Fiks-Tugas-BIOINFORMATIKA

BIOINFOMATIKA

Oleh :

Harits Naya Dibrata B1J013140

Muhammad Ilham Iskandar B1J013142

Anastasia Sintanora Elizabeth B1J013144

TUGAS TERSTRUKTUR BIOLOGI MOLEKULER

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAANUNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

FAKULTAS BIOLOGIPURWOKERTO

2015

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Istilah bioinformatics mulai dikemukakan pada pertengahan era 1980-an.

Bioinformatika mengacu pada penerapan komputer dalam biologi. Namun demikian,

penerapan bidang-bidang dalam bioinformatika (seperti pembuatan basis data dan

pengembangan algoritma untuk analisis sekuens biologis) sudah dilakukan sejak

tahun 1960-an. Kajian baru Bioinformatika ini tak lepas dari perkembangan biologi

molekul modern yang ditandai dengan kemampuan manusia untuk memahami

genom, yaitu cetak biru informasi genetik yang menentukan sifat setiap makhluk

hidup yang disandi dalam bentuk pita molekul DNA. Kemampuan untuk memahami

dan memanipulasi kode genetik DNA ini sangat didukung oleh perangkat perangkat

keras maupun lunak. Bioteknologi modern ditandai dengan kemampuan pada

manipulasi DNA. Rantai atau sekuen DNA yang mengkode protein disebut gen. Gen

ditranskripsikan menjadi mRNA, kemudian mRNA ditranslasikan menjadi protein

yang disebut sentral dogma dalam biologi molekuler. Protein bertugas menunjang

seluruh proses kehidupan, antara lain sebagai katalis reaksi biokimia dalam tubuh,

berperan serta dalam sistem pertahanan tubuh melawan virus, parasit dan lain-lain

(Attwood dan Parry, 1999).

Berkat penemuan ini lahirlah perusahaan bioteknologi pertama di dunia, yaitu

Genentech di Amerika Serikat yang kemudian memproduksi protein hormon insulin

dalam bakteri yang dibutuhkan penderita diabetes. Selama ini insulin hanya bisa

didapatkan dalam jumlah sangat terbatas dari organ pankreas sapi. Bioinformatika,

sesuai dengan asal katanya yaitu "bio" dan "informatika" adalah gabungan antara

ilmu biologi dan ilmu teknik informasi. Pada umumnya, Bioinformatika

didefenisikan sebagai aplikasi dari alat komputasi dan analisa untuk menangkap dan

menginterpretasikan data‐data biologi. Ilmu ini merupakan ilmu baru yang yang

merangkup berbagai disiplin ilmu termasuk ilmu komputer, matematika, fisika,

biologi dan ilmu kedokteran dimana kesemuanya saling menunjang dan saling

bermanfaat satu sama lainnya. Ilmu bioinformatika lahir atas insiatif para ahli ilmu

komputer berdasarkan artificial intelligence. Mereka berpikir bahwa semua gejala

yang ada dialam ini bisa dibuat secara artificial melalui simulasi dari gejala‐gejala

tersebut. Mewujudkan hal ini diperlukan data‐data yang yang menjadi kunci penentu

tindak‐tanduk gejala alam tersebut, yaitu gen yang meliputi DNA atau RNA.

Bioinformatika ini penting untuk manajemen data‐data dari dunia biologi dan

kedokteran modern. Perangkat utama bioinformatika adalah program software dan

didukung oleh kesediaan internet (Krane dan Raymer, 2003).

Kebutuhan untuk mengumpulkan, menyimpan dan menganalisa data-data

biologis dari database DNA, RNA maupun protein inilah yang semakin memacu

perkembangan kajian bioinformatika, bahkan dari urutan DNA maupun asam amino

yang ada, dapat diprediksikan peran proteinnya, tingkat aktivitas dan mekanisme

kerjanya menggunakan berbagai jenis perangkat lunak yang tersedia. Selain itu,

dengan bioinformatika perancangan primer untuk mendeteksi keberadaan suatu gen

dari spesies tertentu (Krane dan Raymer, 2003).

II. MATERI DAN METODE

A. Materi

Bahan yang digunakan adalah uruan-urutan DNA hasil sekuensing, program

online NCBI (National Center for Biotechnology Information) Blast.

Alat yang digunakan adalah komputer atau laptop beserta charger dan modem

(koneksi jaringan internet).

B. Metode

1. Penjajaran (alignment) Data Hasil Sekuensing DNA

Dikunjungi website National Center for Biotechnology Information

(NCBI Blast) (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi).

Dipilih nucleotide blast.

Di paste sekuen ke dalam kotak FASTA sequencing.

Diisi job tittle dengan nama lengkap.

Dipilih others (nr etc.) pada database.

Dipilih highly similar sequences (megablast) pada optimize for.

Dipilih blast.

Dipilih print screen pada keyboard lalu di paste pada MS. Word.

Disimpan datanya.

2. Membuat Peta Retriksi

Dikunjungi website NEBcutter (http://tools.neb.com/NEBcutter2/).

Di paste sekuen ke dalam kotak FASTA format.

Dipilih all commercially available specificities pada enzymes to use.

Dipilih submit.

Dipilih one cutter.

Dipilih cut position pada sort order.


Disimpan datanya.

3. Merancang Primer

Dikunjungi website Primer3 (http://frodo.wi.mit.edu/).

Di paste sekuen ke dalam kotak FASTA format.

Ditentukan parameternya sesuai panjang sekuen.

Primer SizeMin: Opt: Max:

Primer Tm Min: Opt: Max:

Product Tm Min: Opt: Max:

Primer GC% Min: Opt: Max:

Dipilih SantaLucia 1998 pada table of thermodynamic parameters.

Dipilih SantaLucia 1998 pada salt correction formula.

Dipilih pick primers.


Disimpan datanya.

4. Menguji Kualitas Rancangan Primer

Dikunjungi website IDT (Integrated DNA Technologies)

(http://www.idtdna.com/site).

Dipilih oligo analyzer pada SciTools.

Di paste ke dalam kotak sequence sekuen left primer pada Primer3.

Dipilih analyze.


Dipilih hairpin.


Dipilih self-dimer.


Dipilih hetero-dimer pada kotak secondary sequence di paste right

primer Primer3 kemudian di calculate.


Di paste ke dalam kotak sequence sekuen right primer pada Primer3.

Dipilih analyze.


Dipilih hairpin.


Dipilih self-dimer.


Disimpan datanya.

http://www.idtdna.com/

5. Analisis Spesifitas

Dikunjungi website National Center for Biotechnology Information

(NCBI Blast) (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi).

Dipilih nucleotide blast.

Di paste sekuen left primer ke dalam kotak FASTA sequencing.



Dipilih blast.


Disimpan datanya.

Di paste sekuen left primer ke dalam kotak FASTA sequencing.



Dipilih blast.


Disimpan datanya.

III. PERTANYAAN

Ada mendapatkan sebuah sekuen nukleotida dari hasil sekuensing. Anda

diminta mencari tahu sequen tersebut sangat mirip atau sama dengan sekuen apa 1).

Sequen tersebut menyandikan asam amino apa saja serta berapa jumlahnya 2). Bila

anda diminta menggunakan enzim restriksi enzim apa saja yang akan anda pilih dan

pita yang dihasilkan berapa saja 3). Bila diminta membuat primer urutan primer

seperti apa yang bisa mendeteksi keberadaan sequen tersebut dan berapa besar

produk yang diharapkan 4). Kemukakan alasan anda !

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Hasil

BLAST memiliki beberapa pilihan menu sesuai dengan analisis yang akan

dikerjakan seperti pada table di bawah ini:

Untuk menjawab pertanyaan nomor 1, pada BLAST yang digunakan adalah nucleotide blast yang digunakan untuk mencari suatu database menggunakan suatu pertanyaan nukleotida.

Sekuen yang didapat adalah sekuen Barley peroxidase mRNA, complete cds yang didapat dari organisme Hordeum vulgare (jelai gandum).

Bila anda diminta menggunakan enzim restriksi enzim apa saja yang akan anda pilih dan pita yang dihasilkan berapa saja.

Pickall

Enzyme Specificity Cuts% activity in

1.1 2.1 3.1 CS

AccI GT MK AC 1 50 50 10 100

AciI C CG C 13 10 25 100 100

AflIII A CRYG T 2 10 50 100 50

AgsI TT S AA 1 - - - -

AloI (N)5 (N)7GAAC(N)6TCC(N)7 (N)5 1 - - - -

AluI AG CT 3 25 100 50 100

AlwI GGATCNNNN N 1 50 50 10 100

AlwNI CAG NNN CTG 1 10 100 50 100

# Ends Coordinates Length (bp)

1 (LeftEnd)-AlwNI 1-783 783

2 AlwNI-(RightEnd) 784-948 165

Bila diminta membuat primer urutan primer seperti apa yang bisa mendeteksi keberadaan sequen tersebut dan berapa besar produk yang diharapkan.

Pertannyaan keempat hasil diskusi kami beralasan Karena mengunakan

software NCBI National Center for Biotechnology Information) yaitu BLAST (Basic

Local Alignment Search Tool) maka sequen yang menyandikan asam amino

menghasilkan kemiripan dengan sequen 054 Barley peroxidase mRNA 20 asam

amino. Terdiri atas Alanine, Arginine, Asparagine, Aspartic Acid, Cystein, Glutamic

Acid, Glutamine, Glycine, Histidine, Isoleucin, Leucine, Lysine, Methionine,

Phenylalanine, Proline, Serine, Threonine, Tryptophan, Tyrosine, Valine dengan

panjang asam amino sebesar 315 asam amino., tetapi bila tidak membuat urutan

primer maka reaksi polimerase DNA tidak akan terjadi meskipun terdapat enzim

yang tersedia.

B. Pembahasan

Sekuen yang kami dapat adalah sekuen 054, untuk mengetahui sekuen apa

yang mirip atau sama dengan sekuen 054 adalah dengan menggunakan NCBI

(National Center for Biotechnology Information) yaitu BLAST (Basic Local

Alignment Search Tool) yang merupakan aplikasi secara online dari NCBI.

Menjawab pertanyaan nomor 1, pada BLAST yang digunakan adalah nucleotide

blast yang digunakan untuk mencari suatu database menggunakan suatu pertanyaan

nukleotida.

1. Setelah sekuen 054 dimasukkan pada BLAST dengan program blastn

didapatkan bahwa sekuen yang mirip dengan sekuen 054 adalah sekuen

Barley peroxidase mRNA, complete cds dengan max score 1751 yang

menunjukkan nilai sekuen tungal yang dibariskan, total score 1751 yang

menunjukkan jumlah dari nilai semua sekuen yang dibariskan, query cover

100% yang menunjukkan persentase dari pertanyaan sekuen yang dibariskan,

E value 0.0 yang menunjukkan angka yang cocok dan sesuai, nilai E yang <

0.5 menandakan kemiripan yang signifikan, sedangkan Ident 100%

menunjukkan tingkat kemiripan antar sekuen sangat tinggi.

2. Protein merupakan bagian penting sel dalam pengaturan metabolisme. Protein

dapat diprediksi fungsinya berdasarkan struktur dan atau berdasarkan urutan

asam aminonya. Prediksi fungsi protein tersebut dapat dilakukan dengan

manual atau menggunakan software, yang salah satunya dengan software dan

data base yang tersedia di website ExPASy. Sekuen protein yang telah

dihilangkan spasin dan Stop Kodon kemudian di analisis menggunakan

protein nucleotide pada BLAST. Sekuen tersebut menyandi 20 asam amino.

Terdiri atas Alanine, Arginine, Asparagine, Aspartic Acid, Cystein, Glutamic

Acid, Glutamine, Glycine, Histidine, Isoleucin, Leucine, Lysine, Methionine,

Phenylalanine, Proline, Serine, Threonine, Tryptophan, Tyrosine, Valine

dengan panjang asam amino sebesar 315 asam amino.

Salah satu tools yang tersedia dalam situs NCBI adalah BLAST (Basic Local

Alignment Search Tool), yaitu suatu alat pencari yang dapat menyesuaikan dan

mencari sekuen yang mirip dengan sekuen meragukan yang kita miliki melalui

perbandingan sekuen melalui GenBank DNA database dalam waktu singkat.

NEBcutter adalah sebuah alat untuk menentukan enzim restriksi yang memotong

urutan DNA tertentu; urutan dapat diberikan oleh pengguna sebagai file teks, file

FASTA atau nomor GenBank. GenBank basis data sekuens adalah akses terbuka,

beranotasi koleksi semua yang tersedia secara umum nukleotida urutan dan mereka

protein terjemahan (Diana, 2012).

PRIMER3 merupakan program untuk perancangan primer. Primer berfungsi

sebagai penginisiasi reaksi polimerisasi DNA secara in vitro, karena tanpa primer,

reaksi polimerisasi DNA tidak akan terjadi meskipun enzim dan komponen lainnya

sudah tersedia. Selain itu primer juga berfungsi untuk membatasi daerah mana yang

akan diamplifikasi pada reaksi PCR. Tahap-tahap dalam merancang primer denagn

mentukan tujuan, menyiapkan sekuens referensi, dan bisa di desain dengan batuan

software. Perancangan primer menggunakan software PRIMER 3 dengan

memeprhatikan parameter untuk masing-masing primer sebagai berikut.

1. Panjang Primer.

2. Suhu Leleh Primer atau melting temperature.

3. Suhu Annealing Primer (Ta) (Diana, 2012).

Integrated DNA Technologies (IDT) adalah pemasok terbesar dari sintesis DNA

dan RNA di dunia, dengan dua pabrik di AS dan satu di Eropa melayani bidang

penelitian akademis, bioteknologi, diagnosa klinis dan pengembangan farmasi.

Bisnis utama IDT adalah pembuatan kustom, DNA sintetis dan oligonukleotida

RNA. Produk IDT mendukung aplikasi termasuk sekuensing DNA, amplifikasi

DNA, profil ekspresi, analisis microarray, deteksi SNP, kuantifikasi gen dan

genomik fungsional. Perusahaan ini telah berkembang dari sebuah start-up dengan 10

mesin sintesis untuk satu dengan lebih dari 500, melayani pelanggan di seluruh dunia

karena mereka tes untuk penyakit genetik, menemukan obat baru dan

mengembangkan model pengobatan baru disesuaikan dengan kebutuhan spesifik dari

masing-masing pasien (FlandersBio, 2013).

Beberapa senter database utama menurut Bioinformatics (2010), sebagai berikut :

1. GenBank dioperasikan oleh NCBI (National Center for Biotechnology

Information) mengakomodasi semua publikasi sequences of DNA, dengan

annotations (penjelasan atau catatan) yang secara konstan akan selalu

berkembang dan diperbaharui. Penjelasan meliputi identifikasi suatu gen,

produk gen (jika diketahui) link informasi lain yang terkait dengan sumber

database lain. NCBI berisi informasi dari sekuens DNA yang sama dengan

sekuens DNA dalam EMBL (European Molecular Biology Laboratory) dan

DDBJ (DNA Data Bank of Japan)

http://www.idtdna.com/

2. OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man—woman) adalah ensiklopedia

gen-gen manusia dan penyakit genetik merupakan penghubung untuk entry

gen pada GenBank dan literatur ilmiah pada PubMed, berisi informasi

berbagai gen manusia komplit dan paling baru.

3. PDB (Protein Data Bank) berisi semua publisitas yang ada secara eksperimen

telah dideterminasi (oleh x-ray crystallography dan NMR) sebagai model

structural proteins dan asam nukleat. Tidak berisi model homologi atau tipe

model teoritis lainnya.

4. PubMed

Suatu kebebasan mengakses sititasi database MEDLINE dan abstrak artikel

riset biomedik. Subjek utama adalah riset di bidang kedokteran dan PubMed

juga mempublikasi bidang yang terkait dengan bidang kedokteran, seperti

kebidanan dan disipiin kesehtan lainnya. Hal in secara menyeluruh mencakup

keilmuan yang berhubungan dengan ilmu seperti biokemia dan biologi sel.

Situs ini ditawarkan oleh the United States National Library of Medicine di

the National Institutes of Health sebagai bagian dari the entrez information

retrieval system.

5. UniProt Knowledgebase (Swiss-Prot and TrEMBL) dioperasikan oleh SIB

(Swiss Institute of Bioinformatics) dan EBI (European

BioinformaticsInstitute), berisi sebagian besar publikasi yang ada berupa

sekuens protein (bukan DNA atau RNA). Sekuens dalam Swiss-Prot

dijelaskan secara manual dan menyediakan atau menghubungkan pengguna

dengan semua informasi publisitas yang berisi sekuens tersebut. Sequences

pada TrEMBL dikoleksi dan dijabarkan secara otomatis dari sekuens

database, dan akan membuat jalannya menuju Swiss-Prot, tetapi tidak hanya

setelah mereka secara manual menjabarkan Swiss-Prot standards.

Situs informasi database DNA, RNA dan Protein menurut Bioinformatics (2010),

sebagai berikut:

1. NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov).

2. EMBL (http://www.ebi.ac.uk).

3. DDBJ (http://www.ddbj.nig.ac.jp).

4. SWISS-PROT (www.expasy.ch/sprot/sprot_details.html).

5. ENSEMBL (http://www.ensembl.org).

6. Univeristy California Santa Cruz (genome.cse.ucsc.edu).

7. MGD the Jackson Lab (http://www.informatics.jax.org).

Pangkalan data utama untuk sekuens asam nukleat saat ini adalah GenBank

(Amerika Serikat), EMBL (the European Molecular Biology Laboratory, Eropa),

dan DDBJ (DNA Data Bank of Japan, Jepang). Ketiga pangkalan data tersebut

bekerja sama dan bertukar data secara harian untuk menjaga keluasan cakupan

masing-masing pangkalan data. Selain asam nukleat, beberapa contoh pangkalan data

penting yang menyimpan sekuens primer protein adalah PIR (Protein Information

Resource, Amerika Serikat), Swiss-Prot (Eropa), dan TrEMBL (Eropa). Ketiga

pangkalan data tersebut telah digabungkan dalam UniProt, yang didanai terutama

oleh Amerika Serikat. Entri dalam UniProt mengandung informasi tentang sekuens

protein, nama organisme sumber protein, pustaka yang berkaitan, dan komentar yang

pada umumnya berisi penjelasan mengenai fungsi protein tersebut. Perangkat

bioinformatika yang berkaitan erat dengan penggunaan pangkalan data sekuens

Biologi ialah BLAST (Basic Local Alignment Search Tool). Penelusuran BLAST

(BLAST search) pada pangkalan data sekuens memungkinkan ilmuwan untuk

mencari sekuens baik asam nukleat maupun protein yang mirip dengan sekuens

tertentu yang dimilikinya.

Primer adalah molekul oligonukleotida untai tunggal yang terdiri atas sekitar 30

basa. Polimerisasi primer dapat berlangsung karena adanya penambahan basa demi

basa dari dNTP yang dikatalisasi oleh enzim DNA polymerase. TM dan GC

meningkatkan spesifitas dalam rancangan primer (Chainulfiffah dan Debbie, 2003).

Cara kerja penjajaran (alignment) data hasil sekuensing DNA adalah pertama-

tama mengunjungi website National Center for Biotechnology Information (NCBI

Blast) (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi). Pilih nucleotide blast kemudian

paste-kan sekuen ke dalam kotak FASTA sequencing. Isi job tittle dengan nama

lengkap. Pilih others (nr etc.) pada database kemudian pilih highly similar sequences

(megablast) pada optimize for. Pilih blast kemudian di print screen pada keyboard

lalu di paste pada MS. Word. Kemudian muncul tampilan grafik, hasil sekuensing

dan penjajaran. Pada hasil sekuensing ada max score yaitu jumlah nilai algoritma,

total score adalah jumlah total max score. Query score adalah presentase persamaan

sekuen yang dimiliki dengan sekuen database, e value adalah perbedaan sekuen yang

kita miliki dengan database dan max ident adalah jumlah maksimal persamaan

sekuen yang kita milikidengan database.

Cara kerja membuat peta retriksi dengan mengunjungi website NEBcutter

(http://tools.neb.com/NEBcutter2/). Paste-kan sekuen ke dalam kotak FASTA

format. Pilih all commercially available specificities pada enzymes to use kemudian

submit. Pilih one cutter kemudian pilih cut position pada sort order, di print screen

pada keyboard lalu di paste pada MS. Word dan simpan datanya. NEBcutter untuk

mengetahui kekerabatan suatu individu, membuat plasmid rekombinan dan membuat

DNA marker.

Cara kerja merancang primer dengan mengunjungi website Primer3

(http://frodo.wi.mit.edu/) kemudian paste sekuen ke dalam kotak FASTA format.

Ditentukan parameternya sesuai panjang sekuen primer size min 18, opt 20 dan max

35; primer TM min 55, opt 60 dan max 7; produk TM dikosongkan dan primer GC%

min 50, opt 60 dan max 70. Dipilih SantaLucia 1998 pada table of thermodynamic

parameters kemudian ubah menjadi SantaLucia 1998 pada salt correction formula.

Pilih pick primers kemudian pilih print screen pada keyboard lalu di paste pada MS.

Word dan disimpan datanya. Primer3 sebagai pelacak gen murni atau campuran dan

mengisolasi gen tertentu dari suatu organisme.

DAFTAR REFERENSI

Attwood, T.K., dan D.J. Parry Smith. 1999. Introduction to Bioinformatics. Harlow: Pearson Education.

Chainulfiffah, Abdullah dan Debbie S Retnoningrum. 2003. Deteksi Bakteri Patogen Streptococcus Pyogenes Dengan Teknik Polymerase Chain Reaction. FMIPA Universitas Riau, Pekanbaru.

Diana, Ana. 2012. http://HIMMALAYA ANALISIS URUTAN BASA DNA.htm. Diakses tanggal 18 Juni 2013.

FlandersBio. 2013. http://flandersbio.be/life-sciences-database/integrated-dna-technologies/. Diakses tanggal 19 Juni 2013.

Krane, D.E. dan M.L. Raymer. 2003. Fundamental Concepts of Bioinformatics. Benjamin Cummings, San Francisco

Documents

Fiks-Tugas-BIOINFORMATIKA