Makalah Biomol

Makalah Biologi Molekuler

Asam Nukleat

PBL I

Kelompok : HG Urasil

Nama Anggota : Agil Ramadhan Primasto (1206223940)

Ainu Safira Corni (1206249832)

Hanifia Wulandari (1206221033)

Muhammad Bagus Prakasa (1206220264)

Satrio Bimo Wijardono (1206261200)

Tanggal Pengumpulan : 25 Februari - 2014

Fakultas Teknik

Departemen Teknik Kimia

Universitas Indonesia

Depok

2014

2

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum wr. wb.

Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan YME yang telah melimpahkan rahmat serta

karunianya kepada kami sehingga kami dapat menyelesaiakan Makalah Biologi Molekuler ini

dengan tepat waktu. Tugas Makalah Biologi Molekuler ini berisikan informasi-informasi yang

berkaitan dengan pemicu pertama dalam sistem pembelajaran PBL di kelas biologi molekuler yaitu

Asam Nukleat.

Dalam penyelesaian makalah ini, kami mengalami beberapa kesulitan karena kurangnya ilmu

pengetahauan yang kami miliki. Namun berkat bimbingan dari berbagai pihak, makalah ini dapat

selesai. Akhir kata, kami ucapkan terima kasih kepada dosen kami Dr. Muhamad Sahlan M.Eng.

yang telah membimbing penyusun selama pembuatan tugas ini, dan juga kepada pihak-pihak yang

telah membantu dalam proses pembuatan makalah ini.

Semoga makalah ini dapat bermanfaat dan memenuhi ekspektasi dari semua pihak

sebagaimana seperti yang diharapkan oleh penyusun.

Wassalamualaikum wr. wb.

Depok, Februari 2014

Tim Penyusun

3

DAFTAR ISI

Kata Pengantar.............................................................................................................................. 2

Daftar Isi ........................................................................................................................................ 3

Struktur Asam Nukleat ................................................................................................................. 5

Abstrak ........................................................................................................................................ 5

Jenis DNA ................................................................................................................................... 5

Bentuk DNA................................................................................................................................. 7

Komponen DNA .......................................................................................................................... 7

Struktur DNA ............................................................................................................................... 8

Ikatan DNA RNA ....................................................................................................................... 10

Komponen RNA ........................................................................................................................ 10

Jenis RNA ................................................................................................................................. 10

Kesimpulan ............................................................................................................................... 11

Daftar Pustaka ........................................................................................................................... 11

Fungsi Asam Nukleat.................................................................................................................. 13

Jenis-jenis DNA ......................................................................................................................... 12

Jenis-jenis RNA ......................................................................................................................... 17

Kesimpulan ............................................................................................................................... 21

Daftar Pustaka ........................................................................................................................... 21

Aplikasi Asam Nukleat ................................................................................................................ 22

Bidang Hukum ........................................................................................................................... 22

Bidang Kesehatan ..................................................................................................................... 27

Agrikultural ................................................................................................................................ 36

Daftar Pustaka ........................................................................................................................... 39

Sintesis Asam Nukleat ................................................................................................................ 41

Abstrak ...................................................................................................................................... 41

Sintesis DNA ............................................................................................................................. 41

Perbedaan Replikasi DNA di Sel Eukariotik dan Prokariotik ...................................................... 45

Sintesis RNA ............................................................................................................................. 46

Transkripsi pada sel Prokariotik ................................................................................................ 48

Transkripsi pada sel Eukariotik .................................................................................................. 49

Kesimpulan ............................................................................................................................... 49

Daftar Pustaka ........................................................................................................................... 50

Deteksi Asam Nukleat................................................................................................................. 51

Abstrak ...................................................................................................................................... 51

Pendahuluan ............................................................................................................................. 51

Deteksi Analisis Kualitatif Asam Nukleat .................................................................................... 51

4

Deteksi Analisis Kuantitatif Asam Nukleat ................................................................................. 57

Daftar Pustaka ........................................................................................................................... 59

5

Struktur Asam Nukleat

oleh Hanifia Wulandari, 1206221033

Abstrak

Senyawa organik adalah penyusun dari tubuh manusia dimana salah satu senyawa organik tersebut adalah asam nukleat. Pada tahun 1879, Albrecht Kossel menemukan asam nukleat yang tersusunoleh suatu gugus gula, gugus fosfat, dan gugus basa. Asam nukleat adalah polimer dari nukleotida yang menyimpan informasi genetik, pertumbuhan sel, dan remproduksi. Asam nukleat adalah sebagai makromolekul yang terisolasi dari dalam nukleus (inti sel). Asam nukleat memiliki bentuk rantai panjang linier yang merupakan gabungan monomer nukleotida sebagai unit pembangunnya. Nukleotida terdiri dari gugus gula, basa, dan fosfat, sedangkan tanpa fosfat disebut asam nukleosida. Perbedaan lainnya adalah dalam bidang obat-obatan dimana beberapa nukleosida dapat digunakan sebagai agen antivirus atau antikanker, sedangkan kerusakan pada nukleotida merupakan salah satu penyebab utama dari semua penyakit kanker yang ada saat ini.

Terdapat dua macam asam nukleat, yaitu deoxyribonucleic acid (DNA) dan ribonucleic acid (RNA). DNA dan RNA memiliki beberapa perbedaan. Pada struktur utama keduanya adalah polimer yang linier yang terdiri dari banyak monomer, yang disebut nukleotida. Selular pada RNA memiliki rentang panjang dari ratusan hingga ribuan nukleotida. Sedangkan pada molekul DNA dapat memiliki panjang mencapai ratusan juta nukleotida. Unit DNA yang lebih besar dari RNA ini berhubungan dengan adanya protein yang dapat diberikan warna lalu divisualisasikan sebagai kromosom dengan menggunakan mikroskop cahaya. Perbedaan lainnya adalah pada jenis DNA dan RNA juga pada komponen penyusunnya.

A. Jenis DNA

Penelitian tentang asam nukleat untuk membutikan DNA sebagai bahan genetic semakin gencar dilakukan. Ini diharapkan dapat menjelaskan hubungan antara struktur dan fungsi dari bahan genetic nya seperti dapat melakukan replikasi, merupakan penyimpan informasi, dapat diekspresikan, dan dapat mengalamai perubahan (mutasi).

Antara tahun 1940 hingga 1953 banyak ahli yang tertarik untuk mengetahui struktur DNA, diantaranya adalah: Erwin Chargaff, Maurice Wilkins, Rosalind Franklin, Linus Pauling, Francis Crick, dan James Watson. Dengan berbagai usaha pencarian struktur DNA ini, pada tahun 1953 Watson dan Crick mengemukakan model struktur molekul DNA yang sampai saat ini diakui kebenarannya. Struktur DNA yang dikemukakan oleh Watson dan Crick adalah struktur DNA yang paling umum yang terdapat di alam. Struktur semacam ini disebut sebagai struktur untai putar-kanan (right-handed helix), dimana jika jenis DNA ini dilihat kea rah bawah aksisnya, maka masing-masing rantai terlihat memutar sesuai dengan arah putaran jarum jam. Dalam kondisi fisilogis, DNA yang memiliki struktur untai putar-kanan mempunyai 10 basa DNA pada setiap putarannya. Namun studi menunjukkan bahwa banyaknya basa DNA pada setiap putaran ternyata bervariasi. Tabel berikut merupakan beberapa jenis struktur DNA.

6

\

Berdasarkan tabel diatas struktur DNA seperti yang dijelaskan oleh Watson dan Crick dapat dikelompokkan pada tipe B. Molekul DNA tipe B mempunyai lekukan besar dan lekukan kecil. Jika dibandingkan dengan tipe A, lekukan besar pada tipe B lebih mudah mengikat protein tertentu karena lekukan besar pada tipe A lebih dalam. Bentuk A lebih menyerupai konformasi bagian untai-ganda molekul RNA (misalnya tRNA). Molekul hybrid DNA-RNA juga cenderang mempunyai bentuk tipe A.

DNA tipe Z adalah satu-satunya DNA yang untaiannya memiliki orientasi putar-kiri (left-handed helix). Molekul DNA tipe ini mempunyai kerangka gula-fosfat yang berbentuk zigzag sehingga disebut tipe Z. DNA tipe Z pertama kali ditemukan oeh Alexander Rich dan kelompok penelitiannya di Massachusets Institue of Technology. DNA Z ditemukan dari hasil analisis kristalografi sinar X molekul-molekul DNA berukulan kecil yang tersusun oleh rangkaian basa G-C yang berulang. Struktur DNA Z tidak hanya terjadi pada moekul yang mempunyai poli (dC-dG), melainkan juga terjadi pada bagian polinukleotida yang basa-basa purin dan pirimidinnya bergantian, misalnya ACACACAC. Lebih jauh lagi, jika basa-basa purin dan pirimidin yang ada secara bergantian tersebut terletak pada molekul DNA yang panjang, misalnya :

..TGATCCGCGCGCGCAGTCTT..

Maka rangkaian purin-pirimidin tersebut dapat mempunyai konfigurasi Z pada konsentrasi NaCl sebesar 2M sedangkan bagian DNA yang lain mempunyai konfigurasi B.

DNA Z hanya mempunyai satu lekukan yang mempunyai kepekatan (density) muatan negative lebih besar dibandingkan dengan yang ada pada lekukan-lekukan DNA tipe B. Berikut gambar lekukan pada DNA tipe A, B, dan Z.

7

(sumber : Biologi Molekuler, 2005)

Pada awalnya diprediksi bahwa DNA Z tidak akan ditemukan secara in vivo (penelitian yang dilakukan menggunakan subjek manusia atau hewan) karena tipe ini hanya akan stabil dalam kondisi kadar garam yang tinggi. Akan tetapi bukti-bukti menunjukkan bahwa DNA Z dapat menjadi stabil dalam kondisi fisiologis normal jika basa cytosine mengalami metilasi menjadi 5-methylcytosine. Dengan teknik antibodi fluoresen (fluorescent antibody) dapat dibuktikan bahwa DNA tipe Z ada pada bagian tertentu kromosom Drosophila. Bukti lain juga menunjukkan bahwa DNA Z dapat ditemukan secara in vivo, yaitu dengan ditemukannya sutau protein pada jaringan Dropsophila yang hanya dapat berikatan dengan DNA Z sintetik, tetapi tidak dapat berikatan dengan DNA tipe B. gambar berikut adalah perbedaan antara DNA putar-kanan dan DNA putar-kiri

B. Bentuk DNA

(sumber: Biologi Molekuler, 2005)

Gambar diatas merupakan struktur untaian DNA heliks ganda. Pada panel A menunjukkan struktur heliks dan posisi basa nukleotida. Satu putaran heliks mempunyai panjang 34 angstrom (3,4 nm) dan terdiri atas sepuluh pasangan basa sesuai dengan struktur DNA yang dikemukakan oleh Watson dan Crick. Panel B menggambarkan struktur DNA secara lebih detil. Tanda panah menunjukkan arah sintesis molekul DNA. Sedangkan pada panel C menggambarkan model tiga dimensi struktur DNA. Pada panel ini dapat terlihat adanya lekukan (groove) pada struktur DNA.

C. Komponen DNA

DNA merupakan makromolekul kompleks yang terdiri atas tiga macam molekul, yaitu gula deoksiribosa, asam fosfat, dan basa nitrogen. Basa nitrogen terdiri atas dua golongan, yakni pirimidin dan purin. Pirimidin terdiri atas sitosin (S) dan timin (T), sedangkan Purin terdiri atas adenine (A) dan guanine (G).

(sumber : Biologi, 2006)

8

Dalam DNA terdapat pasangan basa. Setiap adenine dalam rantai DNA berkaitan dengan timin yang terdapat pada rantai yang lain. Begitu pula setiap sitosin saling berikatan dengan guanin. Tabel berikut menunjukkan gambaran komposisi DNA yang ada pada beberapa macam jasad hidup:

D. Struktur DNA

1. Struktur primer DNA tersusun dari monomer-monomer nukleotida. Setiap nukleotida terdiri dari satu basa nitrogen berupa senyawa purin atau pirimidin, satu gula pentosa berupa 2-deoksi D-ribosa dalam bentuk furanosa, dan satu molekul fosfat. Penulisan urutan basa dimulai dari kiri yaitu ujung 5 bebas (tidak terikat nukleotida lain) menuju ujung dengan gugus 3 hidroksil bebas atau dengan arah 53 (Darnell, et al.,dalam T. Milanda,1994).

2. Struktur sekunder Salah satu sifat biokimia DNA yang menentukan fungsinya sebagai pembawa informasi genetik adalah komposisi basa penyusun. Pada tahun 1949-1953, Edwin Chargaff menggunakan metode kromatografi untuk pemisahan dan analisis kuantitatif keempat basa DNA, yang diisolasi dari berbagai 2organisme. Kesimpulan yang diambil dari data yang terkumpul adalah sebagai berikut : a.Komposisi basa DNA bervariasi antara spesies yang satu dengan spesies yang lain. b.Sampel DNA yang diisolasi dariberbagai jaringan pada spesies yang sama mempunyai komposisi basa yang sama. c.Komposisi DNA pada suatu spesies tidak berubah oleh perubahan usia, keadaan nutrisi maupun perubahan lingkungan. d.Hampir semua DNA yang diteliti mempunyai jumlah residu adenin yang sama dengan jumlah residu timin (A=T), dan jumlah residu guanin yang sama dengan jumlah residu sitosin (G=C) maka A+G = C+T, yang disebut aturan Charrgaff. e.DNA yang diekstraksi dari spesies-spesies dengan hubungan kekerabatan yang dekat mempunyai komposisi basa yang hampir sama. Pada tahun 1953, James D.Watson dan Francis H.C. Crick berhasil menguraikan struktur sekunder DNA yang berbentuk heliks ganda melalui analisis pola difraksi sinar X dan membangun model strukturnya (Darnell, et al. dalam T. Milanda,

1994). Heliks ganda tersebut tersusun dari dua untai polinukleotida secara antiparalel (arah 53 saling berlawanan), berputar ke kanan dan melingkari suatu sumbu. Unit gula fosfat berada di luar molekul DNA dengan

9

basa-basa komplementer yang berpasangan di dalam molekul. Ikatan hidrogen diantara pasangan basa memegangikedua untai heliks ganda tersebut (Willbraham 3 and Matta dalam T. Milanda, 1994). Kedua untai melingkar sedemikian rupa sehingga keduanya tidak dapat dipisahkan kembali bila putaran masing-masing untai dibuka.

Struktur DNA (Prentis Steve, 1990) Keterangan: a. Struktur primer DNA

b. Struktur sekunder DNA Jarak di antara kedua untai hanya memungkinkan pemasangan basa purin (lebih besar)dengan basa pirimidin (lebih kecil). Adenin berpasangan dengan timin membentuk dua ikatan hydrogen sedangkan guanin berpasangan dengan sitosin membentuk tiga ikatan hidrogen. Dua ikatan glikosidik yang mengikat pasangan basa pada cincin gula, tidak persis berhadapan. Akibatnya, jarak antara unit-unit gula fosfat yang berhadapan sepanjang heliks ganda tidak sama dan membentuk celah antara yang berbeda, yaitu celah mayor dan celah minor (Marks, et al., 1996 ; Robert K. Murray, et al., 2000).

3. Struktur tersier Kebanyakan DNA virus dan DNA mitokondria merupakan molekul lingkar. Konformasi ini terjadi karena kedua untai polinukleotida membentuk struktur tertutup yang tidak berujung. Molekul DNA lingkar tertutup yang diisolasi dari bakteri, virus dan mitokondria seringkali berbentuk superkoil, selain itu DNA dapat berbentuk molekul linier dengan ujung-ujung rantai yang bebas.

Struktur tersier (Prentis Steve, 1990) (a). konformasi DNA sirkular (b). konformasi DNA linear

10

E. Ikatan DNA dan RNA

Ikatan hydrogen pada molekul DNA berperan pada pembentukan struktur heliks antara untaian yang berpasangan. Pasangan antara nukleotida A-T ditentukan oleh adanya dua ikatan hydrogen, sedangkan antara G-C ditentukan oleh tiga ikatan hydrogen. Oleh karena itu, untuk merusak ikatan G-C diperlukan suhu yang lebih tinggi dari suhu untuk merusak ikatan A-T. Hal ini dapat dibuktikan dengan mengukur suhu yang diperlukan untuk memisahkan untaian DNA (suhu denaturasi atau pelelehan) dengan adanya senyawa seperti misalnya urea dan formamide. Kedua senyawa tersebut mampu membentuk ikatan hydrogen dengan basa-basa DNA. Selain dengan pemanasan, rantai untai ganda DNA dapat putus karena pengaruh enzim helicase dan suasana alakali.

Penomoran posisi atom C pada cincin gula dilakukan menggunakan tanda aksen (1, 2, dan seterusnya), sekedar untuk membedakannya dengan penomoran posisi pada cincin basa. Posisi 1 pada gula akan berikatan dengan posisi 9 (N-9) pada basa purin atau posisi 1 (N-1) pada basa pirimidin melalui ikatan glikosidik atau glikosilik. Selain ikatan glikosidik yang menghubungkan gula pentosa dengan basa N, pada asam nukleat terdapat pula ikatan kovalen melalui gugus fosfat yang menghubungkan antara gugus hidroksil (OH) pada posisi 5 gula pentosa dan gugus hidroksil pada posisi 3 gula pentosa nukleotida berikutnya. Ikatan ini dinamakan ikatan fosfodiester karena secara kimia gugus fosfat berada dalam bentuk diester.

Ikatan fosfodiester menghubungkan gula pada suatu nukleotida dengan gula pada nukleotida berikutnya, maka ikatan ini sekaligus menghubungkan kedua nukleotida yang berurutan tersebut. Dengan demikian, akan terbentuk suatu rantai polinukleotida yang masing-masing nukleotidanya satu sama lain dihubungkan oleh ikatan fosfodiester. Kecuali yang berbentuk sirkuler, seperti halnya pada kromosom dan plasmid bakteri, rantai polinukleotida memiliki dua ujung. salah satu ujungnya berupa gugus fosfat yang terikat pada posisi 5' gula pentosa. Oleh karena itu, ujung ini dinamakan ujung P atau ujung 5'. Ujung yang lainnya berupa gugus hidroksil yang terikat pada posisi 3 gula pentosa sehingga ujung ini dinamakan ujung OH atau ujung 3:. Adanya ujung-ujung tersebut menjadikan rantai polinukleotida linier mempunyai arah tertentu. Pada pH netral adanya gugus fosfat akan menyebabkan asam nukleat bermuatan negatif. Inilah alasan pemberian nama asam kepada molekul polinukleotida meskipun di dalamnya juga terdapat banyak basa N. Kenyataannya, asam nukleat memang merupakan anion asam kuat atau merupakan polimer yang sangat bermuatan negatif.

F. Komponen RNA DNA berukuran lebih besar, lebih panjang dari struktur RNA. DNA berisi dua helai

yang saling melengkapi dan menambatkan satu sama lain melalui ikatan kimia. RNA terdiri dari untai tunggal. DNA muncul mirip seperti tangga memutar, sedangkan RNA hanyalah setengah dari tangga. RNA menggunakan ribosa sebagai komponen gulanya sementara DNA menggunakan deoksiribosa, yang persis sama dengan ribosa, dikurangi atom oksigen.

Kedua jenis asam nukleat terdiri nukleotida, struktur yang terbuat dari alternating molekul gula dan fosfat terkait dengan molekul lain (basa nitrogen). Gula dan fosfat bergantian dengan satu sama lain, membentuk anak tangga dari tangga. Basa nitrogen menggantung komponen gula. Basa nitrogen terdiri dari dua jenis: purin dan pirimidin. Baik DNA maupun RNA berisikan purin adenin dan guanin. DNA menggunakan pirimidin sitosin dan timin, tetapi RNA mengandung sitosin dan urasil.

G. Jenis RNA

Tidak seperti DNA, molekul RNA pada umumnya berupa untai tunggal sehingga

tidak memiliki struktur tangga berpilin. Namun, modifikasi struktur juga terjadi akibat

terbentuknya ikatan hidrogen di dalam untai tunggal itu sendiri (intramolekuler). Dengan

adanya modifikasi struktur molekul RNA, kita mengenal tiga macam RNA, yaitu mRNA,

rRNA, dan tRNA.

11

mRNA RNA Messenger (mRNA) membawa informasi tentang bagaimana membangun protein. Hal ini ditranskripsi dari DNA dan dibawa ke ribosom. Ribosom membaca mRNA untuk menghubungkan asam amino bersama-sama dalam urutan tertentu.

rRNA

RNA ribosom (rRNA) juga ditranskripsi dari DNA tapi bukan merupakan pembawa kode. RNA ini menjadi bagian struktural dari protein sintesis mesin molekuler yang dikenal sebagai ribosom.

tRNA

RNA transfer (tRNA) memiliki bagian coding dan asam amino membawa bagian. Kode mengidentifikasi bagaimana asam amino dibawa sehingga asam amino yang tepat digunakan pada ribosom selama sintesis protein.

Kesimpulan

Sebagai salah satu senyawa organic penyusun dari tubuh manusia, asam nukleat terdiri atas dua macam, yaitu DNA dan RNA

DNA memiliki diantaranya empat tipe, yakni tipe A, B, C, dan Z. Tipe A, B, dan C memiliki struktur untai putar kanan (searah jarum jam) sedangkan tipe Z untai putar kiri

Struktur satu putaran heliks mempunyai panjang 34 angstrom (3,4 nm) dan terdiri atas sepuluh pasangan basa sesuai dengan struktur DNA yang dikemukakan oleh Watson dan Crick yaitu DNA tipe B

DNA merupakan makromolekul kompleks yang terdiri atas tiga macam molekul, yaitu gula deoksiribosa, asam fosfat, dan basa nitrogen. Basa nitrogen terdiri atas dua golongan, yakni pirimidin dan purin. Pirimidin terdiri atas sitosin (S) dan timin (T), sedangkan Purin terdiri atas adenine (A) dan guanine (G).

Ikatan hydrogen pada molekul DNA berperan pada pembentukan struktur heliks antara untaian yang berpasangan. Pasangan antara nukleotida A-T ditentukan oleh adanya dua ikatan hydrogen, sedangkan antara G-C ditentukan oleh tiga ikatan hydrogen. Oleh

Ada beberapa tingkatan struktur dalam asam ribonukleat (RNA), yang digambarkan sebagai struktur primer, struktur sekunder, struktur tersier, dan struktur kuartener.

Komponen pada RNA berbeda dengan DNA pada molekul gula dan basa nitrogennya. DNA menggunakan pirimidin sitosin dan timin, tetapi RNA mengandung sitosin dan urasil.

Dengan adanya modifikasi struktur molekul RNA, kita mengenal tiga macam RNA, yaitu mRNA, rRNA, dan tRNA

Daftar Pustaka

- Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. 2000. Molecular Cell Biology 4th edition. New York: W. H. Freeman

- Yuwono, Tribowo. 2008. Biologi Molekuler. Jakarta: Erlangga - Sumardjo, Damin. 2006. Pengantar Kimia. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC - http://www.diffen.com/difference/Nucleoside_vs_Nucleotide (diakses pada 17 Februari

2014 ) - http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-kesehatan/biomolekul/asam-nukleat/

(diakses pada 17 Februari 2014 ) - http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21514/ (diakses pada 17 Februari 2014 )

12

FUNGSI ASAM NUKLEAT (DNA DAN RNA)

Oleh M Bagus Prakasa (1206220264)

Asam nukleat merupakan salah satu makromolekul yang memegang peranan sangat penting dalam kehidupan organisme karena di dalamnya terdapat informasi genetik. Asam nukleat disebut juga sebagai polinukleotida karena tersusun dari sejumlah molekul nukleotida sebagai monomernya didalam inti sel (nukleus). Asam nukleat terdiri dari unit-unit mononukleotida, jika unit-unit pembangunnya dioksinukleotida maka asam nukleat itu disebut dioksiribonukleat (DNA) dan jika terdiri dari unit-unit mononukleotida disebut asam ribonukleat (RNA). Setiap nukleotida mempunyai struktur yang terdiri atas gugus fosfat, gula pentosa, dan basa nitrogen atau basa nukleotida (basa N).

Sub Bahasan Pertama : DNA

DNA (deoxyribonucleic acid) atau asam deoksiribosa nukleat (ADN) merupakan tempat penyimpanan informasi genetik. Adapun fungsi dari DNA yaitu mengendalikan pembentukan protein di dalam sel dengan bantuan kode genetik. Selain itu juga sebagai reproduksi sel. Fungsi atau peranan DNA yang lainnya yaitu antara lain:

a. Sebagai pembawa materi genetika dari generasi ke generasi berikutnya. b. Mengontrol aktivitas hidup secara langsung maupun tidak langsung. c. Melakukan sintesis protein. d. Sebagai autokatalis, yaitu kemampuan DNA untuk menggandakan diri

(replikasi) dengan menggunakan enzim DNA helicase, polymerase, ligase involved enzyme untuk membentuk double helix yang baru.

e. Sebagai heterokatalis, yaitu kemampuan DNA untuk dapat mensintesis senyawa lain. DNA sebagai software, Protein sebagai hardware.

f. Pada suhu mendekati titik didih atau pada pH yang ekstrim (kurang dari 3 atau lebih atau lebih dari 10) DNA mengalami denaturasi (membuka). Jika lingkungan dikembalikan seperti semula, DNA dapat kembali membentuk heliks ganda, disebut renaturasi.

Jenis-Jenis DNA

DNA

B-DNA

A-DNA

DNA Nukleus DNA Kromosom

C-DNA

Z-DNA

DNA Kloroplas DNA

Plasmid

13

DNA Nukleus

DNA Mitokondria (mtDNA)

DNA Kloroplas, berfungsi untuk mengode enzim dan beberapa protein yang diperlukan untuk reaksi terang pada proses anabolisme.

DNA plasmid DNA Rekombinan. pDNA adalah lingkaran DNA kecil yang dapat bereplikasi sendiri yang terdapat pada kromosom bakteri dan eukariotik uniseluler. Fungsi plasmid adalah memelihara sejumlah ciri-ciri yang stabil dari generasi ke generasi. Plasmid berfungsi sebagai vektor atau pemindah.

DNA Inti (Nukleus)

DNA (deoxyribonucleic acid) atau asam deoksiribosa nukleat (ADN) merupakan tempat penyimpanan informasi genetik. DNA dapat ditemui dalam inti sel, asam ini merupakan pengemban kode genetik dan dapat memproduksi atau mereplikasi dirinya dengan tujuan membentuk sel-sel baru untuk memproduksi organisme itu dalam sebagian besar organisme.

(http://www.makingthemodernworld.org.uk/learning_modules/biology/illustrations/01.IL.01.gif)

DNA Kromosom

Selain pemberian kode untuk protein, DNA juga mereplikasi dengan bantuan enzim DNA polimerase. Hal ini membantu dalam berbagai fungsi termasuk reproduksi pemeliharaan dan pertumbuhan sel, jaringan dan sistem tubuh. DNA penting dalam hal hereditas. DNA membuat gen dan gen membuat kromosom. Manusia memiliki 23 pasang kromosom total 46 kromosom. Dua puluh dua dari pasangan ini, disebut autosom, terlihat sama antara laki-laki dan perempuan. Pada pasangan ke 23, disebut kromosom seks, berbeda antara pria dan wanita. Wanita memiliki dua salinan dari kromosom X atau XX, sedangkan pria memiliki satu X dan satu kromosom Y. Karena laki-laki hanya memiliki satu kromosom X, mereka lebih cenderung memiliki kromosom X yang berhubungan dengan penyakit. Autosom berperan dalam pewarisan sifat. Proses pembentukan suatu pasang autosom melalui proses yang dinamakan recombination yaitu proses bersatunya kromosom dari ayah dan ibu secara tidak teratur. Kromosom autosomal dapat menjadi genetic record karena akan terus mengalami recombination dari setiap generasi

14



DNA Mitokondria

Penjelasan diatas menjelaskan tentang DNA yang terdapat pada inti sel atau biasa kita sebut sebagai DNA inti (DNA nukleus). Selanjutnya akan dijelaskan pula tentang DNA mitokondria. Berbeda dengan organel sel lainnya, mitokondria memiliki materi genetik sendiri yang karakteristiknya berbeda dengan materi genetik di inti sel. Mitokondria, sesuai dengan namanya, merupakan rantai DNA yang terletak di bagian sel yang bernama mitokondria (atau terkadang terdapat di sel telur). DNA mitokondria memiliki ciri-ciri yang berbeda dari DNA nukleus ditinjau dari ukuran, jumlah gen, dan bentuk. Di antaranya adalah memiliki laju mutasi yang lebih tinggi, yaitu sekitar 10-17 kali DNA inti. Selain itu DNA mitokondria terdapat dalam jumlah banyak (lebih dari 1000 kopi) dalam tiap sel, sedangkan DNA inti hanya berjumlah dua kopi. DNA inti merupakan hasil rekombinasi DNA kedua orang tua sementara DNA mitokondria hanya diwariskan dari ibu (maternally inherited). Tidak seperti DNA nukleus yang berbentuk linear, mtDNa berbentuk lingkaran. Sebagian besar mtDNA membawa gene yang berfungsi dalam proses respirasi sel. mtDNA mengandung 37 gen pengode untuk 2 rRNA, 22 tRNA, dan 13 polipeptida yang merupakan subunit kompleks enzim yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif. Pada mtDNA, UGA tidak dibaca sebagai berhenti (stop) melainkan sebagai tryptofan, AGA dan AGG tidak dibaca sebagai arginin melainkan sebagai berhenti, AUA dibaca sebagai methionin. Sedangkan Y-line DNA merupakan DNA yang hanya dimiliki oleh pria saja dan diwariskan dari ayah kepada anak-anaknya.

B-DNA

Jenis DNA dibedakan oleh pembentukan dan struktur heliks. Ikatan Hidrogen basa nitrogen memegang struktur helix ganda dengan menggabungkan dua untai komplementer DNA. Terdapat dua jenis yaitu tangan kanan dan tangan kiri. B-DNA adalah bentuk yang umumnya diamati pada kromosom. B-DNA termasuk heliks tangan kanan dengan 10 pasangan basa per putaran. B-DNA direplikasi dan digunakan dalam transkripsi dan translasi RNA, yang merupakan molekul yang digunakan untuk sintesis protein. B-DNA dapat terdenaturasi, yang berarti ikatan hidrogen dihilangkan. Pada dasarnya adalah langkah pertama dalam replikasi DNA dalam sel. Molekul B-

15

DNA mempunyai lekukan besar dan lekukan kecil. Dibandingkan dengan tipe A, lekukan besar pada tipe B lebih mudah mengikat protein tertentu karena lekukan besar pada tipe A lebih dalam.

A-DNA

A-DNA juga termasuk heliks tangan kanan. Namun, terdapat lebih banyak pasangan basa per putaran. A-DNA memiliki 11 pasangan basa per putaran. Pasangan basa itu tidak tegak lurus dengan sumbu heliks tetapi terletak pada sudut sekitar 20 sampai tegak lurus. Selain struktur yang lebih kompak (kompleks), A-DNA mempunyai biologis yang aktif dalam sel dan membentuk struktur mengkristal dalam percobaan laboratorium. A-DNA lebih menyerupai konformasi bagian untai-ganda molekul RNA misalnya pada tRNA. Molekul hibrid DNA-RNA juga cenderung mempunyai bentuk tipe A-DNA.

Z-DNA

Z-DNA adalah satu-satunya DNA yang untaiannya mempunyai orientasi putar-kiri (left-handed). Molekul DNA tipe semacam ini mempunyai kerangka gula-fosfat yang berbentuk zigzag (sehingga disebut Z). Pada awalnya diduga bahwa Z-DNA tidak akan ditemukan secara in vivo karena tipe ini hanya akan stabil dalam kondisi kadar garam yang tinggi. Akan tetapi bukti-bukti menunjukkan bahwa Z-DNA dapat menjadi stabil dalam kondisi fisiologis normal jika basa cytosine mengalami metilasi menjadi 5-methylcytosine. Dengan teknik antibodi fluoresen dapat dibuktikan bahwa DNA tipe Z ada pada bagian tertentu kromosom Drosophila. Bukti lain juga menunjukkan bahwa Z-DNA dapat ditemukan secara in vivo, yaitu dengan ditemukannya suatu protein pada jaringan Drosophila yang hanya dapat berikatan dengan Z-DNA sintetik, tetapi tidak dapat berikatan dengan DNA tipe B. Bentuk Z-DNA dapat dianggap sebagai turunan dari bentuk B-DNA, diproduksi dengan membalik satu sisi rantai induk 180 tanpa harus istirahat baik rantai induk atau ikatan hidrogen dari basa komplementer.

Z-DNA memiliki 12 pasangan basa per putaran, sehingga membawa sebagian besar gen antara setiap pergantian. Z-DNA berperan dalam transkripsi RNA, yang merupakan proses sintesis protein untuk menciptakan mRNA dari untai DNA. Selain itu, juga berfungsi membuat struktur virus lebih kuat. mRNA adalah molekul yang membawa gen ditranskripsi ke ribosom dimana protein disintesis. Urutan sitosin alkohol di posisi nomor 5 dari cincin pirimidin dapat ditemukan dalam bentuk Z memungkin memainkan peran dalam regulasi ekspresi gen. Z-DNA juga merupakan subjek penelitian aktif para ahli biokimia.

C-DNA

C-DNA (DNA komplementer atau klon) adalah jenis DNA yang digunakan untuk menggambarkan pustaka informasi genetik. Pustaka C-DNA diperoleh melalui proses kloning sehingga ratusan gen berbeda dimungkinkan untuk dikoleksi dan diperbanyak secara terus menerus. Identifikasi C-DNA spesifik dapat dilakukan melalui proses hibridisasi ataupun melalui proses amplifikasi PCR dengan menggunakan primer spesifik untuk gen tertentu. C-DNA digunakan pula dalam pengujian untuk obat-obatan dan penelitian penyakit. C-DNA adalah untai komplementer yang dituangkan dalam laboratorium untuk menciptakan gen. Rekayasa genetika juga menggunakan pustaka DNA ini untuk membuat versi modifikasi dari informasi genomik.

Pada bidang genetika, complementary DNA merupakan DNA yang disintesis dari template mRNA dalam sebuah reaksi yang dikatalis oleh enzim reverse transcriptase. C-DNA biasanya digunakan untuk kloning gen eukariot dalam prokariot karena molekul yang lebih stabil sehingga sesuai untuk disisipkan ke dalam vektor kloning, baik berupa plasmid, cosmid, atau bakteriofage. Populasi mRNA yang telah dicopy menjadi C-DNA apabila diklon akan menghasilkan pustaka C-DNA yang bersifat permanen. Keuntungan pustaka C-DNA adalah hanya mengandung sekuen yang terekspresi dalam bentuk mRNA dalam suatu kondisi atau waktu tertentu. Jika seorang ilmuan ingin mengekspresikan protein tertentu dalam sel yang secara normalnya tidak mengekspresikan protein tersebut contohnya ekspresi heterolog, mereka akan mentranfer C-DNA yang mengkode protein tersebut ke dalam sel donor atau sel penerima. C-DNA juga diproduksi oleh kelompok

16

retrovirus seperti HIV-1, HIV-2, Simian Immunodeficiency Virus yang terintegrasi dengan inangnya untuk membuat sebuah calon virus.

Tabel Perbedaan Bdna, aDNA, dan zDNA

Enzim DNA

Lipase berfungsi untuk menempelkan RNA primer ke cetakan.

Polimerase berfungsi untuk membaca dan menyintesis untaian DNA. Terbagi atas enzim polimerase 3 dan enzim polimerase 1

Helikase berfungsi untuk menggabungkan fragmen okazaki pada saat proses replikasi DNA.

Ligase berfungsi untuk reparasi DNA.

Sub Bahasan Kedua : RNA


17

RNA (atau asam ribonukleat) adalah asam nukleat yang digunakan dalam pembuatan protein dalam sel. Sel-sel tidak akan mengerti pesan yang disampaikan oleh DNA, sehingga mereka butuh RNA untuk menuliskan dan menerjemahkan informasi genetik. Fungsi RNA adalah mengendalikan pembentukan ribosom dan pembangunan sel yang dikerjakan khusus pada jenis RNA kecil dalam kultur sel-sel manusia.


Jenis RNA dapat diuraikan sebagai:


RNA genetik

RNA genetik memiliki fungsi yang sama dengan DNA, yakni merupakan molekul genetik yang secara keseluruhan bertanggung jawab dalam membawa segala materi genetis, seperti pada beberapa jenis virus yang tidak memiliki DNA yaitu virus Influenza. Selain sebagai materi genetic, RNA pulalah yang mengatur aktivitas sel, ekspresi genetik, dan fenotip pada manusia.

RNA nongenetik

RNA nongenetik merupakan RNA yang tidak berperan sebagai DNA. RNA nongenetik dimiliki oleh makhluk hidup yang materi genetiknya diatur oleh DNA. Pada makhluk hidup kelompok ini, di dalam selnya terdapat DNA dan RNA. RNA Nongenetik terbagi lagi atas :

Messenger RNA (mRNA) Transfer RNA (tRNA)

18

Ribosomal RNA (rRNA) Heterogeneus Nuclear RNA (hnRNA) Transfer-messenger RNA (tmRNA) Signal-recognition particle RNA (SRP RNA) Small Nuclear RNA (snRNA) Small nucleolar RNA (snoRNA) small interfering RNA (siRNA) microRNA (miRNA) SmY RNA Small Cajal body-specific RNA (scaRNA) Guide RNA (gRNA) Ribonuclease P (Rnase P) Ribonuclease MRP (Rnase MRP) Y RNA Telomerase RNA

1. Messenger RNA (mRNA)

Ini dibentuk oleh proses transkripsi. Untai DNA bertindak sebagai template dalam pembentukan RNA. mRNA membawa kode genetik dari DNA ke dalam sitoplasma dan ribosom untuk menerjemahan RNA ke protein (asam amino). Enzim yang digunakan disebut RNA polimerase. Tiga basa nitrogen yang berdekatan dalam urutan mRNA disebut kodon dan mereka akan dihubungkan dengan asam amino lainnya dalam urutan yang benar untuk membuat protein.

Ada banyak daerah DNA yang belum ada kode untuk informasi genetik apapun. Ini berarti mRNA pertama kali harus memotong urutan ini, yang disebut intron, sebelum dapat dikodekan menjadi protein. Bagian-bagian dari mRNA yang melakukan kode untuk asam amino disebut ekson. Intron dipotong oleh enzim dan hanya ekson yang tersisa. Untai tunggal ini sekarang dapat bergerak keluar dari inti dan masuk ke sitoplasma untuk memulai bagian kedua dari ekspresi gen yang disebut penerjemahan. Ekstron berfungsi untuk membantu intron untuk masuk ke dalam sel (sebagai pengkode/pencetak) pada sel eukariotik. Kemudian, intro juga berfungsi membantu pada saat transkripsi DNA.

Fungsi tudung

1. Melindungi mRNA dari perombakan (degradasi) oleh enzim hidrolitik 2. Setelah mencapai sitoplasma, berfungsi sebagai bagian dari tanda pelekatan untuk

ribosom

Fungsi ekor

1. Menghambat degradasi mRNA 2. Membantu pelekatan ribosom 3. Mempermudah ekspor mRNA dari nucleus

2. Transfer RNA atau tRNA

19


Ada setidaknya 20 spesies tRNA dan ini bertindak dalam membawa dasar untuk membentuk asam amino rantai polipeptida. RNA transfer (atau tRNA) memiliki tugas penting dalam memastikan asam amino yang benar, dimasukkan ke dalam rantai polipeptida dalam urutan yang benar. tRNA antikodon adalah urutan komplementer dari kodon mRNA. Oleh karena itu tRNA dipastikan untuk menyesuaikan bagian yang benar dari mRNA dan asam amino kemudian akan berada dalam urutan yang tepat untuk protein.

3. Ribosomal RNA


Merupakan RNA dengan jumlah terbanyak. Ini membantu mRNA dan transfer RNA untuk datang bersama-sama untuk membentuk rantai polipeptida. Ribosom adalah organel sel eukariotik yang membantu merakit protein. Karena rRNA adalah bahan utama ribosom, sehingga rRNA memiliki peranan yang sangat besar dan penting dalam penerjemahan. rRNA ini membantu memastikan polipeptida dibuat dengan benar selama terjemahan. Ribosom dibentuk di nukleolus, disini RNAr akan berikatan dengan protein ribosom untuk membentuk sub unit primordial ribosom yang nantinya dibawa keluar dari nukleolus dan akan matang menjadi ribosom fungsional di sitoplasma.

4. RNAi (RNA interference) adalah suatu proses dimana terjadi penghambatan aktivitas atau ekspresi dari suatu gen tertentu. RNA ini dibagi menjadi 2 yaitu micro RNA dan Small Interfering RNA (siRNA).

Micro RNA, terlibat dalam ekspresi gen adalah mikro RNA (atau Mirna). Mirna adalah daerah non-coding mRNA yang diyakini penting dalam promosi atau penghambatan ekspresi gen. Sebagian Mirna mencegah transkripsi gen tertentu dan jika mereka hilang, gen-gen akan terekspresi.

Small Interfering RNA (siRNA) berperan dalam pencegahan terhadap infeksi.

20

5. Bebas-coding RNA atau ncRNA. Ini dikodekan oleh gen RNA dan juga berasal dari mRNA intron.

6. Transfer-messenger RNA (tmRNA). Hal ini ditemukan dalam banyak bakteri dan plastida. Protein dikodekan oleh mRNAs yang kekurangan kodon stop untuk degradasi (menghancurkan DNA yang tidak dibutuhkan) dan mencegah ribosom mengulur-ulur waktu.

7. hnRNA merupakan prekusor mRNA yang masih memiliki intron. 8. Signal-recognition particle RNA (SRP RNA) membantu langsung mRNA ribosom

(polipeptida kompleks) menjadi ER padat setelah translasi terjadi (untuk sintesis). 9. Small nuclear RNA (snRNA) berperan dalam penghapusan intron yang berada di dalam

transkripsi. 10. Small nucleolar RNA (snoRNA) berperan dalam memroses pre RNA didalam nukleus

menggunakan formasi ribosom. 11. SmY RNA berperan dalam trans-splicing mRNA (membantu ektron untuk keluar). 12. Small Cajal body-specific RNA (scaRNA) adalah tipe dari. snoRNA berfungsi dalam

modifikasi nukleotida RNA. 13. Guide RNA (gRNA) berfungsi dalam modifikasi nukleotida mRNA. 14. Ribonuclease P (RNase P) berfungsi dalam maturasi tRNA. 15. Ribonuclease MRP (RNase MRP) berfungsi dalam maturasi tRNA dan replikasi DNA. 16. Y RNA berfungsi dalam pembuatan RNA dan replikasi DNA. 17. Telomerase RNA berperan dalam sintesis telomer pada eukariota. 18. Antirase RNA (aRNA) berfungsi untuk degradasi mRNA, menstabilkan mRNA, dan

penerjemah. 19. Cis-natural antisense transcript berfungsi dalam regulasi gen. 20. CRISPR RNA (crRNA) berfungsi sebagai pertahanan terhadap parasit pada bakteri dan

archaea. 21. Long noncoding RNA (Long ncRNA) memiliki beragam fungsi yang dimiliki oleh eukariota. 22. Piwi-interacting RNA (piRNA) berfungsi sebagai pertahanan transposon. 23. Trans-acting siRNA (tasiRNA) berfungsi dalam regulasi RNA. 24. Repeat associated siRNA (rasiRNA) merupakan jenis dari piRNA sebagai pertahanan

transposon. 25. 7SK RNA (7SK) secara negatif mengatur CDK9/cyclin T complex. 26. Vault RNA (vRNA) berfungsi dalam mengusir xenobiotik. 27. Viral genome merupakan RNA parasit pembawa informasi. 28. XIST RNA berperan penting dalam proses penonaktifkan kromosom X. Penonaktifan

kromosom X ini melibatkan Xic (X inactivation centre), Xist, dan Tsix.

Genom RNA

Meskipun bentuk kehidupan selular banyak memiliki genom DNA, hal yang sama tidak selalu berlaku pada virus. Virus dapat memiliki DNA, atau genom RNA beruntai tunggal atau ganda tergantung pada virus itu sendiri.

Ribozymes (RNA enzim)

RNA beberapa adalah enzim. Dipercaya selama bertahun-tahun bahwa hanya protein dapat enzim. RNA sekarang dikenal untuk mengadopsi struktur tersier yang kompleks dan bertindak sebagai katalis. RNA ini berfungsi untuk mengatur proses ekspresi gen. MicroRNAs (miRNA; 21-22 nt) untuk contoh yang ditemukan pada eukariota dan bertindak melalui interferensi RNA (RNAi). MiRNA dan enzim ini dapat memecah mRNA yang miRNA melengkapi. Ini dapat memblokir mRNA dari yang diterjemahkan, atau mempercepat degradasi (peredaman gen). Di sisi lain kecil RNA yang mengganggu (siRNA; 20-25 nt) sering diproduksi dengan rincian virus RNA, ada juga sumber endogen siRNAs. SiRNA bertindak sebagai pertahanan dalam serangan virus. Mereka bertindak mirip miRNA. MRNA mungkin mengandung unsur-unsur peraturan itu sendiri, seperti riboswitches, di wilayah diterjemahkan 5' atau 3' diterjemahkan daerah; unsur-unsur cis-peraturan ini mengatur aktivitas mRNA itu.

21

Pada sekelompok virus (misalnya bakteriofag), RNA merupakan bahan genetik. Ia berfungsi sebagai penyimpan informasi genetik, sebagaimana DNA pada organisme hidup lain. Ketika virus ini menyerang sel hidup, RNA yang dibawanya masuk ke sitoplasma sel korban, yang kemudian ditranslasi oleh sel inang untuk menghasilkan virus-virus baru.

Kodon awal merupakan kodon pertama yang diterjemahkan pada saat translasi atau disebut juga kodon inisiasi (AUG yang menyandikan metionin). Selain kodon inisiasi, untuk memulai translasi diperlukan juga sekuen atau situs yang disebut Shine-Dalgarno untuk pengenalan oleh ribosom yang juga dibantu oleh faktor inisiasi (berupa tiga jenis protein).

Kodon akhir merupakan salah satu dari tiga kodon, yaitu UAG, UAA atau UGA. Kodon akhir disebut juga kodon terminal yang tidak menyandikan asam amino. Kodon akhir menyebabkan proses translasi berakhir dengan bantuan faktor pelepasan untuk melepas ribosom.

Tempat

Ketiga jenis RNA ini ditemukan ditempat yang berbeda dalam sel, untuk proses membuat protein. rRNA berada di dalam ribosom sel. tRNA terletak di sitoplasma, sedangkan mRNA terletak didekat inti DNA. Molekul-molekul mRNA kemudian harus melakukan perjalanan keluar dari nukleus dan memasuki sitoplasma, dimana mereka kemudian dapat berinteraksi dengan tRNA dan rRNA untuk membangun protein.

Kesimpulan

Asam nukleat adalah senyawa-senyawa polimer yang menyimpan semua informasi genetika. Asam Nukleat, terdiri dari dua macam, yaitu DNA dan RNA. Fungsi dari DNA yaitu mengendalikan pembentukan protein di dalam sel dengan bantuan kode genetik. Selain itu juga sebagai reproduksi sel. Fungsi atau peranan DNA yang lainnya yaitu antara lain sebagai pembawa materi genetika dari generasi ke generasi berikutnya, mengontrol aktivitas hidup secara langsung maupun tidak langsung, melakukan sintesis protein, sebagai autokatalis, dan sebagai heterokatalis. Selain itu, fungsi RNA adalah sebagai pengendali pembentukan ribosom dan pembangunan sel yang dikerjakan khusus pada jenis RNA kecil dalam kultur sel-sel manusia. RNA genetik mempunyai fungsi yang sama dengan DNA yaitu sebagai pembawa materi genetis, sedangkan RNA non genetik hanya dimiliki oleh makhluk hidup yang didalam selnya terdapat DNA dan RNA.

Daftar Pustaka

Prof.Dr.AD.Corebima,M.Pd.1977.Materi Genetik Pelatihan Materi Biologi Genetika SMA/MA. Penerbit Universitas Negeri Malang

Dage ,Yohanis 1992.Biokimia Dasar.Bandung.Penerbit Rekayasa Sains. Fesseden, Ronald A. 2004. Tinjauan Klinis Hasil Pemeriksaan Laboratorium. Jakarta:

Penerbit Buku Kedokteran EGC Harper James ,dkk.1977. DNA Recombinaan Suatu Pelajaran Singkat.Jakarta. Penerbit

Erlangga Guyton, Arthur C. 2006. Buku Ajar Fisiologi Kedokteran. Jakarta: Penerbit Buku

Kedokteran EGC pp. 27-40 Campbell, Reece, dan Mitchell. 2000. Biologi 1. Erlangga: Jakarta Suryo. 1990. Genetika Manusia. Gadjah Mada University Press: Yogyakarta Suryo. 1996.Genetika. Gadjah Mada University Press. Yogyakarta Nelson, David L dan Michael M. Cox. 2008. Lehninger Principles of Biochemistry. New

York: WH Freeman and Company Karp, Geral. 2006. Cell and Molecular Biology. United States of America: Wiley Binur, Robi. 2011. Knockdown Hormon GSH Pada Udang (Crustacea) Dengan Teknologi

RNA Interference (RNAi). Bandung: PS. Bioteknologi SITH-IT

22

Aplikasi Asam Nukleat

Oleh Agil Ramadhan P (1206223940)

Asam nukleat merupakan molekul informasional atau molekul pembawa informasi yang struktur utamanya mengandung suatu kode atau suatu set arahan-arahan yang memungkinkannya untuk menduplikasi dirinya sendiri dan mengarahkan sintesis protein. Sintesis protein dapat dikatakan merupakan inti yang mengatur segala kegiatan metabolisme sel. Terdapat dua tipe asam nukleat dengan sifat polimer yang ditemukan pada seluruh sel makhluk hidup, yaitu Deoxyribonucleic Acid (DNA) yang seringkali ditemukan pada nukleus atau inti sel dan Ribonucleic Acid (RNA) yang seringkali ditemukan pada sitoplasma. Kedua tipe asam nukleat tersebut saling berhubungan satu dengan lainnya, DNA mengandung kode-kode yang diperlukan untuk mensintesis RNA dan sebagai gantinya RNA mengandung kode-kode untuk sekuen primer asam amino untuk mensintesis protein.

Dari penjelasan sebelumnya, tidak salah apabila kita mengatakan bahwa asam nukleat, baik DNA maupun RNA, memiliki peranan yang sangat penting bagi kehidupan kita. Asam nukleat tidak hanya berperan penting bagi segala kegiatan metabolisme yang ada dalam sel dan tubuh kita, namun juga bagi tatanan masyarakat dan kehidupan sehari-hari kita. Peran penting asam nukleat dalam kehidupan sehari-hari kita tersebut dapat dibuktikan melalui beberapa aplikasi asam nukleat dalam bidang-bidang berikut ini.

A. Bidang Hukum

1. Forensik DNA

Sekitar 100 tahun yang lalu, analisis sidik jari digunakan sebagai suatu teknik paling akurat untuk menentukan bahwa seorang tersangka benar adanya berada pada TKP saat kejadian kriminal terjadi. Analisis sidik jari merupakan sebuah teknik revolusioner yang telah berhasil menempatkan banyak kriminal di balik jeruji besi. Akan tetapi, waktu terus berlalu dan saat ini telah muncul suatu teknik yang juga revolusioner namun lebih akurat, yaitu analisis forensik DNA.

Seperti yang telah kita ketahui, DNA tersusun atas suatu rangkaian nukleotida. Dalam setiap sel yang terdapat dalam tubuh manusia, diperkirakan rangkaian nukleotida tersebut memiliki panjang hingga 3 milyar basa nitrogen. Rangkaian yang sangat panjang itu memiliki susunan basa yang memiliki sedikit perbedaan urutan/sekuen untuk tiap individu (tanpa mempengaruhi fungsinya) yang mana memungkinkan untuk pembedaan antar sampel. Hal tersebutlah yang digunakan untuk membedakan antara satu individu dengan individu lainnya, yang akhirnya berujung pada uji forensik DNA pertama pada tahun 1985.

Walaupun analisis forensik DNA memakan waktu yang cukup lama, biasanya memakan waktu berminggu-minggu, teknik ini memiliki tingkat keakuratan yang sangat tinggi yaitu kemungkinan salahnya hanya 1 banding 350.000.000. Keberadaan teknik analisis forensik DNA sebagai bukti ilmiah yang sangat akurat ini memungkinkan sistem peradilan untuk menemukan dan menangkap para kriminal.

Sejak pertama kali digunakan hingga sekarang, terdapat total tiga jenis teknik analisis forensik DNA, antara lain:

a. Restriction Fragment Length Polymorphisms (RFLP)

Teknik Restriction Fragment Length Polymorphisms (RFLP) ini merupakan teknik pertama yang digunakan dalam forensik DNA. Ray White, seorang ahli genetika asal Amerika Serikat, adalah seorang yang berjasa dalam munculnya teknik RFLP ini. Pada pertengahan tahun 1980-an, ia berhasil menemukan daerah/sekuen DNA yang tidak mengkodekan protein namun sangat bervariasi untuk tiap individu. Kemudian, penelitian lanjutan yang dilakukan oleh Ray White dan koleganya terhadap penggunaan enzim restriksi untuk memotong untai

23

DNA pada daerah/sekuen tertentu dan pada panjang tertentu berujung pada terciptanya teknik RFLP yang ditujukannya untuk memetakan genom tiap manusia.

Gambar A.1.1 Ilustrasi mekanisme teknik RFLP

(sumber: )

Mekanisme dari teknik RFLP ini adalah: Pertama, enzim restriksi (enzim yang digunakan untuk memotong DNA pada sekuen tertentu) digunakan untuk memotong DNA menjadi fragmen-fragmen kecil. Kemudian, suatu alat yang disebut dengan gel elektroforesis digunakan untuk menyortir atau mengelompokkan fragmen-fragmen DNA tersebut berdasarkan ukuran/panjangnya. Fragmen DNA yang berukuran pendek akan berada pada bagian bawah gel elektroforesis, sedangkan fragmen DNA berukuran panjang akan berada pada bagian atas. Dari pengelompokkan oleh gel elektroforesis tersebut, fragmen-fragmen tersebut kemudian dipindahkan ke suatu kertas nitroselulosa dengan bantuan larutan alkalin yang didorong keatas melalui gel elektroforesis. Kertas nitroselulosa tersebut kemudian diekspos terhadap larutan probe berlabel radioaktif. Fragmen-fragmen DNA pada kertas nitroselulosa ini disebut dengan profil restriksi. Profil restriksi adalah pola dari fragmen-fragmen DNA berukuran berbeda yang telah dipindahkan pada kertas nitroselulosa. Karena DNA dari tiap individu memiliki sedikit perbedaan, maka dari tiap individu akan dapat dibuat profil restriksi yang berbeda-beda. Profil restriksi tersebut kemudian diobservasi dengan cara meletakkan suatu negatif/klise di atas kertas nitroselulosa tadi. Radioaktivitas yang disebabkan oleh larutan probe pada kertas nitroselulosa akan membentuk gambaran dari pita-pita fragmen DNA yang sesuai.

Teknik RFLP ini menawarkan suatu efisiensi dalam pembedaan sampel dan memiliki tingkat ketepatan yang tinggi. Akan tetapi, dalam implementasinya teknik ini membutuhkan sampel DNA yang belum terdegradasi dalam jumlah banyak yang mana sangat sulit untuk ditemukan (kecuali dalam tubuh manusia) sehingga teknik ini perlahan-lahan mulai ditinggalkan.

b. Polymerase Chain Reaction (PCR)

Pada tahun 1986, Kary Mullis, seorang peniliti di perusahaan CETUS Corporation, mengembangkan sebuah teknik forensik DNA yang disebut Polymerase Chain Reaction

24

(PCR). Teknik ini merupakan sebuah revolusi bagi ilmu forensik DNA dan seluruh ilmu biologi molekuler. Dalam implementasinya, PCR membuat mekanisme normal dari sel yang mengandung sedikitnya satu nanogram DNA dapat mereplikasi DNAnya sendiri dengan tujuan untuk memperkuat sinyal dari DNA tersebut sehingga kemudian dapat di analisa.

Adapun mekanisme dari teknik PCR ini adalah:

1. Daerah tertentu dari sampel DNA yang ada dipilih berdasarkan sekuen yang ingin diidentifikasi.

2. Kemudian, dua oligonukleotida pendek (primer PCR) yang komplementer terhadap ujung 3 untai DNA disintesis.

3. Menyiapkan enzim polimerase (yaitu enzim yang digunakan untuk membentuk polimer DNA dari monomer-monomer) yang berasal dari bakteri termopilik Thermus aquaticus. Enzim yang berasal dari bakteri termopilik tersebut memiliki sifat tahan akan panas, sehingga temperatur tinggi (hingga 95oC, dimana pada suhu tersebut stabilitas dupleks DNA rendah) dapat digunakan dalam teknik PCR ini.

4. Primer PCR tersebut kemudian dicampurkan bersama dengan DNA, enzim polimerase DNA dan monomer-monomer bebas seperti dATP, dCTP, dGTP, dan dTTP.

5. Campuran tersebut kemudian melalui tiga tahapan proses, yaitu: a. Tahap Denaturasi, campuran dipanaskan hingga mencapai temperatur 95C

selama 1-2 menit yang menyebabkan untai ganda DNA terpisah menjadi dua untai tunggal DNA.

b. Tahap Annealing (Penempelan), campuran didinginkan hingga mencapai temperatur 55C selama 1-2 menit. Pada keadaan tersebut, primer PCR dalam campuran akan mengikat ujung 3 dari masing-masing untai tunggal DNA.

c. Tahap Amplifikasi, pemanasan akhir dilakukan hingga mencapai temperatur 72C selama 1,5 menit dimana enzim polimerase dapat berfungsi sehingga memungkinkan terbentuknya dua salinan DNA.

6. Tahapan denaturasi, penempelan, dan amplifikasi tersebut kemudian dilakukan berulang-ulang hingga didapatkan salinan DNA yang sangat banyak dengan kelipatan eksponen.

Tabel 1. Amplifikasi Geometrik ( ) Siklus PCR (n) Jumlah Salinan

DNA (X)

1 2

2 4

3 8

4 16

5 32

6 64

30 1.073.741.842

Gambar A.2.1 Ilustrasi siklus tunggal PCR (sumber: www.atdbio.com)

25

Gambar A.2.2 Ilustrasi siklus berulang PCR (sumber: www.atdbio.com)

Dalam PCR, apabila konsentrasi primer PCR jauh lebih tinggi dibandingkan dengan konsentrasi DNA yang ada dalam sampel, maka terdapat kemungkinan terbentuknya dimer primer. Biasanya masalah terbentuknya dimer primer ini kerap kali terjadi pada awal-awal kegiatan PCR atau apabila beberapa reaksi PCR dilakukan pada sebuah tabung yang sama (multiplex PCR).

Gambar A.2.3 Mekanisme terbentuknya dimer primer PCR

(sumber: www.atdbio.com)

Kelebihan dari PCR dibandingkan dengan teknik RFLP, antara lain: memiliki sensitivitas yang tinggi, tidak memakan banyak waktu, dan memungkinkan untuk memperoleh profil DNA dari sampel dalam jumlah terbatas, seperti misalnya: setetes kecil darah, rambut, tulang, gigi, air liur, ataupun air mani.

26

Gambar A.2.3 Perbandingan jumlah sampel yang dibutuhkan antara PCR dan RFLP

(sumber: www.dna.gov)

c. Mitochondrial DNA Sequencing (mtDNA Sequencing)

DNA mitokondria (mtDNA) adalah molekul DNA berbentuk bundaran kecil yang terdapat dalam organel mitokondria. Tidak seperti DNA nukleus yang hanya terdapat dalam nukleus, mtDNA dapat ditemukan dalam jumlah cukup banyak diluar nukleus. Konsentrasi tinggi mtDNA dalam sel sangat berguna terutama untuk pelaksanaan forensik DNA disaat sampel yang ada telah terdegradasi atau memiliki konsentrasi DNA nukleus yang sangat rendah (

27

Menggunakan teknologi PCR untuk menyalin dan mengamplifikasi daerah hypervariable. Pada akhir tahap ini akan dihasilkan lebih dari satu milyar salin daerah hypervariable tersebut.

4. Purifikasi dan Kuantifikasi mtDNA

Pada tahap ini, dilakukan penambahan zat kimia tertentu pada sampel mtDNA yang ditujukan untuk menghilangkan reagen PCR yang mungkin masih tertinggal pada sampel. Sampel kemudian dikuantifikasi untuk melihat apakah konsentrasinya sudah cukup tinggi atau belum. Apabila konsentrasi dari sampel masih rendah, maka sampel akan melalui tahap Amplifikasi PCR kembali.

5. Sequencing

Proses sequencing daerah hypervariable dari mtDNA kurang lebih sama seperti halnya dalam teknik PCR. Sampel akan melalui tahapan denaturasi, penempelan, dan elongasi, sama seperti halnya pada PCR. Perbedaannya hanya terletak pada keberadaan dideoxyribonucleotides (basa dideoksi) dalam teknik ini yang berfungsi untuk menghentikan proses elongasi tepat saat hendak berlangsung. Basa dideoksi ini membawa tag pewarna dan akan menahan enzim polimerisasi saat hendak membantu proses elongasi. Pembatalan elongasi oleh basa dideoksi ini sifatnya acak, kemungkinan untai mtDNA berikatan dengan basa dideoksi dari yang seharusnya berikatan dengan nukleotida normal hanya 5% untuk setiap waktunya. Hal tersebut menyebabkan perbedaan panjang pada fragmen-fragmen mtDNA yang dihasilkan. Gel elektroforesis kemudian digunakan untuk memisahkan/mengelompokkan fragmen-fragmen tersebut berdasarkan panjangnya. Urutan dari mtDNA ditentukan berdasarkan dari lokasi untai berwarna yang terdapat dalam gel elektroforesis.

Gambar A.3.1 Identifikasi terhadap sekuen mtDNA berdasarkan tag warna

(sumber: www.dnajunction.com)

B. Bidang Kesehatan

1. Terapi Gen

Terapi gen adalah suatu teknik untuk mengoreksi gen-gen cacat yang bertanggung jawab terhadap suatu penyakit. Sejak pertama kali diperkenalkan pada tahun 1990 hingga sekarang terdapat beberapa macam pendekatan atas terapi gen, diantaranya adalah: menambahkan gen-gen normal ke dalam sel yang mengalami ketidaknormalan, melenyapkan gen abnormal dengan melakukan rekombinasi homolog menggunakan gen normal, mereparasi gen abnormal dengan cara mutasi balik selektif sehingga fungsi gen tersebut kembali normal, dan mengendalikan regulasi ekspresi gen abnormal.

Perkembangan terkini dari terapi gen untuk berbagai penyakit saat ini lebih menjurus ke arah mencegah diekspresikannya gen-gen abnormal atau lebih dikenal dengan sebutan gene silencing. Gene silencing adalah suatu proses membungkam ekspresi gen yang pada mulanya diketahui merupakan pertahanan alami pada tanaman untuk melawan virus. Proses ekspresi gen merupakan proses transkripsi DNA menjadi RNA yang kemudian dilanjutkan proses translasi RNA

28

menjadi protein. Dalam implementasi gene silencing ini, penggunaan RNA dikenal lebih memungkinkan dan lebih efektif dibandingkan dengan DNA. Pada tahun 2001, sebuah studi telah berhasil menemukan bahwa RNA mampu membungkam ekspresi gen secara efektif. Terapi gen yang memanfaatkan RNA ini diketahui memiliki resiko meninggalkan efek samping yang lebih rendah dibanding terapi gen konvesional yang menggunakan gen-gen baru untuk menggantikan gen-gen yang abnormal.

RNA adalah suatu asam ribonukleat yang terdapat dalam alur informasi genetik organisme, diperoleh dari proses transkripsi DNA dalam proses ekspresi gen. Di dalam sel terdapat tiga jenis RNA, yaitu: mRNA, tRNA, dan rRNA. Diantara ketiga jenis RNA tersebut, jenis mRNA lah yang dapat dimanfaatkan untuk fungsi terapi gen jenis gene silencing. RNA pada keadaan normal merupakan pilin tunggal, namun pada kenyataannya pilin tunggal tersebut dapat membentuk dupleks atau pilin ganda dengan membentuk ikatan hidrogen (sebagaimana DNA) apabila terdapat pilin yang komplemen dengan sekuen basa nukleotidanya. Bentuk dupleks RNA ini akan mengakibatkan terhalangnya proses translasi sehingga sintesis protein akan terganggu, disebut dengan PostTranscriptional Gene Silencing (PTGS) atau secara singkat gene silencing.

Penghambatan proses ekpresi gen dapat dilakukan pada beberapa tahap, diantaranya adalah tahap translasi, yaitu dengan mengganggu proses translasi tersebut pada molekul mRNA. Molekul RNA yang akan ditranslasi memiliki sekuen di bagian hulu sebagai tempat pengenalan bagi ribosom dalam proses sintesis protein. Ribosom, sebagai mesin pensintesis polipeptida yang kemudian di modifikasi lebih lanjut menjadi protein, memerlukan situs pengenalan yang terdapat pada mRNA untuk dapat melaksanakan fungsinya tersebut. Dengan memberikan gangguan pada situs pengenalan tersebut, maka proses ekspresi gen dapat di bungkam.

Terdapat dua jenis prinsip terapi gen dengan memanfaatkan RNA, yaitu: Terapi Antisense RNA (aRNA) dan Terapi Small Interfering RNA (siRNA).

a. Terapi Antisensei RNA

Prinsip terapi antisense RNA merupakan suatu pemikiran yang mengadopsi kondisi alamiah yang sama seperti pada mekanisme pertahanan tumbuhan terhadap serangan virus dan mekanisme pertahanan pada nematoda Caenorhabditis elegans. Pada saat itu ditemukan suatu RNA berpilin ganda (dsRNA) yang menunjukkan kemampuan menghambat ekspresi gen. Prinsip terapi antisense RNA ini cocok untuk diimplementasikan dalam terapi gen untuk mengatasi penyakit tertentu dimana terjadi ekspresi gen-gen abnormal yang menimbulkan penyakit, seperti misalnya pada penyakit kanker.

Adapun mekanisme kerja terapi antisense RNA adalah sebagai berikut. Pilin RNA yang ditranslasi menjadi protein disebut dengan pilin sense. Sementara itu, pilin yang memiliki sekuen basa nukleotida yang komplemen dengan pilin sense disebut dengan antisense. Jika kedua pilin sense dan antisense tersebut berikatan dan membentuk dupleks, maka akan terjadi pemblokiran proses translasi yang mengakibatkan terjadinya penghambatan ekspresi gen. Hal tersebut dapat terjadi disebabkan karena ribosom tidak memperoleh akses ke nukleotida pada pilin sense (dalam hal ini pilin mRNA) atau dapat pula disebabkan oleh bentuk dupleks RNA yang sangat mudah terdegradasi oleh enzim pendegradasi ribonukleat (ribonuclease) yang ada dalam sel.

29

Gambar B.1.a Mekanisme kerja aRNA dalam menghalangi proses ekspresi gen

(sumber: Majalah Ilmu Kefarmasian Vol. II Agustus 2005)

Dalam praktiknya, terapi gen dengan prinsip antisense RNA ini tidaklah semudah teorinya. Dimulai dari proses pemasukan molekul RNA antisens ke dalam sistem biologis sel organisme. Molekul tersebut harus berhadapan dengan enzim nuklease yang berada dimana-mana, baik di dalam sel maupun di dalam sirkulasi darah. Untuk menghindari degradasi akibat enzim nuklease tersebut, maka molekul RNA antisens tersebut di modifikasi gugus strukturnya. Setelah berhasil mengatasi enzim nuklease, molekul RNA antisens tersebut harus mampu menembus sel membran yang merupakan lapisan lemak ganda. Di dalam sel, molekul RNA antisens harus dialokasikan dengan benar dan tepat ke tempat kerjanya yaitu nukleus. Namun, sebelum dapat masuk ke dalam nukleus, di dalam sitoplasma sel, molekul RNA antisens ini harus berhadapan dengan berbagai penghalang. Setelah berhasil melalui berbagai penghalang yang ada, molekul RNA antisens ini pun masuk ke dalam nukleus menembus pori-pori membran nukleus. Dalam nukleus, molekul RNA antisens ini akan kembali dihadapkan pada sebuah rintangan yaitu DNA dan RNA dalam nukleus yang seringkali berlipat secara kompak dan diselubungi oleh protein nukleus. Karena banyaknya hambatan yang ada dan struktur lipatan DNA-RNA dalam nukleus yang belum begitu banyak dipahami, maka terapi gen antisense RNA ini masih menjadi suatu pekerjaan trial and error.

b. Terapi Small Interfering RNA (siRNA)

Interference RNA (RNAi) merupakan strategi pertahanan kuno yang dimiliki oleh tumbuhan dan invertebrata tingat rendah untuk melawan infeksi virus dan kerusakan genomik diakibatkan oleh materi genetik asing. RNAi dapat menghambat ekspresi gen pada sekuen yang spesifik dengan jalan memutus mRNA yang mengandung sekuen pendek homolog (kurang lebih 19 basa nukleotida). Para peneliti yang meneliti mengenai molekul RNA telah menemukan bahwa RNAi dapat juga berlaku dalam sel mamalia. Penelitian secara in vitro yang kemudian dilanjutkan dengan penelitian secara in vivo dilakukan oleh peneliti untuk memahami mekanisme kerja dari RNAi, hingga akhirnya pada tahun 2004 para peneliti berhasil membuktikan bahwa RNAi dapat digunakan untuk melindungi mencit dari virus hepatitis. Penelitian mengenai pemanfaatan RNAi untuk mengatasi berbagai macam penyakit pada manusia sampai saat ini masih terus dikembangkan.

Terdapat dua jenis RNAi, yaitu: microRNA (miRNA) dan small interfering RNA (siRNA). Perbedaan utama antara kedua jenis RNAi tersebut adalah asal dari keduanya, miRNA merupakan endogen atau dengan kata lain natural, sedangkan siRNA merupakan eksogen atau dengan kata lain hasil sintesis. Kedua jenis RNAi tersebut bermula sebagai RNA untai ganda yang kemudian diproses oleh sederet enzim sehingga menjadi fragmen-fragmen pendek (22-27 nukleotida). Fragmen-fragmen tersebut dapat berpasangan dengan sekuen komplementer yang terdapat pada mRNA. Setelah fragmen tersebut berikatan dengan sekuen mRNA, suatu enzim kompleks akan memotongnya sehingga meninggalkan sekuen-sekuen mRNA yang tak berikatan dengan fragmen. Sekuen-sekuen tertinggal tersebut kemudian akan hancur oleh sistem alami sel.

30

Mekanisme umum dari terapi siRNA ini adalah sebagai berikut: 1. Sintesis siRNA untai ganda di laboratorium. 2. Mengintroduksi siRNA ke dalam sel target, menembus membran sel yang tersusun

atas lapisan lemak ganda. 3. Dalam sel, terjadi pemotongan untai ganda siRNA menjadi fragmen-fragmen siRNA

oleh enzim Dicer. 4. Dengan bantuan enzim Ago2 dalam RISC (RNA-induced silencing complex), untai

tunggal siRNA akan dipilih untuk kemudian berikatan dengan mRNA. 5. mRNA yang tidak berikatan dengan fragmen untai tunggal siRNA akan dipotong

dengan panjang tertentu yang kemudian akan hancur oleh mekanisme alami sel.

Gambar B.1.b Ilustrasi mekanisme terapi siRNA

(sumber: www.sciencereview.berkeley.edu)

Penggunaan siRNA ini diketahui berpotensi untuk membungkam ekspresi dari berbagai jenis gen. Dibandingkan dengan terapi antibodi, terapi siRNA relatif lebih mudah dalam hal pembuatan siRNAnya dan lebih murah dalam hal teknik penghantarannya. Selain itu siRNA memiliki kelebihan dalam hal stabilitas dan kemampuannya untuk bekerja pada berbagai gen secara bersamaan. Diketahui bahwa molekul siRNA ini dapat dimanfaatkan untuk pengobatan penyakit kanker dan berbagai jenis infeksi virus lainnya.

2. Gene Testing

31

Gene testing atau sering juga disebut dengan tes DNA merupakan suatu jenis tes kesehatan yang dilakukan untuk mengidentifikasi perubahan dalam kromosom, DNA, atau protein. Tes gen dilakukan untuk beberapa tujuan, antara lain:

1. Menemukan penyakit-penyakit genetik pada bayi yang belum lahir.

2. Mencari tahu apakah seseorang membawa gen penyakit yang mungkin diturunkan pada anak-anaknya.

3. Penyaringan embrio atas penyakit.

4. Membuat diagnosis atas seseorang yang menunjukkan gejala penyakit.

5. Mencari tahu tipe atau dosis obat yang paling baik untuk seseorang.

Dalam implementasinya, terdapat tiga buah metode yang dapat digunakan untuk tes gen, antara lain: tes genetik molekuler yang menganalisa DNA rantai pendek untuk mengidentifikasi variasi atau mutasi yang menyebabkan suatu kelainan genetik, test genetik kromosom yang menganalisa keseluruhan kromosom atau DNA rantai panjang untuk mengidentifikasi apakah terdapat perubahan-perubahan genetik semacam terdapatnya salinan kromosom ekstra yang menyebabkan kelainan genetik, dan tes genetik biokimia yang menganalisa jumlah atau tingkat aktivitas protein yang mengindikasikan kelaian genetik. Pelaksanaan tes gen ini bersifat volunteer atau sukarela.

Tes gen dilaksanakan pada sampel darah, rambut, kulit, cairan amniotik (cairan yang mengelilingi janin saat masa kehamilan), ataupun jaringan tubuh lainnya. Sampel kemudian dibawa ke laboratorium untuk kemudian diteliti mengenai perubahan spesifik yang mungkin terdapat pada kromosom, DNA, atau protein, tergantung dari penyakit yang diteliti. Hasil dari laboratorium kemudian akan dilaporkan dalam bentuk tulisan yang nantinya akan diberikan kepada konselor genetik. Konselor genetik kemudian akan membicarakan hasil laboratorium tersebut dengan si pasien.

32

Gambar B.2. Contoh berkas hasil tes gen (sumber: www.ibdna.com)

Terdapat beberapa tipe tes gen yang ada saat ini, antara lain: Newborn Screening yang

dilaksanakan pada bayi yang baru lahir untuk mengidentifikasi kemungkinan adanya penyakit genetik pada bayi yang dapat diobati sejak dini, Diagnostic Testing yang dilaksanakan dengan tujuan untuk mengidentifikasi keadaan gen tertentu atau keadaan kromosom, Carrier Testing yang ditujukan untuk mengidentifikasi apakah seseorang membawa suatu salinan gen mutasi (carrier) yang dapat menimbulkan penyakit genetik (saat hadir dalam dua salinan), Prenatal Testing yang ditujukan untuk mendeteksi perubahan-perubahan pada gen atau kromosom janin sebelum kelahiran, Preimplantion Testing yang ditujukan untuk mereduksi resiko memiliki anak yang mengidap kelainan gen atau kromosom tertentu, Predictive and Presymptomatic Testing yang ditujukan untuk mendeteksi mutasi gen yang berhubungan dengan penyakit-penyakit yang muncul setelah kelahiran atau di masa yang akan datang, dan Forensic Testing yang ditujukan untuk mengidentifikasi seseorang demi keperluan hukum.

3. Teknologi Kloning

Kloning adalah suatu proses ilmiah yang memungkinkan para ilmuan untuk menyalin (meng-copy) sifat-sifat genetik dari suatu tumbuhan atau hewan untuk menciptakan satu atau lebih replika hidup. Pada tahun 1996, para ilmuan dari Skotlandia berhasil menciptakan mamalia pertama yang pernah dikloning dari sel dewasa yaitu seekor domba yang diberi nama Dolly. Sebelumnya pada tahun 1995, para ilmuan telah berhasil melakukan kloning dua ekor domba dari sel embrionik. Kloning terhadap domba-domba tersebut merupakan jenis kloning reproduktif. Sebenarnya terdapat dua jenis teknologi kloning, yaitu: kloning reproduktif dan kloning terapeutik. Baik kloning reproduktif maupun kloning terapeutik, keduanya memanfaatkan aplikasi teknik Somatic Cell Nuclear Transfer atau SCNT.

Teknik SCNT berbeda dengan fertilisasi yang terjadi secara alami. Pada fertilisasi alami, setelah mengalami pembelahan meiosis, sel telur dan sel sperma memiliki materi genetik haploid (n). Terjadinya pembuahan sel telur oleh sperma (fertilisasi) akan menghasilkan embrio satu sel yang memiliki materi genetik diploid (2n). Kemudian, embrio ini akan terus berkembang ke tahapan perkembangan selanjutnya, membelah menjadi 2 sel, 4 sel, 8 sel, 16 sel, dan seterusnya. Berbeda dengan fertilisasi alami, teknik SCNT merupakan suatu teknik rekayasa sel telur dengan cara mentransfer inti dari sel donor ke dalam sel telur yang telah dikeluarkan intinya (enucleated oocyte). Enucleated oocyte tidak memiliki materi genetik, sehingga untuk mendapatkan embrio konstruktif yang diploid maka sel telur harus direkonstruksi dengan cara mentransfer sel somatik (2n) ke dalam enucleated oocyte. Proses pengeluaran inti dari sel telur dapat dilakukan secara mekanik menggunakan teknik mikromanipulasi. Sedangkan proses introduksi atau pengenalan sel donor dapat dilakukan dengan teknik mikroinjeksi.

Gambar B.3. Perbedaan fertilisasi alami dengan fertilisasi SCNT

(sumber: http://sci-indonesia.org)

33

a. Kloning Reproduktif

Kloning reproduktif merupakan suatu teknologi yang digunakan untuk menghasilkan individu (biasanya hewan) baru. Teknologi kloning reproduktif ini dapat digunakan untuk mencegah kepunahan dari hewan-hewan langka ataupun hewan-hewan yang sulit dikembangbiakkan. Teknologi kloning reproduktif ini memiliki biaya operasional yang tinggi dan tingkat keberhasilan yang sangat rendah (hanya sekitar 4%), domba Dolly merupakan hasil kloning reproduktif pertama yang berhasil dan itupun setelah dilakukan 276 kali percobaan. Hewan-hewan hasil kloning reproduktif memiliki kecendrungan mengalami masalah defisiensi sitem imun dan sangat rentan terhadap infeksi, pertumbuhan tumor, dan kelainan-kelainan lainnya.

Dalam pelaksanaan kloning reproduktif menggunakan teknik SCNT, seringkali terjadi kesalahan saat pemrograman material genetik (reprogramming) dari sel donor. Kesalahan penyalinan DNA dari sel donor atau lebih dikenal dengan genomic imprinting akan mengakibatkan terjadinya perkembangan embrio yang abnormal. Hal inilah yang menyebabkan kecendrungan hewan-hewan hasil kloning seringkali terlahir dengan defisiensi sistem imun dan sangat rentan terhadap serangan penyakit.

Gambar B.3.a Mekanisme kloning reproduktif domba Dolly

(sumber: www.boundless.com)

Mekanisme kloning reproduktif adalah sebagai berikut:

1. Tahap pertama, yaitu tahap pengeluaran inti dari sel telur dengan menggunakan teknik mikromanipulasi. Dari tahap ini akan didapatkan sel telur tanpa inti atau disebut dengan enucleated egg cell.

2. Tahap kedua, yaitu tahap pengambilan sel somatik dari bagian tubuh hewan atau makhluk hidup tertentu yang ingin kita klon.

3. Tahap ketiga, pada tahap ini dilakukan pengambilan inti (2n) dari sel somatik tadi untuk kemudian diintroduksikan ke dalam enucleated egg cell menggunakan teknik mikroinjeksi.

34

4. Tahap keempat, sel telur yang berisi inti sel somatik (2n) kemudian akan dipaparkan terhadap gelombang arus listrik searah yang mana akan membuatnya berkembang dan membelah menjadi blastosit. Kemudian, sel telur yang telah dimanipulasi tersebut ditempatkan dalam tubuh inang (surrogate mother) hingga perkembangannya sempurna.

b. Kloning Terapeutik

Kloning terapeutik dengan menggunakan teknik SCNT merupakan bagian dari terapi sel induk yang bertujuan untuk menghindari adanya reaksi penolakan terhadap sistem imun pasien pada saat dilakukan terapi. Terapi sel induk diketahui memiliki potensi yang sangat menjanjikan untuk terapi berbagai penyakit. Hingga saat ini terdapat total 3 golongan penyakit yang dapat diatasi dengan penggunaan terapi sel induk, antar lain: penyakit autoimun seperti contohnya penyakit lupus, penyakit degeneratif (contohnya: stroke, parkinson, dan alzhimer), dan penyakit kanker seperti contohnya leukimia.

Sel induk memiliki sifat sangat plastis dan mudah untuk dikembangkan menjadi berbagai macam jaringan sel, seperti neuron, kardiomiosit, osteoblas, fibroblas, dsb. Oleh karena sifatnya tersebutlah, sel induk dapat digunakan untuk transplantasi jaringan yang rusak. Seringkali dalam operasi transplantasi jaringan, terjadi penolakan dari sistem imun tubuh si pasien sehingga mengganggu sekaligus menyulitkan proses transplantasi. Penolakan tersebut seringkali disebut dengan Graft versus Host Disease (GVHD). Salah satu cara untuk menghindari terjadinya GVHD tersebut adalah dengan menggunakan sel induk embrionik sintetis yang dikembangkan dari sel somatik yang bersumber dari pasien itu sendiri sehingga cocok dengan sistem imunnya dan tidak akan terjadi penolakan lagi. Sel induk embrionik sintetis tersebut dapat dibuat dengan memanfaatkan teknik SCNT.

Berikut ini adalah tahapan-tahapan dalam melakukan kloning terapeutik: 1. Pertama, dengan menggunakan bantuan mikroskop, pergerakan dari sel telur donor

ditahan dengan menggunakan holding pipette. Kemudian dilakukan pengambilan inti dari sel telur tersebut sehingga diperoleh enucleated egg cell.

2. Kedua, dilakukan pengambilan sel somatik dari tubuh pasien. DNA atau inti dari sel somatik pasien tersebut kemudian diintroduksikan ke dalam enucleated egg cell menggunakan injection pipette.

3. Ketiga, setelah proses introduksi tersebut, sel telur yang telah dimanipulasi tersebut dikultur secara in vitro menjadi blastosit selama 5-6 hari. Lalu blastosit akan diisolasi hingga berkembang menjadi sel induk embrionik yang memilki profil imunologi yang sama persis dengan si pasien.

4. Sel induk embrionik ini kemudian diarahkan perkembangannya menjadi suatu jaringan atau organ tertentu yang dapat digunakan untuk transplantasi jaringan atau organ yang tidak akan mengalami rejeksi sitem imun pada pasien tubuh si pasien (immunologically complatible transplant).

35

Gambar B.3.b. Perbedaan antara fertilisasi alami, kloning reproduktif, dan kloning terapeutik

(sumber: http://sci-indonesia.org)

4. Insulin Sintetis

Insulin merupakan hormon pengendali kadar gula dalam darah yang dihasilkan oleh kelenjar pankreas. Insulin pertama kali di ekstraksi dari jaringan pankreas anjing pada tahun 1921 oleh para ahli fisiologi asal kanada Sir Federick Glant Banting dan Charles Hebert Best serta ahli fisiologi asal Inggris John James Richard Macleod. Pada tahun 1965, insulin manusia telah berhasil disintesis secara kimia, menjadikannya protein manusia pertama yang dapat disintesis secara kimia. Pada tahun 1981 telah terjadi perbaikan secara berarti cara produksi insulin melalui rekayasa genetika. Insulin yang diperoleh dengan cara rekayasa genetika ini memiliki struktur yang sangat mirip dengan insulin yang dihasilkan dalam tubuh manusia. Melalui teknologi DNA rekombinan, insulin diproduksi menggunakan sel mikroba non-patogen. Insulin hasil rekayasa genetika ini diketahui memiliki efek samping yang relatif jauh lebih rendah dibandingkan dengan insulin yang diperoleh dari ekstrak pankreas hewan (biasaya sapi dan babi), tidak menimbulkan efek alergi pada penggunanya, serta tidak mengandung kontaminan berbahaya. Keberadaan teknologi rekayasa genetika dalam pembuatan insulin sintetis sangat berguna dalam dunia kesehatan, khususnya bagi para penderita penyakit diabetes. Tahap-tahap dalam pembuatan insulin melalui teknologi DNA rekombinan yang memanfaatkan sel mikroba non-patogen adalah sebagai berikut: 1. Tahap pertama dalam membuat bakteria yang bisa menghasilkan insulin adalah dengan

mengisolasi plasmid pada bakteri tersebut yang akan direkayasa. Plasmid adalah materi genetik berupa DNA yang terdapat pada bakteria namun tidak tergantung pada kromosom karena tidak berada di dalam kromosom.

2. Kemudian plasmid tersebut dipotong dengan menggunakan enzim pada sekuen tertentu sebagai calon tempat gen baru yang nantinya dapat membuat insulin.

3. Gen yang dapat mengatur sekresi (pembuatan) insulin diambil dari kromosom yang berasal dari sel manusia.

4. Gen yang telah dipotong dari kromosom sel manusia itu kemudian direkatkan di plasmid tadi tepatnya di tempat yang sebelumnya sudah disiapkan pada tahap kedua.

5. Plasmid yang sudah disisipi gen manusia itu kemudian dimasukkan kembali ke dalam bakteria.

6. Bakteria yang telah mengandung gen manusia itu selanjutnya berkembang biak dan menghasilkan insulin yang dibutuhkan dalam jumlah tak terbatas.

36

Gambar B.4.1 Pengkloningan pada plasmid

(sumber: www.accessexcellent.org)

C. Agrikultural

1. Tanaman Transgenik

Tanaman transgenik merupakan tanaman yang mengandung sebuah atau banyak gen yang telah disisipkan secara artifisial (bukan melalui penyerbukan). Sekuen gen yang disisipkan (dikenal sebagai transgen) dapat berasal dari dari jenis tanaman lain yang tidak berhubungan ataupun dari spesies yang sama sekali berbeda, contohnya jagung Bt transgenik yang mengandung gen dari bakteri Bacillus thuringiensis sehingga mampu menghasilkan insektidanya sendiri. Tanaman-tanaman yang mengandung transgen seringkali disebut sebagai Genetically Modified Crops (GMC).

Gambar C.1.1 Mekanisme pertahanan Jagung Bt Transgenik

(sumber: www.scq.ubc.ca)

37

Para breeder tanaman biasanya berusaha untuk mengaplikasikan beberapa macam kombinasi gen pada tanamannya dengan tujuan agar tanamannya tersebut memiliki produktivitas setinggi mungkin. Bergantung pada lokasi dan tujuan dari penanaman tanaman, kombinasi gen yang diinginkan dapat menawarkan berbagai fitur semacam peningkatan produktivitas atau pengingkatan kualitas, ketahanan terhadap hama, ketahanan terhadap suhu tinggi ataupun rendah, dll. Sebelum teknologi tanaman transgenik ini ditemukan, para breeder tanaman harus melakukan penyilangan (penyerbukan silang) terhadap tanaman-tanamannnya secara manual. Ditambah lagi penyilangan tersebut tidak boleh dilakukan secara sembarangan, jenis tanaman yang akan disilangkan haruslah tanaman yang memiliki hubungan kekerabatan. Hal tersebut tentunya sangat memakan waktu dan tenaga. Pada sekitar tahun 1980an, ditemukanlah teknologi penyisipan gen pada tanaman yang kemudian dikenal dengan sebutan teknologi transgenik. Teknologi transgenik tersebut memungkinkan para breeder tanaman untuk menyisipkan berbagai gen dari berbagai jenis makhluk hidup pada tanamannya. Teknologi transgenik ini dapat dilakukan tidak lain berkat keberadaan DNA yang secara universal ada pada sel seluruh makhluk hidup.

Dalam implementasinya, teknologi transgenik pada tanaman ini dilakukan melalui beberapa tahapan sebagai berikut: Tahap pertama, yang harus dilakukan pertama kali adalah mengidentifikasi dan melokasikan gen-gen yang mengekspresikan karakteristik penting bagi tanaman. Proses identifikasi dan pelokasian ini merupakan proses yang cukup sulit karena untuk mengidentifikasi karakteristik yang diekspresikan oleh suatu gen, seorang peneliti harus terlebih dahulu memahami bagaimana regulasi dari gen tersebut, efek yang mungkin ditimbulkan gen tersebut pada tanaman yang akan disisipkan nantinya, dan bagimana gen tersebut berinteraksi dengan gen-gen aktif lainnya. Setelah kita berhasil mengidentifikasi gen yang hendak kita sisipkan, langkah berikutnya adalah mengisolasi dan mengkloning gen tersebut dalam vektor bakteri. Tahap kedua, gen yang tadi telah diisolasi dan dikloning dalam vektor bakteri harus menjalani beberapa tahapan modifikasi sebelum dapat secara efektif disisipkan pada tanaman. Adapun tahapan-tahapan modifikasi tersebut antara lain:

1. Tahap insersi sekuen promotor, sebagai tombol on/off yang mengontrol kapan dan pada bagian tumbuhan mana gen akan diekspresikan. Promotor yang biasanya digunakan adalah CaMV35S yang berasal dari virus mosaik pada kembang kol.

2. Tahap modifikasi lanjutan, ditujukan untuk meningkatkan ekspresi gen pada tanaman nantinya.

3. Tahap penyisipan sekuen terminasi yang berfungsi mengirimkan sinyal ke cellular machinery bahwa akhir dari transgen telah tercapai.

4. Tahap penambahan gen penanda yang berfungsi untuk mengidentifikasi sel-sel atau jaringan-jaringan tanaman yang telah berhasil mengintegrasi transgen.

Berikut ini adalah ilustrasi transgen (gen yang akan disisipkan) setelah melalui keempat tahapan modifikasi.

Gambar C.1.2 Ilustrasi transgen yang telah dimodifikasi

(Sumber: http://cls.casa.colostate.edu/transgeniccrops/how.html)

Tahap ketiga, setelah didapatkan transgen yang telah termodifikasi maka prosedur penyisipan transgen ke dalam tanaman dapat dilaksanakan. Terdapat dua jenis metode yang dapat digunakan dalam prosedur penyisipan transgen ini, yaitu: metode Gene Gun (metode biolistic) dan metode Agrobacterium. Dari kedua jenis metode tersebut, metode Agrobacterium adalah metode yang paling sering digunakan karena lebih mudah untuk dipantau dan dapat diaplikasikan baik pada tanaman dikotil maupun monokotil. Metode ini memanfaatkan bakteri Agrobacterium tumefaciens, yang merupakan bakteria tanah yang memiliki kemampuan untuk menginfeksi sel-sel

38

tanaman dengan sepotong DNAnya, sebagai vektor dari transgen. Dalam sel Agrobacterium tumefaciens, DNA terkandung dalam kromosom bakteri dan juga pada struktur Ti-plasmid (lihat Gambar C.1.3). Ti-plasmid mengandung sederet gen virulens yang berfungsi mengarahkan proses infeksi dan seuntai T-DNA yang merupakan sepotong DNA yang akan ditransfer ke sel tanaman melalui proses infeksi.

Gambar C.1.3 Ilustrasi sel dari Agrobacterium tumefaciens

(Sumber: http://cls.casa.colostate.edu/transgeniccrops/how.html)

Agrobacterium tumefaciens hanya dapat menginfeksi sel-sel tanaman melalui luka yang terdapat pada bagian tanaman. Luka yang terdapat pada akar atau batang tanaman akan memberikan sinyal kimia tertentu pada Agrobacterium tumefaciens. Sinyal kimia tersebut akan direspon dengan aktifnya gen virulen yang kemudian akan mengarahkan proses infeksi untuk mentransfer T-DNA dari Ti-plasmid ke kromosom tanaman. Dalam metode transgenik Agrobacterium, posisi T-DNA ditukar dengan transgen yang hendak disisipkan ke dalam tanaman. Tahap keempat, setelah prosedur penyisipan transgen telah berhasil dilakukan maka selanjutnya dilakukan proses pemilihan jaringan-jaringan tanaman yang berhasil bertransformasi dan berintegrasi dengan transgen. Jaringan-jaringan tanaman tersebut kemudian diletakkan pada medium selektif yang mengandung antibiotik atau herbisida. Kemudian jaringan-jaringan tanaman tersebut akan melalui tahapan regenerasi untuk menjadi tanaman seutuhnya pada lingkungan laboratorium yang terkontrol. Pada tahapan regenerasi ini, hanya jaringan tanaman yang mampu berintegrasi dengan transgenik lah yang mampu bertahan.

39

Gambar C.1.4 Ilustrasi mekanisme transgenik tanaman menggunakan bakteri A. tumefaciens

(sumber: www.mun.ca)

Daftar Pustaka

Sulichantini, Ellok Dwi. 2006. Tanaman dan Pangan Transgenik di Sekitar Kita. Jurnal Teknologi Pertanian 2(2): 38-43

Malik, Amarila. 2005. RNA Therapeutic, Pendekatan Baru dalam Terapi Gen. Majalah Ilmu Kefarmasian 2(2): 51-61

Setiawan, Melina., Caroline Tan Sardjono, dan Ferry Sandra. 2008. Menuju Kloning Terapeutik dengan Teknik SCNT. CDK 161 35(2)

National Institutes of Health U.S. 2014. Help Me Understand Genetics: Genetic Testing. Februari. Amerika Serikat

Ward, Sarah. 2004. How Do You Make A Transgenic Plant?. http://cls.casa.colostate.edu/transgeniccrops/how.html. 16 Februari 2014

Ward, Sarah. 2004. How Do You Make A Transgenic Plant?. http://cls.casa.colostate.edu/transgeniccrops/what.html. 16 Februari 2014

40

DNA Junction. 2014. Mitochondrial DNA (mtDNA) Sequencing.

http://www.dnajunction.com/technology/mtdna.php. 23 Februari 2014

ATDBio. 2014. Sequencing, Forensic Analysis And Genetic Analysis.

http://www.atdbio.com/content/20/Sequencing-forensic-analysis-and-genetic-analysis. 23 Februari

2014

Campeau, Anaamika. 2013. Small Interference, Big Impact?.

http://sciencereview.berkeley.edu/article/small-interference-big-impact/. 23 Februari 2014

41

Sintesis Asam Nukleat (DNA dan RNA)

Oleh : Ainu Safira Corni / 1206263332

ABSTRAK

Deoxyribonucleic acid atau DNA adalah molekul yang menyimpan dan melewatkan semua informasi yang diperlukan dari satu generasi ke generasi lain. Kode kimia sederhana dari molekul DNA menimbulkan kompleksitas besar dari semua organisme hidup. Dalam lembaran ini akan dijelaskan proses dan cara DNA serta RNA melakukan sintesis. Replikasi DNA adalah proses perbanyakan rantai double helix DNA dengan masing-masing untai DNA yang ada bertindak sebagai cetakan (template) untuk untai komplementer yang baru. Sebelum masuk ke dalam tahap inti penggandaan DNA, rantai DNA yang merupakan double helix dipisahkan terlebih dahulu menjadi DNA single helix dengan menggunakan enzim helicase. Proses ini disebut dengan inisiasi.

Setelah menjadi single helix, dilakukanlah sintesis RNA primer yang nantinya akan dilanjutkan dengan pembentukan DNA komplementer dengan menggunakan DNA polymerase. Replikasi DNA dibagi menjadi 2 cara, yaitu leading strand dan lagging strand untuk masing-masing untai yang berbeda. DNA polimerase dapat menambahkan nukleotida baru han

Documents

Makalah Biomol