(GENETIK ENGINEERING) REKAYASA GENETIK (GENETIK ENGINEERING)
TEKNIK REKAYASA GENETIK TEKNOLOGI RECOMBINAN DNA Pembuatan kombinasi baru dari bahan genetik melalui peniruan (copying) secara artificial dari sepotong DNA dari suatu organisme (donor) dan penggabungan (recombining) copy tersebut dengan DNA organisme lain (Inang, host)
VEKTOR DNA vektor digunakan untuk memindahkan DNA dari satu sel ke sel lainnya. Vector yang umum digunakan adalah PLASMIDS. Plasmids adalah cincin kecil dari DNA dimiliki oleh beberapa bakteri. Plasmid ini agak terpisah dari DNA utama bakteri. Mereka dapat berlipat ganda secara independent dan dapat berpindah dari satu sel bakteri ke lainnya, dan bahkan dari sel bakteri ke sel tanaman. Proses ini terjadi secara alami dan dapat dijuga secara buatan. Virus-virus juga dapat bertindak sebagai vektor yang dikenal sebagai LAMBDA.
Virus dan non biological DNA vector Plasmid hanya dapat membawa relatif sequence DNA yang pendek, jadi kegunaan plasmid menjadi terbatas. Vektor biological lainnya adalah virus, yang dapat mentransfer DNA ke dalam sel secara alami. Sebagai contoh, gen manusia dapat dimasukkan ke dalam virus herpes dan ditransfer melalui penyuntikkan ke dalam sel inang manusia, dimana gen ini akan muncul (berekspresi).
Untuk dapat membuat suatu kombinasi baru, ahli rekayasa genetik harus mampu: Locate (mengetahui lokasi gen spesifik di dalam sel donor) Isolate (mengasingkan gen tersebut didalam sepotong DNA donor) Modify (mengubah DNA donor dalam cara yang sangat selektif) Transfer (memindahkan donor DNA ke dalam sel inang dengan cara tertentusehingga gen tersebut akan terlihat nyata dan dapat digunakan)
LOCATING and ISOLATING GENES Beberapa teknik yang dapat digunakan untuk mengetahui lokasi dan mengisolasi gen, seperti genetic probes, reverse transcription, and artificial DNA synthesis:
GENETIC PROBES Genetik probes dapat digunakan jika sebagian dari DNA base sequence didalam gen yang diinginkan sudah diketahui. Probe (penyelidikan) terdiri dari sehelai tunggal DNA yang mengandung sequence bases yang sudah diketahui. DNA tersebut diberi label dengan radioaktif atau fluorescent marker. Pada masa yang tepat, bases didalam genetic probe berkombinasi dengan bases complementary dalam DNA donor, dan menampakkan posisi dari gen. Setelah dapat lokasinya, maka gen tersebut dapat diekstrak.
REVERSE TRANSCRIPTION Sel-sel yang dapat menghasilkan polypeptida tertentu dalam jumlah yang besar akan menghasilkan mRNA dari polypeptide tersebut dalam jumlah yang besar juga. Jika mRNA ini dapat diisolasi , complementary DNA (cDNA) nya dapat disintesa dari dalamnya melalui suatu proses yang disebut reverse transcription. Proses ini kebalikan dari normal transcription karena mRNA berkelakuan sebagai template untuk sintesa DNA.
Reverse transcription memerlukan DNA nucleotide2 dan enzim yang disebut reverse transcriptases. Setelah mRNA strands (helaian) telah dicopy kedalam cDNAnya, mRNA dipindahkan dan helaian DNA kedua dibuat dengan menambahkan enzim DNA polymerase dan DNA nucleotides lainnya. Hasilnya adalah sebuah double-stranded molekul DNA yang identik dengan molekul DNA asalnya. Reverse transcriptases pertama sekali ditemukan dari retrovirus, yang memiliki RNA. Virus-virus itu menggunakan reverse transcriptases untuk mengkopy RNAnya ke dalam DNA dalam sel inang. Sehingga virus cukup kuat menginfeksi dan menyebabkan penyakit.
Dengan menggunakan restriction endonucleases dan DNA ligases, plasmid dapat dipotong terbuka sehingga potongan pendek DNA donor yang diperoleh dari organisme lain dapat dimasukkan. DNA donor mungkin berasal dari organisme lain: mikroorganisme, tanaman, hewan, atau jamur. Setelah DNA donor dimasukkan, DNA yang telah dimodifikasi dapat ditransferkan ke sel organisme lain (inang). Sifat universal dari kode genetik menyebabkan sel inang dapat menggunakan DNA donor walaupun berasal dari organisme lain maupun spesies lain. Jika fragment dari DNA cocok (disebut control sequences) juga digabungkan ke dalam plasmid, sel inang akan memproduksi plypeptida yang memberikan kode.
ARTIFICIAL DNA SYNTHESIS Sepotong DNA berfungsi untuk mengkode protein tertentu, dan dapat dibuat tiruannya jika sequence base diketahui. Base sequence dapat diketahui melalui urutan asam amino di dalam protein. Proses ini berhasil diterapkan pada protein yang kecil, yang mana berkoresponden dengan sequence base DNA yang pendek pula.
ENZYMES : ALAT MOLEKULER untuk MEMODIFIKASI DNA Ada dua enzyme yang sangat besar perannya dalam rekayasa genetik yaitu RESTRICTION ENDONUCLEASES dan DNA LIGASES
RESTRICTION ENDONUCLEASES Enzyme-enzyme ini memotong DNA pada spesifik point. Ujung potongan disebut “sticky ends’ karena bases terekspose dan akan membentuk ikatan hydrogen dengan complementary sticky ends dari molekul DNA lain yang dipotong dengan restriction endonucleases.
Enzyme ini dipergunakan bakteri untuk melawan bacteriophage Enzyme ini dipergunakan bakteri untuk melawan bacteriophage. Restriction endonucleases membatasi perkembangan virus yang menyerang dengan cara memotong DNA dari bacteriophagemenjadi fragment kecil yang tidak mengakibatkan infeksi. Ahli genetik menggunakan enzim ini sebagai gunting molekul (“molecular scissors”) untuk memotong DNA pada lokasi tertentu
DNA LIGASES Enzim-enzim ini diperlu-kan untuk membuat rDNA, merupakan enzym di dalam sel yang merekatkan pecahan apapun di dalam molekul DNA. Ahli genetik menggunakan enzyme ini untuk merekatkan sepotong DNA asing ke dalam vector. Penyambungan DNA telah terlaksana; sebuah rDNA telah selesai.
TRANSFER DNA dari DONOR ke INANG : DNA VECTORS PROSES TRANSFORMASI GEN melibatkan beberapa tahap: INSERSI INTEGRASI EKSPRESI PEWARISAN DNA BARU Metode insersi melibatkan: Vektor (bakteri atau virus) Transfer gen langsung (TGL) (first gene transfer)
Metode non-biologi dalam transfer gen meliputi: Ballistic impregnation: DNA gen fires tungsten atau partikel emas yang diliputi dengan DNA ke dalam sel tanaman Electroporation: ledakan dari listrik membuat pori sementara di dalam sel, yang memungkinkan DNA donor masuk Micro-injection: pipet yang sangat halus digunakan untuk menginjeksi DNA ke dalam nukleus sel inang Liposome transfer: gelembung (bubble) dari substansi lemak yang disebut liposome memungkinkan membawa gen melalui permukaan membran sel ke dalam sel inang dimana gen ini kemudian akan ditempatkan secara normal.
TRANFER GEN LANGSUNG Transfer gen langsung dilakukan untk menghindari penghilangan dinding sel seperti pada transformasi protoplasma. Sehingga kendala pada regenerasi yang terdapat pada protoplasma berkurang. Cara transfer gen langsung: Penembakan Proyektil mikro (Micro proyectile Bombardment) Injeksi mikro DNA ke dalam Sel dan Protoplasma Injeksi makro DNA ke dalam tanaman Modifikasi elektrik dan laser permeabilitas membran sel Transformasi serbuk sari
BIOTEKNOLOGI dalam MEMPERBAIKI PERTANIAN Beberapa produk rekayasa genetik yang penting PRODUK KETERANGAN Agricultural Products Pseudomonas syringae, ice-minus bacterium (Frostban®) Bakteri yang mampu hidup pada keadaan beku, rekayasa gen ke tanaman sehingga tanaman tidak membeku pada musim dingin Pseudomonas fluorescens, Memproduksi racun dari pathogen serangga Bacillus thuringensis; racun membunuh serangga pemakan akar Rhizobium meliloti Dapat meningkatkan fiksasi N Round-up (glyphosphate) – resistant crops Tanaman memiliki gen bakteri; memperbolehkan penggunaan herbisida pada rumput tanpa merusak tanaman utama Bt kapas dan Bt jagung Tanaman menghasilkan gen penghasil racun dari B. thuringiensis, racun FlavrSavr®tomat dan wortel Gen untuk menghilangkan degradasi pectin sehingga buah lebih lama segar
PRODUK KETERANGAN Animal Husbandry products Porcine growth hormone (PGH) Meningkatkan pertambahan berat babi; diproduksi oleh E.coli Bovine growth hormone (BGH) Meningkatkan pertambahan berat dan produksi susu lembu; diproduksi oleh E.coli Transgenic animals Hewan yang dirubah secara gen untuk menghasilkan susu yang mengandung obat yang berguna Other Food Production Products Rennin Menyebabkan terbentuknya dadih pada susu; diproduksi oleh Aspergillus niger cellulase Enzim yang dapat mendegradasi sellulase untuk membuat makanan ternak; diproduksi oleh E.coli
Tanaman Biotehnologi : Luasan global pada tahun 2002 Kedelai : 30,6 juta Ha (pertumbuhan 10%) Jagung : 12,4 juta Ha (pertumbuhan 27%) Kanola : 6,8 juta Ha (tidak berubah) This is the current data from the production of biotech crops during the 2002 growing season.
PENGALAMAN CINA Dampak Ekonomi Penggunaan Kapas Bt Peningkatan pendapatan $494/Ha Peningkatan pendapatan nasional $750 juta
Tanaman Bioteknologi dapat bersifat “Ramah Hasil dan Ramah Lingkungan” PENGALAMAN INDIA Rata-rata hasil kapas dan penggunaan pestisida di 157 lokasi penelitian di India selama tahun 2001. This table is a clear demonstration of the environmental and yield value of Bt cotton. This large trial was conducted at 157 sites during 2001 in India. A Bt variety, the same variety without the Bt transgene, and a popular variety where each grown at the same locations. Yield was almost twice as high in the Bt variety than than the other two demonstrating the economic value of the technology. Furthermore, the number of sprays and the amount of insecticide introduced into the environment were significantly lower for the Bt materials. Finally, the amount of class I and class II insecticides, the most environmentally dangerous, were also reduced. These last two results demonstrate the environmental-friendly aspect of this technology. These are significant results. It should be cautioned that the same yield advantage might not be realized in a more developed production system. But, the environmental release of toxic chemicals would still be significantly lower. *Means within a row are significantly different at the 5% level From: Science (2003) 299:900 Tanaman Bioteknologi dapat bersifat “Ramah Hasil dan Ramah Lingkungan”
Generasi Organisme Tansgenik Berikutnya di bidang Pertanian Golden Rice Kandungan vitamin A meningkat Gen berasal dari bakteri Kekurangan: produksi vitamin A kurang banyak Golden rice is enriched for vitamin A. The controversy surrounds the actual utility of the product. Some data suggest the child would have to significantly increase their rice intact of rice for vitamin deficiencies to be alleviated. Because of this knowledge the biotech industry is being accused of promoting a consumer-friendly product only for publicity purposes. The white mold disease is associated with elevated levels of oxalic acid. Resistance is provided by inserting a gene whose product breaks down oxalic acid.
Generasi Organisme Tansgenik Berikutnya di bidang Pertanian Bunga matahari Tahan jamur putih Gen ketahanan berasal dari gandum Golden rice is enriched for vitamin A. The controversy surrounds the actual utility of the product. Some data suggest the child would have to significantly increase their rice intact of rice for vitamin deficiencies to be alleviated. Because of this knowledge the biotech industry is being accused of promoting a consumer-friendly product only for publicity purposes. The white mold disease is associated with elevated levels of oxalic acid. Resistance is provided by inserting a gene whose product breaks down oxalic acid.
Generasi Organisme Tansgenik Berikutnya di bidang Pertanian Rumput lapangan golf Tahan herbisida Tumbuh lambat mengurangi pemangkasan mengurangi polusi Golden rice is enriched for vitamin A. The controversy surrounds the actual utility of the product. Some data suggest the child would have to significantly increase their rice intact of rice for vitamin deficiencies to be alleviated. Because of this knowledge the biotech industry is being accused of promoting a consumer-friendly product only for publicity purposes. The white mold disease is associated with elevated levels of oxalic acid. Resistance is provided by inserting a gene whose product breaks down oxalic acid.
Uji Lapangan Tanaman Transgenik Organisasi Jumlah uji 2002-03 (%) Monsanto 1480 (58%) Universities 329 (13%) Scotts 84 (3%) Aventis 78 (3%) Sygenta 69 (3%) Dow 63 (2%) USDA/ARS 60 (2%) Prodigene 25 (1%) Field trial data was collected for all permits filed from Jan 1, 2001 and March 4, 2003. This data will give a good indication of the nature of the field trials that were held in 2002 and will be held in 2003. This slide and the four of the five next slides (not the immediate next on) represent an analysis of that data. Here we can see that one organization, Monsanto Corp., is the main tester of biotechnology crops. Collectively, universities also have a relatively large number of trials. The presence of Scott’s on the list suggests we should be seeing transgenic turfgrass soon. 2001-03 data; collated from: Information Systems for Biotechnology (http://www.isb.vt.edu/)
Jenis Tanaman Transgenik yang Diuji Jumlah pengujian 2002-03 (%) Jagung 1424 (56%) Kapas 193 (8%) Padi 146 (6%) Gandum 141 (6%) Kedelai 124 (5%) Alfalfa 121 (5%) Rumput 89 (4%) Corn is currently the crop that is receiving the most attention. Most of this is work by Monsanto, and part of that work involves adding the Roundup Ready technology to the crop. Wheat is starting to appear on these lists because of the work to incorporate Roundup resistance. 2001-03 data; collated from: Information Systems for Biotechnology (http://www.isb.vt.edu/)
Arah Pengembangan yang Dituju Sifat Jumlah Penguian 2002-03 (%) Tahan serangga 791 (31%) Tahan herbisida 736 (29%) Peningkatan kualitas 400 (16%) Tahan penyakit 171 (7%) The majority of the current field trials are focusing on traits that have been studied extensively in the past. It is apparent that a new killer application is not on the immediate horizon. 2001-03 data; collated from: Information Systems for Biotechnology (http://www.isb.vt.edu/)
Beberapa Sifat Lain yang Mulai Menarik Jumlah Pengujian 2002-03 (%) Hasil tinggi 105 (4%) Kandungan asam amino 94 (4%) Kandungan gula 44 (2%) Kandungan lemak 42 (2%) Researchers, though are looking at new traits. All of these are aimed at making the crop more valuable. By modifying the amino acid content of corn, by increasing its lysine concentration, the crop will be nutritious. Oil content is being modified to make it more healthy. How yield is being modified is unknown, because the transgenes involved have not been identified because it is confidential business information. 2001-03 data; collated from: Information Systems for Biotechnology (http://www.isb.vt.edu/)
Deteksi Ranjau Darat Dibutuhkan oleh militer, Tanpa upaya ini,anak-anak dan penduduk sipil terancam Bantuan Bioteknologi Tanaman (dikembangkan oleh Aresa Biodetection) Gen yang peka terhadap logam dimasukkan ke dalam tanaman Apabila akar tanaman menyentuh ranjau darat, Tanaman berubah warna dari hijau menjadi merah Mendeteksi ranjau darat
(pharmaceutical products) Biofarming? Bercocoktanam tanaman transgenik yang menghasilkan bahan-bahan yang memiliki fungsi kesehatan (pharmaceutical products) Contoh bahan-bahan yang memiliki fungsi kesehatan (pharmaceutical products) : Obat-obatan, antibodi, protein Biopharming is using transgenic plants to grow pharmaceutical products. These products include drugs, antibodies, and proteins.
Keunggulan teknologi ini? Sistem Produksi Sederhana Gen biasanya dimasukkan ke dalam tanaman yang biasa ditanam di lapangan (biasanya jagung) Cara bercocok tanam jagung tidak diubah Mengurangi biaya produksi This technology is being used for several reasons. First, by introducing the transgene into a crop like corn, the farmer can use traditional production techniques to grow the crop. From the pharmaceutical side, the cost of producing the end product is greatly reduced compared to techniques currently in place. Sistem hewan: $1000 - $5000 per gram protein Sistem tanaman: $1 - $10 per gram protein Sumber: The Roanoke Times, 2000
IMPIAN BIOPFARMING Vaksin yang Dapat Dimakan Tanaman transgenik untuk memenuhi kebutuhan kesehatan manusia Gen penyandi protein spesifik dari jasad patogen diklon Gen tersebut dimasukkan ke dalam genom tanaman (kentang, pisang, tomat) Tanaman dikonsumsi manusia Tubuh manusia membentuk antibodi terhadap protein patogen Tubuh manusia mengalami “imunisasi” terhadap pathogen Contoh: Diarrhea Hepatitis B Cacar Edible vaccines may be the most important and accepted biotech product.
Prioritas Bioteknologi Tanaman dan Lingkungan di Masa yang Akan Datang Bioremediasi Polusi air, tanah dan udara menjadi masalah Tanaman dapat membantu degradasi senyawa polutan tersebut Dibutuhkan tanaman yang dapat membantu degradasi senyawa polutan dan aman terhadap lingkungan Tanaman yang kandungan nutrisinya diperkaya Malnutrisi meluas Malnutrisi dapat menyebabkan berbagai penyakit ikutan Dibutuhkan modifikasi tanaman pangan untuk mengatasi masalah tersebut
Berita Mutakhir Bioteknologi Pertanian Monsanto menghentikan produksi gandum transgenik (10 Mei 2004) Sebagai reaksi atas kurangnya dukungan pasar, Monsanto untuk sementara menghentikan program gandum Roundup Ready sampai ada perubahan persepsi
Berita Mutakhir Bioteknologi Pertanian Uni Eropa menyetujui pemasaran jagung transgenik baru (19 Mei 2004) Syngenta diijinkan untuk memasarkan jagung transgenik Bt-11 yang tahan serangga Produk tanaman transgenik pertama dalam 5 tahun terakhir yang disetujui Uni Eropa Tapi Syngenta memutuskan untuk menunda pemasarannya karena pertimbangan persepsi konsumen
Pustaka Acuan Glick, B.R. and J.J. Pasternak. 1994. Molecular Biotechnology: Principles and application of recombinant DNA. American Society for Microbiology, Washington, DC. Watson, J.D., M. Gilman, J. Witkowski, and M. Zoller. 1992. Recombinant DNA. Scientific American Books, New York, USA. Mantell, S.H., J.A. Matthews, and R.A. McKee. 1985. Principles of Plant Biotechnology: an introduction to genetic engineering in plants. Blackwell Scientific Publications, Oxford, UK. Brown, C.M., I. Campbell, and F.G. Friest. 1987. Introduction to Biotechnology. Blackwell Scientific Publications, Oxford, UK. Smith, J.E. 1985. Biotechnology Principles. Van Nostrand Reinhold Co Ltd., Berkshire, UK. Drlica, K. 1984. Understanding DNA and Gene Cloning. John Wiley & Sons Inc., New York, USA.