010 5 Kekhawatiran terhadap tanaman transgenik. Kedokteran Industri obat-obatan Humulin – Insulin hasil rekayasa genetik Herceptin – antibodi monoklonal untuk mengobati kanker payudara Terapi gen untuk penyakit genetik Terapi penyakit genetik “cystic fibrosis” “Human Embryonic Stem Cells” dan Kloning Beberapa Isu Penting dalam Penerapan Biteknologi • Bioetik • Keamanan dan kekhawatiran • Paten dari organisme hasil rekayasa genetik • Penggunaan untuk terapi gen dan jaringan pada manusia • Tanggung jawab sosial dari sain dalam bisnis Dolly  domba hasil kloning Transplantasi organ Ketentuan tentang Pemanfaatan Produk Monarch larvae on Bioteknologi Butterfly weed Kep. Menteri Pertanian No. 856/Kpts/HK/330/9/1997, 2 September 1997 tentang ketentuan Keamanan X Hayati Produk Bioteknologi Pertanian Hasil Rekayasa Genetika : 1. 2. 3. 4. Hewan dan bahan asal hewan transgenik Ikan dan bahan asal ikan transgenik Tanaman transgenik dan bagiannya Jasad renik transgenik Kelompok konsidarasi dari badan international dunia Food and Agriculture Kekhawatiran terhadap tanaman transgenik. Organization (FAO) memberikan beberapa petunjuk dan rekomendasi mengenai bioteknologi dan keamanan pangan, yaitu : Peraturan mengenai keamanan pangan yang komprehensif dan diterapkan dengan baik untuk melindungi kesehatan konsumen dimana semua negara harus dapat menempatkan peraturan tersebut seimbang dengan perkembangan teknologi. Penilaian kesamaan untuk produk rekayasa genetika hendaknya berdasarkan konsep substansial equivalen. 1. 2. 1. 2. 3. Kemungkinan menimbulkan keracunan. Kemungkinan menimbulkan alergi Kemungkinan menyebabkan bakteri dalam tubuh manusia dan tahan antibiotik. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Pemindahan gen dari pangan yang menyebabkan alergi hendaknya dihindari kecuali telah terbukti bahwa gen yang dipindahkan tidak menunjukkan alergi. Pemindahan gen dari bahan pangan yang mengandung alergen ke organisme lain tidak boleh dikomersialkan. Senyawa alergen pangan dan sifat dari alergen yang menetapkan immuno genicity dianjurkan untuk diidentifikasi. FAO akan mengadakan lokakarya untuk membahas dan memutuskan bilamana ada beberapa gen marka ketahanan antibiotik yang harus dihindarkan dari tanaman pangan komersial. Perlu ada pangkalan data (data base) tentang pangan dari tanaman, mikroorganisme pangan, dan pakan. Validasi metoda sangat diperlukan Negara berkembang harus dibantu dalam pendidikan dan pelatihan tentang keamanan pangan dan komponen pangan yang ditimbulkan oleh modifikasi genetik Perlu ditingkatkan riset untuk pengembangan metode untuk meningkatkan kemampuan dalam melakukan penilaian keamanan pangan untuk produk rekayasa genetik. 5

BERTANI SECARA HYDROPONICS 3/27/2010 BERTANI SECARA HYDROPONICS  HYDROPONICS : Pengetahuan tentang cara bertani/bercocok tanam tumbuhan dlm medium bukan tanah dan menggunakan air sbg hara dan sbg medium pembawa campuran hara lain yg diperlukan utk pertumbuhan tanaman secara optimal Teknologi Hidroponik Sistem Terapung  HYDROPONICS HYDRO (air) + PONOS (kerja)  Dicetuskan oleh Dr. W. F. Gericke (1930) Pakchoy Selada SEJARAH SINGKAT  Hydroponics : konsep baru budidaya tanaman  Konsep awal : zat apa pembentuk tumbuhan dan apa yg membuat tanaman tumbuh  John Woodward (1699) : tumbuhan perlu air dan zat hara utk tumbuh  Sachs (1860) & Knop (1861-5) dr Jerman membuat campuran larutan hara esensial tanaman sintetik dlm air hydroponics Unsur hara yg di(+)kan : N, P, S, Ca, Mg, K, Fe  Penelitian lanjutan : Tollens (1882), Tottingham (1914), Shive (1915), Hoagland (1919), Trelease (1933), Arnon (1938), tentang berbagai formula, kondisi pertumbuhan, zat hara Keuntungan hydroponics : - Tidak perlu pemupukan - Tidak perlu pengolahan tanah - Tidak perlu rotasi tanaman - Hasil seragam - Bersih - Hasil tinggi - Tenaga kerja sedikit (efisien) - Lebih mudah dalam pemeliharaan - Lebih mudah dalam mengganti tanaman baru bila diperlukan - Dapat merupakan tempat dan cara utk memperbaiki mutu tanaman  Cara hydroponics banyak dipergunakan utk memproduksi bunga-bungaan, seperti ‘carnation’, ‘gladioli’, ‘chrysantemum’  Hydroponics bunga-bungaan diusahakan oleh Amerika Serikat, Itali, Spanyol, Perancis, Inggris, Jerman, Swedia  Hydroponic sayuran diusahakan di Jepang, Teluk Arabia, Israel, Indonesia TYPE HYDROPONICS 1. Kultur Air (water culture) : ‘true hydroponics’ (Dr. Gericke) 2. Kultur tanpa tanah (soilless culture) atau Kultur Agregat (aggregate culture) : menggunakan medium padat utk tempat tumbuh tanaman. a. Kultur Pasir (sand culture) atau Vermiculite culture b. Kultur kerikil (gravel culture) – sub irrigation Dikemukakan oleh Dr. A J Cooper dkk di Glasshouse Crops Research Institute, Inggris tahun 1960-an 6

Static Aerated Technique (SAT) 3/27/2010 Teknik Hidroponik Nutrient film technique (NFT) n Nutrient Film Technique Static Aerated Technique Ebb and Flow Technique Deep Flow Technique Aerated Flow Technique metode budidaya yang akar tanamannya berada di lapisan air dangkal tersirkulasi yang mengandung nutrisi sesuai kebutuhan tanaman. Perakaran bisa jadi berkembang di dalam larutan nutrisi dan sebagian lainnya di atas pennukaan larutan. Aliran larutan sangat dangkal, jadi bagian atas perakaran berkembang di atas air yang meskipun lembab tetap berada di udara. Di sekeliling perakaran itu terdapat selapis larutan nutrisi. Dari sinilah muncul istilah nutrient film tech-nique (NFT). Ebb and Flow Technique (EFT) Static Aerated Technique (SAT) Sistem ini sering disebut juga sebagai sistem pasif, karena tidak menggunakan tenaga dari sumber energi luar untuk menyalurkan air ke daerah perakaran tanaman. Tanaman tumbuh di atas suatu kedalaman larutan nutrisi yang tidak bergerak (statis). Kebutuhan tanaman akan oksigen diberikan dengan menyediakan ruang udara disekitar tanaman atau dengan menggunakan pompa udara. Ini adalah metode dasar hidroponik kultur air. n Pada teknik ebb (air surut) dan flow, tanaman dialiri larutan nutrisi dengan cara penggenangan secara berkala untuk kemudian genangan larutan nutrisi tersebut dialirkan kembali ke tanki/bak penampungan larutan nutrisi. Langkah tersebut dilakukan berulang kali dalam sehari, berkisar 3 – 4 kali sehari, untuk memberikan kesempatan akar bernapas/menyerap oksigen. Frekuensi penggenangan/penyiraman tergantung dari jenis dan umur tanaman, jenis media tanam serta faktor lingkungan seperti suhu dan kelembaban udara. n Teknik hidroponik ini cocok digunakan pada budidaya tanaman dalam pot yang dilakukan secara massal. Pot-pot tanaman diletakkan dalam sebuah rak penanaman yang mampu menampung pot dalam jumlah banyak sehingga dapat menghemat waktu penyiraman, jika dibandingkan harus menyiram satu per satu pot tanaman. Deep Flow Technique (DFT) Pada metode ini, larutan nutrisi yang memiliki kedalaman, berkisar 4 – 6 cm, disirkulasikan melewati daerah perakaran menggunakan pompa air maupun dengan memanfaatkan gaya gravitasi. Teknik hidroponik ini cocok untuk budidaya tanaman sayuran daun maupun buah. Ebb and Flow Technique (EFT) 7

Fast growing 90 3/27/2010 Aerated Flow Technique (AFT) Advantages of Hydroponics Aerated Flow Technique (AFT) Merupakan modifikasi system DFT, larutan nutrisi diperkaya n Grown in anywhere dengan oksigen dengan menggunakan pompa udara atau dengan teknik tertentu seperti The Japanese Kyowa Hyponica Technique. n Less labor is required Nutrients and moisture are fully accessible www.biocontrols.com n Fast growing Healthy plant Controlled quality and quantity Advantages of Hydroponics Advantages of Hydroponics n Digging soil? n Weed control ? Not necessary!! Advantages of Hydroponics www.biocontrols.com Not necessary!!  Less labour required than soil culture!! SUSUNAN LARUTAN HARA+AIR Unsur Minimum (ppm) Maksimum Optimum Nitrogen (N) Fosfor (P) Kalium (K) Kalsium (Ca) Magnesium (Mg) Besi (Fe) Mangan (Mn) Tembaga (Cu) Boron (B) Seng (Zn) Molibdenum (Mo) 90 30 200 120 40 2.0 0.1 0.01 0.02 400 240 60 5.0 1.0 0.2 140 300 150 50 4.0 0.5 0.05 Yudi,2003 Nutrients and water are fully accessible 8

3/27/2010 KOMERSIAL BEBERAPA SUSUNAN LARUTAN HYDROPONICS Formula 1 Formula 3. Musim Dingin USA Formula 2. Musim Panas USA Formula 4. Inggris Senyawa Gr/100 lt Kalium nitrat Kalium sulfat gypsum) Magnesium sulfat Monokalsium fosfat Amonium sulfat 110 76 52 31 14 Unsur Ppm N P K Ca Mg 180 63 410 220 50 Senyawa Gr/100 lt Kalium nitrat Kalsium nitrat Monokalium fosfat Magnesium sulfat 20 80 Unsur Ppm N P K Ca Mg 125 45 136 20 Senyawa Gr/100 lt Kalium nitrat Kalium sulfat Kalsium sulfat Magnesium sulfat Monokalsium fosfat Amonium sulfat 55 50 76 52 31 14 Senyawa Gr/100 lt Kalium nitrat Natrium nitrat Amonium sulfat Monokalsium fosfat Magnesium sulfat Kalsium sulfat 55 64 12 44 52 86 Unsur Ppm N P K Ca Mg 104 63 410 220 50 Unsur Ppm N P K Ca Mg 200 88 270 50 Formula 5. Musim Panas Afrika Selatan 9 Senyawa Gr/100 lt Kalsium nitrat Magnesium sulfat Monokalsium fosfat Amonium sulfat Kalium Sulfat 135 55 47 19 75 Unsur Ppm N P K Ca Mg 200 94 330 305 50