Tugas MakalahBioteknologi Molekular

BIOTEKNOLOGI MOLEKULAR BERBASIS TEKNOLOGI INFORMASI

Oleh:

Marthinus PongsendanaH311 09 282

Jurusan KimiaFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas HasanuddinMakassar

2012

BAB I

PENDAHULUAN

Saat ini perkembangan bioteknologi molekuler cukup pesat. Besarnya

database sequence biologi seperti DNA, RNA dan rangkaian protein tentu

memerlukan sistem penggalian data yang tepat dan terotomasi sehingga dapat

mengurangi biaya penelitian.

Pada kajian ilmu biologi molekuler modern dijelaskan bahwa sequence

DNA/RNA dan sequence protein merupakan unit dasar yang terlibat dalam fungsi

biologis khusus sehingga bisa dikatakan bahwa sequence biologis hanyalah

kombinasi dari unit-unit dasar. Karakteristik fungsional dari sequence tersebut

hanya melibatkan struktur utamanya, tetapi juga bentuk tiga dimensinya.

Perkembangan teknologi DNA rekombinan memainkan peranan penting

dalam lahirnya bioinformatika. Teknologi DNA rekombinan memunculkan suatu

pengetahuan baru dalam rekayasa genetika organisme yang dikenal bioteknologi.

Perkembangan bioteknologi dari bioteknologi tradisional ke bioteknologi modern

salah satunya ditandainya dengan kemampuan manusia dalam melakukan analisis

DNA organisme, sekuensing DNA dan manipulasi DNA.

Perkembangan jaringan internet juga mendukung berkembangnya

bioinformatika. Pangkalan data bioinformatika yang terhubungkan melalui

internet memudahkan ilmuwan dalam mengumpulkan hasil sekuensing ke dalam

pangkalan data tersebut serta memperoleh sekuens biologi sebagai bahan analisis.

Selain itu, penyebaran program-program aplikasi bioinformatika melalui internet

memudahkan ilmuwan dalam mengakses program-program tersebut dan

kemudian memudahkan pengembangannya.

BAB II

ISI

Bioinformatika merupakan ilmu terapan yang lahir dari perkembangan

teknologi informasi dibidang molekular. Pembahasan dibidang bioinformatika ini

tidak terlepas dari perkembangan biologi molekular modern, salah satunya

peningkatan pemahaman manusia dalam bidang genomic yang terdapat dalam

molekul DNA. Kemampuan untuk memahami dan memanipulasi kode genetik

DNA ini sangat didukung oleh teknologi informasi melalui perkembangan

hardware dan soffware. Baik pihak pabrikan sofware dan harware maupun pihak

ketiga dalam produksi perangkat lunak. Salah satu contohnya dapat dilihat pada

upaya Celera Genomics, perusahaan bioteknologi Amerika Serikat yang

melakukan pembacaan sekuen genom manusia yang secara maksimal

memanfaatkan teknologi informasi sehingga bisa melakukan pekerjaannya dalam

waktu yang singkat (hanya beberapa tahun) (Jokojowo, 2012).

Bioteknologi modern lahir tahun 70-an diawali dengan inovasi ilmuwan

AS mengembangkan teknologi DNA rekombinan. Berkat penemuan ini lahirlah

perusahaan bioteknologi pertama di dunia, Genentech di AS yang segera

memproduksi protein hormon, insulin yang dibutuhkan penderita diabetes, dalam

bakteri. Selama ini insulin hanya bisa didapatkan dalam jumlah sangat terbatas

dari organ pankreas sapi. Sebagaimana TI, saat ini produk bioteknologi telah

mengimbas bahkan kepada kebutuhan hidup sehari-hari masyarakat seperti

pangan, kosmetika, dsb.

Gambar 1. Sentral dogma: Arus informasi dalam sel .

Ciri dari bioteknologi modern tadi adalah kemampuan pada manipulasi

DNA. Rantai/sekuen DNA yang mengkode protein disebut gen. Gen itu

ditranskripsikan menjadi mRNA yang selanjutnya mRNA ditranslasikan menjadi

protein (Gambar 1). Protein sebagai produk akhir adalah yang bertugas

menunjang seluruh proses kehidupan antara lain sebagai katalis reaksi biokimia

dalam tubuh (protein ini disebut enzim), ikut serta dalam sistem pertahanan tubuh

melawan virus, parasit dll (disebut antibodi), menyusun struktur tubuh dari ujung

kaki (otot terbentuk dari protein actin, myosin, dsb) sampai ujung rambut (rambut

tersusun dari protein keratin), dll. Arus informasi, DNA -> RNA -> Protein, inilah

yang disebut sentral dogma dalam bioteknologi (Witarto, 2003).

Salah satu input penting untuk riset biologi molekuler dan pengembangan

bioteknologi adalah gen, bagian dari genom yang membawa sifat suatu

organisme. Usaha untuk memahami ataupun memodifikasi berbagai proses

biologi pada tingkat molekuler, memerlukan tersedianya gen-gen yang terlibat di

dalam proses tersebut termasuk informasi yang terkait dengan gengen tersebut.

Identifikasi dan karakterisasi gen seringkali diperlukan dalam berbagai percobaan

molekuler antara lain isolasi, kloning ataupun mempelajari ekspresinya. Untuk itu

diperlukan adanya pelacak spesifik gen yang dapat mengidentifikasi

keberadaannya maupun ekspresinya dengan cara yang mudah namun akurat. Ada

beberapa pendekatan yang dapat digunakan untuk mengembangkan pelacak

spesifik tersebut. Pendekatan yang memanfaatkan kemajuan bioinformatika dan

teknik PCR, saat ini merupakan salah satu cara yang relatif mudah yang dapat

dilakukan (Santoso, 2001).

Pada abad ke-21 ini ilmu pengetahuan yang dikembangkan oleh manusia

maju sangat pesat. Banyak penemuan-penemuan baru di berbagai bidang yang

sebelumnya sulit untuk diperkirakan. Salah satu bidang yang berkembang sangat

cepat adalah teknolgi informasi (TI). Berbagai produk dan jasa dalam bidang

teknologi informasi mulai dari komputer pribadi, internet, handphone sudah

dinikmati oleh masyarakat luas. Kekuatan inovasi teknologi yang disepadankan

dengan teknologi informasi saat ini adalah bioteknologi yang merupakan salah

satu cabang ilmu biologi. Dengan adanya bioteknologi modern yang ditandai

dengan kemampuan manusia untuk memanipulasi kode genetik DNA. Berbagai

aplikasinya telah merambah berbagai sektor seperti kedokteran, pangan, dan

lingkungan. Ledakan informasi dari kemajuan bioteknologi seperti data sekuen

DNA dari pembacaan genom, data sekuen dan struktur protein sampai kepada

data transkripsi RNA berkat teknologi DNA chip, telah mendorong lahirnya

bioinformatika yang digunakan untuk mengorganisasi dan menganalisis data-data

tersebut menjadi sebuah informasi biologis yang bermakna. Di Indonesia

bioinformatika masih belum dikenal oleh masyarakat luas. Di kalangan peneliti

sendiri, mungkin hanya para peneliti biologi molekuler yang sedikit banyak

mengikuti perkembangannya karena keharusan menggunakan perangkat-

perangkat bioinformatika untuk analisa data. Bioinformatika ini penting untuk

manajemen data-data dari dunia biologi dan kedokteran modern. Tidaklah dapat

dimungkiri kalau bioinformatika telah mempercepat kemajuan ilmu biologi. Lebih

jauh lagi, kalau dilihat dari bidang yang lebih spesifik, kemajuan suatu bidang

sangat dipengaruhi oleh kemajuan bioinformatika. Bermacam database telah

dibuat dan banyak perangkat lunak telah diciptakan yang menunjukkan trend

kepada spesialisasi tujuan. Walaupun negara berkembang seperti Indonesia

kurang dapat berpartisipasi dalam eksperimen bioteknologi yang padat informasi

untuk pengumpulan informasi dalam database-database itu, peluang untuk

memanfaatkannya melalui bioinformatika terbuka lebar karena sifatnya yang

terbuka. Aplikasi TI dalam bidang biologi atau life sciences yang melahirkan

bidang bioinformatika akan menjadi semakin penting di masa depan, tidak hanya

mempercepat kemajuan bioteknologi namun juga menjembatani dua bidang baru

tersebut yaitu TI dan bioteknologi. Sebagaimana TI, saat ini produk bioteknologi

telah mengimbas bahkan kepada kebutuhan hidup sehari-hari masyarakat seperti

pangan dan kesehatan. Ciri dari bioteknologi modern adalah kemampuan pada

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

Gen itu ditranskripsikan menjadi mRNA yang selanjutnya mRNA ditranslasikan

menjadi protein. Protein sebagai produk akhir bertugas menunjang seluruh proses

kehidupan antara lain sebagai katalis reaksi biokimia dalam tubuh, sering disebut

dengan enzim, ikut serta dalam sistem pertahanan tubuh melawan virus atau

parasit yang disebut antibodi, Arus informasi, dari DNA ke RNA, lalu ke Protein,

inilah yang disebut pemikiran utama dalam biologi. Hanya 20-an tahun sejak

bioteknologi modern lahir, terjadilah ledakan data biologis yang mencengangkan.

Hal ini disebabkan oleh kemajuan teknologi biologi molekuler itu sendiri

(misalnya DNA rekombinan dan PCR) dan ditunjang dengan peralatan yang

memadai membuat waktu dan biaya lebih pendek/murah. Ledakan awal dimulai

dari data DNA. Tahun 1977 untuk pertamakalinya sekuen DNA satu organisme

dibaca secara menyeluruh yaitu pada sejenis virus yang memiliki kurang lebih

5.000 nukleotida/molekul DNA atau sekitar 11 gen. Sekarang sudah ada milyaran

data nukleotida tersimpan dalam database DNA, GenBank di AS yang didirikan

tahun 1982. Sekuen seluruh DNA manusia yang terdiri dari 3 milyar nukleotida

dirampungkan dalam waktu 3 tahun. Di Indonesia, dengan membayar $15, kita

bisa membaca sekuen 500-an nukleotida di Lembaga Biologi Molekuler Eijkman,

Jakarta. Trend yang sama juga nampak pada database lain seperti database sekuen

asam amino penyusun protein dan database struktur 3D protein. Inovasi teknologi

DNA chip yang dipelopori oleh perusahaan bioteknologi AS, Affymetrix di

Silicon Valley telah mendorong munculnya database baru mengenai RNA.

Dengan ini, riset tidak dilakukan lagi satu persatu terhadap molekul

(DNA/RNA/protein) yang diminati, namun pada keseluruhan atau satu set

masing-masing molekul (untuk DNA dari gen ke genom, untuk RNA disebut

transkriptom dan proteom untuk protein). Ledakan data atau informasi biologi itu

yang mendorong lahirnya Bioinformatika. Bioinformatika didefenisikan sebagai

aplikasi dari alat komputasi dan analisa untuk menangkap dan

menginterpretasikan data-data biologi. Karena Bioinformatika adalah bidang yang

relatif baru, masih banyak kesalahpahaman mengenai definisinya. Bioinformatika

muncul atas desakan kebutuhan untuk mengumpulkan, menyimpan dan

menganalisis data-data biologis dari database DNA, RNA maupun protein tadi.

Untuk mewadahinya beberapa jurnal baru bermunculan (misalnya Applied

Bioinformatics), atau berubah nama seperti Computer Applications in the

Biosciences (CABIOS) menjadi BIOInformatic yang menjadi official journal dari

International Society for Computational Biology (ICSB). Beberapa topik utama

dalam Bioinformatika dijelaskan di bawah ini. Keberadaan database adalah syarat

utama dalam analisa Bioinformatika. Database informasi dasar telah tersedia saat

ini. Untuk database DNA yang utama adalah GenBank di AS. Sementara itu bagi

protein, databasenya dapat ditemukan di Swiss-Prot (Swiss) untuk sekuen asam

aminonya dan di Protein Data Bank (PDB) (AS) untuk Pertumbuhan data

nukleotida atau basa DNA dalam GenBank. Data yang berada dalam database itu

hanya kumpulan/arsip data yang biasanya dikoleksi secara sukarela oleh para

peneliti, namun saat ini banyak jurnal atau lembaga pemberi dana penelitian

mewajibkan penyimpanan dalam database. Trend yang ada dalam pembuatan

database saat ini adalah isinya yang makin spesialis. Setelah informasi terkumpul

dalam database, langkah berikutnya adalah menganalisis data. Pencarian database

umumnya berdasar hasil alignment atau pensejajaran sekuen, baik sekuen DNA

maupun protein. Metode ini digunakan berdasar kenyataan bahwa sekuen DNA

atau protein bisa berbeda sedikit tetapi memiliki fungsi yang sama. Kegunaan dari

pencarian ini adalah ketika mendapatkan suatu sekuen DNA atau protein yang

belum diketahui fungsinya maka dengan membandingkannya dengan yang ada

dalam database bisa diperkirakan fungsinya. Algoritma untuk pattern recognition

seperti Neural Network, Genetic Algorithm dll telah dipakai dengan sukses untuk

pencarian database ini. Salah satu perangkat lunak pencari database yang paling

berhasil dan bisa dikatakan menjadi standar sekarang adalah BLAST (Basic Local

Alignment Search Tool). Perangkat lunak ini telah diadaptasi untuk melakukan

alignment terhadap berbagai sekuen seperti DNA (blastn), protein (blastp). Baru-

baru versi yang fleksibel untuk dapat beradaptasi dengan database yang lebih

variatif telah dikembangkan dan disebut Gapped BLAST serta PSI (Position

Specific Iterated)-BLAST. Sementara itu perangkat lunak yang digunakan untuk

melakukan alignment terhadap sekuen terbatas di antaranya yang lazim digunakan

adalah CLUSTAL dan CLUSTAL W. Data yang memerlukan analisis

bioinformatika dan cukup mendapat banyak perhatian saat ini adalah data hasil

DNA chip. Menggunakan perangkat ini dapat diketahui kuantitas maupun kualitas

transkripsi satu gen sehingga bisa menunjukkan gen-gen apa saja yang aktif

terhadap perlakuan tertentu, misalnya timbulnya kanker. mRNA yang diisolasi

dari sampel dikembalikan dulu dalam bentuk DNA menggunakan reaksi reverse

transcription. Selanjutnya melalui proses hibridisasi, hanya DNA yang

komplementer saja yang akan berikatan dengan DNA di atas chip. DNA yang

telah diberi label warna berbeda ini akan menunjukkan pattern yang unik.

Berbagai algoritma pattern recognition telah digunakan untuk mengenali gen-gen

yang aktif dari eksperimen DNA chip ini, salah satunya yang paling ampuh adalah

Support Vector Machine (SVM). Sementara itu di kalangan TI masih kurang

mendapat perhatian. Ketersediaan database dasar (DNA, protein) yang bersifat

terbuka dan gratis merupakan peluang besar untuk menggali informasi berharga.

Sudah disepakati, database genom manusia misalnya akan bersifat terbuka untuk

seluruh kalangan. Dari database tersebut bisa digali gen-gen yang memiliki

potensi kedokteran/farmasi. Dari sinilah Indonesia dapat ikut berperan

mengembangkan bioinformatika. Kerjasama antara peneliti bioteknologi yang

memahami makna biologis data tersebut dengan praktisi IT seperti programmer

akan sangat berperan dalam kemajuan Bioinformatika Indonesia nantinya.

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

kedokteran modern. Perangkat utama Bioinformatika adalah program software

dan didukung oleh kesediaan internet. Saat ini, perkembangan ilmu biologi sangat

dipengaruhi oleh perkembangan ilmu bioinformatika. Tidaklah dapat dimungkiri

kalau bioinformatika telah mempercepat kemajuan ilmu biologi. Lebih jauh lagi,

kalau dilihat dari bidang yang lebih spesifik, kemajuan suatu bidang sangat

dipengaruhi oleh kemajuan bioinformatika. Semakin maju bioinformatika di suatu

bidang (ditandai dengan banyaknya software yang tersedia), semakin maju

pulalah bidang tersebut.

Ada banyak sekali penerapan bioinformatika, mulai dari manajemen data

hingga penggunaannya pada dunia kebiologian dan turunannya untuk kepentingan

dalam dunia pendidikan. misalnya Bioinformatika dalam Virologi. Sebelum

kemajuan bioinformatika, untuk mengklasifikasikan virus kita harus melihat

morfologinya terlebih dahulu. Untuk melihat morfologi virus dengan akurat,

biasanya digunakan mikroskop elektron yang harganya sangat mahal sehingga

tidak bisa dimiliki oleh semua laboratorium. Selain itu, kita harus bisa

mengisolasi dan mendapatkan virus itu sendiri. Isolasi virus adalah suatu

pekerjaan yang tidak mudah. Banyak virus yang tidak bisa dikulturkan, apalagi

diisolasi. Walaupun untuk beberapa virus bisa dikulturkan, tidak semuanya bisa

diisolasi dengan mudah. Oleh karena itu, sebelum perkembangan bioinformatika,

kita tidak bisa mengidentifikasi dan mengklasifikasikan virus-virus semacam ini.

Dengan kemajuan teknik isolasi DNA/RNA, teknik sekuensing dan ditunjang

dengan kemajuan bioinformatika, masalah diatas bisa teratasi. Untuk

mengidentifikasi dan mengklasifikasikan virus, isolasi virus tidak lagi menjadi

suatu hal yang mutlak. Kita cukup dengan hanya melakukan sekuensing terhadap

gen-nya. Ini adalah salah satu hasil kemajuan bioinformatika yang nyata dalam

bidang virologi. Ketersediaan database dasar (DNA, protein) yang bersifat

terbuka/gratis merupakan peluang besar untuk menggali informasi berharga

daripadanya. Sudah disepakati, database genom manusia misalnya akan bersifat

terbuka untuk seluruh kalangan. Dari padanya bisa digali kandidat-kandidat gen

yang memiliki potensi kedokteran/farmasi (Anonim, 2011).

Pemanfaatan bioteknologi, juga telah diterapkan dalam

mengklasifikasikan virus. Untuk klasifikasi virus, ada beberapa hal yang menjadi

dasar pertimbangan. Diantaranya adalah asam nukleat pembentuk genom-nya

(DNA atau RNA), bentuk simetri-nya, eksistensi selaput-nya (envelope), dll [1].

Jauh sebelum perkembangan biologi molekuler, yang menjadi patokan utama

adalah bentuk simetri atau morfologi ini. Salah satu contoh adalah coronavirus

(virus penyebab radang paru-paru (pneumonia) termasuk SARS), yaitu virus yang

mempunyai bentuk seperti mahkota atau “crown” (corona = crown)

Gambar 2. Hasil analisa coronavirus dengan mikroskop elektron

Dalam perjalanan sejarah virologi, hal yang dijadikan pertimbangan untuk

klasifikasi virus mengalami perubahan. Kalau dulunya klasifikasi berdasarkan

morfologi, tempat berkembangbiak, bentuk penyakit merupakan klasifikasi yang

banyak digunakan, saat ini ditambahkan lagi klasifikasi berdasarkan genom virus

tersebut. Klasifikasi ini dinamakan klasifikasi berdasarkan tipe genom atau

disebut juga “genotype”.Bahkan klasifikasi berdasarkan genom inilah yang

banyak digunakan. Hal ini sangat dipengaruhi oleh kemajuan teknologi biologi

molekuler dan perkembangan bioinformatika, sehingga genom virus dapat

diidentifikasi dengan mudah. Saat ini, morfologi bukan lagi menjadi hal yang

mutlak untuk identifikasi dan klasifikasi virus, tapi hanya menjadi salah satu dasar

pertimbangan. Dengan demikian, setiap virus yang bisa diisolasi genomnya, akan

bisa diidentifikasi dan diklasifikasi, walaupun virus tersebut tidak bisa diisolasi.

Hal ini sangat membantu karena isolasi virus bukanlah pekerjaan yang mudah.

Apalagi analisa morfologi memerlukan mikroskop elektron yang harganya sangat

mahal sehingga tidak bisa dimiliki oleh setiap institusi penelitian (Utama, 2003).

BAB III

PENUTUP

Pengembangan bioteknologi molekuler khususnya dalam bioinformatika

telah mendorong kemajuan ilmu-ilmu yang memanfaatkannya. Dan tidak

berkelebihan kalau perkembangan ilmu biologi umumnya dan ilmu-ilmu

turunannya, sangat tergantung kepada perkembangan bioinformatika. Berbagai

tool atau software telah dikembangkan untuk analisa gen virus. Berdasarkan

analisa gen tersebut kita bisa mengklasifikasikan, menganalisa tingkat mutasi,

memprediksi rekombinasi, dan memprediksi bagian antigenik suatu virus.

Walaupun hasil yang didapatkan dengan menggunakan tool bioinformatika ini

hanya memberikan data-data sebagai bahan pertimbangan, bukan hasil akhir,

dengan bioinformatika pekerjaan menjadi cepat karena kita tidak harus melakukan

eksperimen secara try and error. Kerjasama antara peneliti bioteknologi yang

memahami makna biologis data tersebut dengan praktisi IT seperti programmer,

akan sangat berperan dalam kemajuan Bioinformatika Indonesia nantinya.

DAFTAR PUSTAKA

Utama, A., 2003, Aplikasi Bioinformatika dalam Virologi, Ilmu Komputer, 1-10.

Witarto, A., B., 2003, Bioinformatika: Mengawinkan Teknologi Informasi dan Bioteknologi, Pusat Penelitian Bioteknologi LIPI, Bogor.

Anonim, 2012 (online), http://jokojowo.blogspot.com/2012/10/bioinformatika.html diakses pada tanggal 17 oktober 2012 pukul 13:08 WITA.

Santoso, 2001, Pengembangan pelacak DNA spesifik gen melalui bioinformatika: Indentifikasi gen penyandi protein biji 21 kDa pada kakao UAH Indonesia, Menara Perkebunan 69 (1): 10-17.