Download - Resume Biotek
A. PENGERTIAN BIOTEKNOLOGI
Bioteknologi adalah pemanfaatan prinsip-prinsip ilmiah yang menggunakan
makhluk hidup untuk menghasilkan produk dan jasa guna kepentingan manusia.
Ilmu-ilmu pendukung dalam bioteknologi meliputi mikrobiologi, biokimia, genetika,
biologi sel, teknik kimia, dan enzimologi. Dalam bioteknologi biasanya digunakan
mikroorganisme atau bagian-bagiannya untuk meningkatkan nilai tambah suatu
bahan
B. BIOTEKNOLOGI KONVENSIONAL DAN MODERN
Bioteknologi dapat digolongkan menjadi bioteknologi konvensional/
tradisional dan modern.
1. Bioteknologi konvensional
Merupakan bioteknologi yang memanfaatkan mikroorganisme untuk
memproduksi alkohol, asam asetat, gula, atau bahan makanan. seperti tempe,
tape, oncom, dan kecap. Mikroorganisme dapat mengubah bahan pangan.
Proses yang dibantu mikroorganisme, misalnya dengan fermentasi, hasilnya
antara lain tempe, tape, kecap, dan sebagainya termasuk keju dan yoghurt.
Proses tersebut dianggap sebagai bioteknologi masa lalu. Ciri khas yang
tampak pada bioteknologi konvensional, yaitu adanya penggunaan makhluk
hidup secara langsung dan belum tahu adanya penggunaan enzim.
2. Bioteknologi Modern
Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan, para ahli telah mulai
lagi mengembangkan bioteknologi dengan memanfaatkan prinsip-prinsip
ilmiah melalui penelitian. Dalam bioteknologi modern orang berupaya dapat
menghasilkan produk secara efektif dan efisien. Dewasa ini, bioteknologi
tidak hanya dimanfaatkan dalam industri makanan tetapi telah mencakup
berbagai bidang, seperti rekayasa genetika, penanganan polusi, penciptaan
sumber energi, dan sebagainya. Dengan adanya berbagai penelitian serta
perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, maka bioteknologi makin
besar manfaatnya untuk masa-masa yang akan datang.
C. PERANAN BIOTEKNOLOGI DALAM BEBERAPA BIDANG
1 . Bioteknologi bidang kedokteran
Bioteknologi mempunyai peran penting dalam bidang kedokteran,
misalnya dalam pembuatan antibodi monoklonal, vaksin, antibiotika dan hormon.
1) Pembuatan antibodi monoklonal
Antibodi monoklonal adalah antibodi yang diperoleh dari suatu sumber tunggal.
Manfaat antibodi monoklonal, antara lain:
a) untuk mendeteksi kandungan hormon korionik gonadotropin dalam urine wanita
hamil;
b) mengikat racun dan menonaktifkannya;
c) mencegah penolakan tubuh terhadap hasil transplantasi jaringan lain.
2) Pembuatan vaksin
Vaksin digunakan untuk mencegah serangan penyakit terhadap tubuh yang berasal
dari mikroorganisme. Vaksin didapat dari virus dan bakteri yang telah dilemahkan
atau racun yang diambil dari mikroorganisme tersebut.
1) Pembuatan antibiotika
Antibiotika adalah suatu zat yang dihasilkan oleh organisme tertentu dan berfungsi
untuk menghambat pertumbuhan organisme lain yang ada di sekitarnya. Antibiotika
dapat diperoleh dari jamur atau bakteri yang diproses dengan cara tertentu. Zat
antibiotika telah mulai diproduksi secara besar-besaran pada Perang Dunia II oleh
para ahli dari Amerika Serikat dan Inggris.
4) Pembuatan hormon
Dengan rekayasa DNA, dewasa ini telah digunakan mikroorganisme
untuk memproduksi hormon. Hormon-hormon yang
telah diproduksi, misalnya insulin, hormon pertumbuhan, kortison,
dan testosteron.
2. Bioteknologi bidang pertanian
Dewasa ini perkembangan industri maju dengan pesat. Akibatnya, banyak lahan
pertanian yang tergeser, lebih-lebih di daerah sekitar perkotaan. Di sisi lain
kebutuhan akan hasil pertanian harus ditingkatkan seiring dengan meningkatnya
jumlah penduduk. Untuk mendukung hal tersebut, dewasa ini telah dikembangkan
bioteknologi di bidang pertanian. Beberapa penerapan bioteknologi pertanian sebagai
berikut.
1) Pembuatan tumbuhan yang mampu mengikat nitrogen
Nitrogen (N2) merupakan unsur esensial dari protein DNA dan RNA. Pada
tumbuhan polong-polongan sering ditemukan nodul pada akarnya. Di dalam nodul
tersebut terdapat bakteri Rhizobium yang dapat mengikat nitrogen bebas dari udara,
sehingga tumbuhan polong-polongan dapat mencukupi kebutuhan nitrogennya
sendiri. Dengan bioteknologi, para peneliti mencoba mengembangkan agar bakteri
Rhizobium dapat hidup di dalam akar selain tumbuhan polong-polongan. Di samping,
itu juga berupaya meningkatkan kemampuan bakteri dalam mengikat nitrogen dengan
teknik rekombinasi gen. Kedua upaya di atas dilakukan untuk mengurangi atau
meniadakan penggunaan pupuk nitrogen yang dewasa ini banyak digunakan di lahan
pertanian dan menimbulkan efek samping yang merugikan.
2) Pembuatan tumbuhan tahan hama
Tanaman yang tahan hama dapat dibuat melalui rekayasa genetika dengan
rekombinasi gen dan kultur sel. Contohnya, untuk mendapatkan tanaman kentang
yang kebal penyakit maka diperlukan gen yang menentukan sifat kebal penyakit. Gen
tersebut, kemudian disisipkan pada sel tanaman kentang. Sel tanaman kentang
tersebut, kemudian ditumbuhkan menjadi tanaman kentang yang tahan penyakit.
Selanjutnya tanaman kentang tersebut dapat diperbanyak dan disebarluaskan.
3. Bioteknologi bidang peternakan
Dengan bioteknologi dapat dikembangkan produk-produk peternakan. Produk
tersebut, misalnya berupa hormon pertumbuhan yang dapat merangsang pertumbuhan
hewan ternak. Dengan rekayasa genetika dapat diciptakan hormon pertumbuhan
hewan buatan atau BST (Bovin Somatotropin Hormon). Hormon tersebut direkayasa
dari bakteri yang, jika diinfeksikan pada hewan dapat mendorong pertumbuhan dan
menaikkan produksi susu sampai 20%.
4. Bioteknologi bahan bakar masa depan
Kita sudah mengetahui bahwa bahan bakar minyak termasuk sumber daya yang tidak
bisa diperbarui. Oleh karena itu, suatu saat akan habis. Hal itu merupakan tantangan
bagi para ilmuwan untuk menemukan bahan bakar pengganti yang diproduksi melalui
bioteknologi. Saat ini telah ditemukan dua jenis bahan bakar yang diproduksi dari
fermentasi limbah, yaitu gasbio (metana) dan gasohol (alkohol). Alternatif bahan
bakar masa depan untuk menggantikan minyak, antara lain adalah biogas dan
gasohol. Biogas dibuat dalam fase anaerob dalam fermentasi limbah kotoran makhluk
hidup. Padafase anaerob akan dihasilkan gas metana yang dibakar dan
digunakanuntuk bahan bakar.Di negara Cina, dan India terdapat beberapa kelompok
masyarakat yang hidup di desa yang telah menerapkan teknologi fermenter gasbio
untuk menghasilkan metana. Bahan baku teknologi fermenter tersebut adalah feses
hewan, daun-daunan, kertas, dan lain-lain yang akan diuraikan oleh bakteri dalam
fermenter. Sedangkan teknologi gasohol telah dikembangkan oleh negara Brazil sejak
harga minyak meningkat sekitar tahun 1970. Gasohol dihasilkan dari fermentasi
kapang terhadap gula tebu yang melimpah. Gasohol bersifat murah, dapat diperbarui
dan tidak menimbulkan polusi.
5. Bioteknologi pengolahan limbah
Kaleng, kertas bekas, dan sisa makanan, sisa aktivitas pertanian atau industri
merupakan bahan yang biasanya sudah tak dikehendaki oleh manusia. Bahan-bahan
tersebut dinamakan limbah atau sampah. Keberadaan limbah sangat mengancam
lingkungan. Oleh karena itu, harus ada upaya untuk menanganinya. Penanganan
sampah dapat dilakukan dengan berbagai cara, misalnya dengan ditimbun, dibakar,
atau didaur ulang. Di antara semua cara tersebut yang paling baik adalah dengan daur
ulang. Salah satu contoh proses daur ulang sampah yang telah diuji pada beberapa
sampah tumbuhan adalah proses pirolisis. Proses pirolisis yaitu proses dekomposisi
bahan-bahan sampah dengan suhu tinggi pada kondisi tanpa oksigen. Dengan cara ini
sampah dapat diubah menjadi arang, gas (misal: metana) dan bahan anorganik.
Bahan-bahan tersebut dapat dimanfaatkan kembali sebagai bahan bakar. Kelebihan
bahan bakar hasil proses ini adalah rendahnya kandungan sulfur, sehingga cukup
mengurangi tingkat pencemaran. Bahan hasil perombakan zat-zat makroorganik (dari
hewan, tumbuhan, manusia ataupun gabungannya) secara biologiskimiawi dengan
bantuan mikroorganisme (misalnya bakteri, jamur) serta oleh hewan-hewan kecil
disebut kompos. Dalam pembuatan kompos, sangat diperlukan mikroorganisme. Jenis
mikroorganisme yang diperlukan dalam pembuatan kompos bergantung pada bahan
organik yang digunakan serta proses yang berlangsung (misalnya proses itu secara
aerob atau anaerob). Selama proses pengomposan terjadilah penguraian, misalnya
selulosa, pembentukan asam organik terutama asam humat yang penting dalam
pembuatan humus. Hasil pengomposan bermanfaat sebagai pupuk. Bioteknologi
dapat diterapkan dalam pengolahan limbah, misalnya menguraikan minyak, air
limbah, dan plastik. Cara lain dalam mengatasi polusi minyak, yaitu dengan
menggunakan pengemulsi yang menyebabkan minyak bercampur dengan air
sehingga dapat dipecah oleh mikroba. Salah satu zat pengemulsi, yaitu polisakarida
yang disebut emulsan, diproduksi oleh bakteri Acinetobacter calcoaceticus. Dengan
bioteknologi, pengolahan limbah menjadi terkontrol dan efektif. Pengolahan limbah
secara bioteknologi melibatkan kerja bakteri-bakteri aerob dan anaerob.
D. PROSES BIOTEKNOLOGI
1. Bioteknologi konvensional
a) fermentasi
contoh hasil bioteknologi yang dibuat dengan menggunakan proses fermentasi antara lain:
1. Tempe
Tempe kadang-kadang dianggap sebagai bahan makanan masyarakat
golongan menengah ke bawah, sehingga masyarakat merasa gengsi
memasukkan tempe sebgai salah satu menu makanannya. Akan tetapi, setelah
diketahui manfaatnya bagi kesehatan, tempe mulai banyak dicari dan digemari
masyarakat dalam maupun luar negeri. Jenis tempe sebenarnya sangat
beragam, bergantung pada bahan dasarnya, namun yang paling luas
penyebarannya adalah tempe kedelai. Tempe mempunyai nilai gizi yang baik.
Di samping itu tempe mempunyai beberapa khasiat, seperti dapat mencegah
dan mengendalikan diare, mempercepat proses penyembuhan duodenitis,
memperlancar pencernaan, dapat menurunkan kadar kolesterol, dapat
mengurangi toksisitas, meningkatkan vitalitas, mencegah anemia,
menghambat ketuaan, serta mampu menghambat resiko jantung koroner,
penyakit gula, dan kanker. Untuk membuat tempe, selain diperlukan bahan
dasar kedelai juga diperlukan ragi. Ragi merupakan kumpulan spora
mikroorganisme,dalam hal ini kapang. Dalam proses pembuatan tempe paling
sedikit diperlukan empat jenis kapang dari genus Rhizopus, yaitu Rhyzopus
oligosporus, Rhyzopus stolonifer, Rhyzopus arrhizus, dan Rhyzopus oryzae.
Miselium dari kapang tersebut akan mengikat keping-keping biji kedelai dan
memfermentasikannya menjadi produk tempe. Proses fermentasi tersebut
menyebabkan terjadinya perubahan kimia pada protein, lemak, dan
karbohidrat. Perubahan tersebut meningkatkan kadar protein tempe sampai
sembilan kali lipat.
2. Kecap
Dalam pembuatan kecap, jamur, Aspergillus oryzae dibiakkan pada
kulit gandum terlebih dahulu. Jamur Aspergillus oryzae bersama-sama dengan
bakteri asam laktat yang tumbuh pada kedelai yang telah dimasak
menghancurkan campuran gandum. Setelah proses fermentasi karbohidrat
berlangsung cukup lama akhirnya akan dihasilkan produk kecap.
3. Yoghurt
Untuk membuat yoghurt, susu dipasteurisasi terlebih dahulu, selanjutnya
sebagian besar lemak dibuang. Mikroorganisme yang berperan dalam
pembuatan yoghurt, yaitu Lactobacillus bulgaricusdan, Streptococcus
thermophillus. Kedua bakteri tersebut ditambahkan pada susu dengan
jumlah yang seimbang, selanjutnya disimpan selama ± 5 jam pada
temperatur 45oC. Selama penyimpanan tersebut pH akan turun menjadi 4,0
sebagai akibat dari kegiatan bakteri asam laktat. Selanjutnya susu didinginkan
dan dapat diberi cita rasa.
4. Keju
Dalam pembuatan keju digunakan bakteri asam laktat, yaitu
Lactobacillus dan Streptococcus. Bakteri tersebut berfungsi
memfermentasikan laktosa dalam susu menjadi asam laktat. Proses
pembuatan keju diawali dengan pemanasan susu dengan suhu 90ºC atau
dipasteurisasi, kemudian didinginkan sampai 30ºC. Selanjutnya bakteri asam
laktat dicampurkan. Akibat dari kegiatan bakteri tersebut pH menurun dan
susu terpisah menjadi cairan whey dan dadih padat, kemudian ditambahkan
enzim rennin dari lambung sapi muda untuk mengumpulkan dadih. Enzim
rennin dewasa ini telah digantikan dengan enzim buatan, yaitu klimosin.
Dadih yang terbentuk selanjutnya dipanaskan pada temperature 32ºC – 420ºC
dan ditambah garam, kemudian ditekan untuk membuang air dan disimpan
agar matang. Adapun whey yang terbentuk diperas lalu digunakan untuk
makanan sapi.
5. Mentega
Pembuatan mentega menggunakan mikroorganisme Streptococcus
lactis dan Lectonostoceremoris. Bakteri-bakteri tersebut membentuk proses
pengasaman. Selanjutnya, susu diberi cita rasa tertentu dan lemak mentega
dipisahkan. Kemudian lemak mentega diaduk untuk menghasilkan mentega
yang siap dimakan.
6. Terasi
Terasi adalah salah satu bumbu masak yang dibuat dari proses
fermentasi ikan atau udang, menghasilkan produk akhir berbentuk pasta.
2. Bioteknologi modern
1. Rekayasa genetika
Rekayasa genetika merupakan suatu cara memanipulasikan gen untuk
menghasilkan makhluk hidup baru dengan sifat yang diinginkan. Rekayasa
genetika disebut juga pencangkokan gen atau rekombinasi DNA. Dalam
rekayasa genetika digunakan DNA untuk menggabungkan sifat makhluk
hidup. Hal itu karena DNA dari setiap makhluk hidup mempunyai struktur
yang sama, sehingga dapat direkomendasikan. Selanjutnya DNA tersebut
akan mengatur sifat-sifat makhluk hidup secara turun-temurun. Untuk
mengubah DNA sel dapat dilakukan melalui banyak cara, misalnya melalui
transplantasi inti, fusi sel, teknologi plasmid, dan rekombinasi DNA.
1) Transplantasi inti
Transplantasi inti adalah pemindahan inti dari suatu sel ke sel yang
lain agar didapatkan individu baru dengan sifat sesuai dengan inti yang
diterimanya. Transplantasi inti pernah dilakukan terhadap sel katak. Inti sel
yang dipindahkan adalah inti dari sel-sel usus katak yang bersifat diploid. Inti
sel tersebut dimasukkan ke dalam ovum tanpa inti, sehingga terbentuk ovum
dengan inti diploid. Setelah diberi inti baru, ovum membelah secara mitosis
berkali-kali sehingga terbentuklah morula yang berkembang menjadi blastula.
Blastula tersebut selanjutnya dipotong-potong menjadi banyak sel dan diambil
intinya. Kemudian inti-inti tersebut dimasukkan ke dalam ovum tanpa inti
yang lain. Pada akhirnya terbentuk ovum berinti diploid dalam jumlah
banyak. Masing-masing ovum akan berkembang menjadi individu baru
dengan sifat dan jenis kelamin yang sama.
2) Fusi sel
Fusi sel adalah peleburan dua sel baik dari spesies yang sama maupun
berbeda supaya terbentuk sel bastar atau hibridoma. Fusi sel diawali oleh
pelebaran membran dua sel serta diikuti oleh peleburan sitoplasma
(plasmogami) dan peleburan inti sel (kariogami). Manfaat fusi sel, antara lain
untuk pemetaan kromosom, membuat antibodi monoklonal, dan membentuk
spesies baru. Di dalam fusi sel diperlukan adanya:
a) sel sumber gen (sumber sifat ideal);
b) sel wadah (sel yang mampu membelah cepat);
c) fusigen (zat-zat yang mempercepat fusi sel).
3) Teknologi plasmid
Plasmid adalah lingkaran DNA kecil yang terdapat di dalam
sel bakteri atau ragi di luar kromosomnya. Sifat-sifat plasmid, antara
lain:
a) merupakan molekul DNA yang mengandung gen tertentu;
b) dapat beraplikasi diri;
c) dapat berpindah ke sel bakteri lain;
d) sifat plasmid pada keturunan bakteri sama dengan plasmid induk.
Karena sifat-sifat tersebut di atas plasmid digunakan sebagai vektor atau
pemindah gen ke dalam sel target.
4) Rekombinasi DNA
Rekombinasi DNA adalah proses penggabungan DNA-DNA dari
sumber yang berbeda. Tujuannya adalah untuk menyambungkan gen yang ada
di dalamnya. Oleh karena itu, rekombinasi DNA disebut juga rekombinasi
gen. Rekombinasi DNA dapat dilakukan karena alasan-alasan sebagai berikut.
1) Struktur DNA setiap spesies makhluk hidup sama.
2) DNA dapat disambungkan
Prosedur rekayasa genetika secara umum meliputi:
1. Isolasi gen
2. Memodifikasi gen sehingga fungsi biologisnya lebih baik
3. Mentransfer gen tersebut ke organisme baru
4. Membentuk produk organisme transgenik.
Prosedur pembentukan organisme transgenic ada dua, yaitu:
1. Melalui proses introduksi gen
Beberapa langkah dasar proses introduksi gen adalah:
a. membentuk sekuen gen yang diinginkan yang ditandai dengan penanda
yang spesifik.
b. Mentransformasi sekuen gen yang sudah ditandai ke jaringan
c. Mengkultur jaringan yang sudah mengandung gen yang ditransformasikan
d. Uji coba kultur tersebut di lapangan
2. Mutagenesis
Memodifikasi gen pada organisme tersebut dengan mengganti sekuen
basa nitrogen pada DNA yang ada untuk diganti dengan basa nitrogen lain
sehingga terjadi perubahan sifat pada organisme tersebut, contoh: semula
sifatnya tidak tahan hama menjadi tahan hama.
Contoh hasil bioteknologi dengan menggunakan rekayasa genetika:
1. Tumbuhan tahan hama
gen pankreas babi ditransplantasikan ke bakteri Escheria coli sehingga
dapat menghasilkan insulin dalam jumlah yang besar. Sebaliknya gen bakteri
yang menghasilkan toksin pembunuh hama ditransplantasikan ke tanaman
jagung maka akan diperoleh jagung transgenik yang tahan hama tanaman
2. Domba dolly
Gen dari sel ambing susu domba ditransplantasikan ke sel telurnya sendiri
yang kemudian ditumbuhkembangkan di dalam kandungan induknya
sehingga lahirlah domba Dolly yang merupakan hewan kloning (cangkokan)
pertama di dunia.
3. Mouse with human ear
4. Ikan tahan lama dan tidak cepat busuk
gen tomat ditransplantasikan ke ikan transgenik sehingga ikan menjadi tahan
lama dan tidak cepat busuk dalam penyimpanan.
5. Ikan bercahaya
Kemajuan ilmu pengetahuan memang luar biasa. Di Taiwan, misalnya,
ada perusahaan yang berhasil embuat ikan bisa bercahaya. Asliya ikan ini
hanya ikan air tawar biasa. Nah, dengan rekayasa genetika, ikan ini bisa
memancarkan sinar kehijauan dari tubuhnya. Caranya dengan menyuntikan
gen ubur-ubur.
6. Kera GMO Berhasil Mewariskan Gen Ubur-ubur
Gen yang kini jadi favorit para ilmuwan rekayasa genetika adalah gen
GFP yang berasal dari ubur-ubur. Dengan gen ini, mereka bisa melacak
keberhasilan penyusupan gen ‘alien’ yang disusupkan bersama dengan gen
GFP. Dan karena gen GFP ini menghasilkan protein yang dapat berpendar,
maka pengamatannya pun jadi mudah yaitu cukup dengan visualisasi di
bawah sinar UV. Jika sel suatu organisme bisa berpendar, artinya gen GFP
dan gen ‘alien’ sudah berhasil disusupkan ke dalamnya. Sungguh suatu cara
yang amat cerdas. Rekayasan genetik ini awalnya dilakukan pada sang induk,
Sasaki menginjeksikan sebuah virus yang membawa gen GFP tadi ke dalam
embrio kera. Kemudian embrio yang membawa gen GFP tersebut
ditempatkan ke dalam tujuh induk betina. Empat di antaranya berhasil
melahirkan dengan total 1 marmoset jantan dan 4 betina yang membawa gen
GFP. Selanjutnya, ketika bayi jantan yang kini membawa gen GFP sudah
matang secara seksual, ia berhasil menjadi ayah bagi anaknya yang juga
ternyata bisa berpendar hijau. Artinya gen GFP kini berhasil diturunkan
melalui proses perkawinan. Salah satu bayi betina pun kemudian
menghasilkan embrio In Vitro Fertilization (IVF) yang juga membawa gen
GFP.
7. Kucing Rudolph yang bisa menyala
Gambar di atas adalah gambar si Rudolph (nama kucing tersebut). Di
sebelah kiri adalah gambar si Rudolph ketika diekspos oleh sinar biasa, dan di
sebelah kanan adalah si Rudolph ketika diekspos oleh sinar ulatraviolet. Ahli-
ahli genetika yang dipimpin oleh profesor Kong-Il Keun dari Universitas
Nasional Gyeongsang berhasil membuat Rudolph si kucing Anggora
berwarna putih tersebut menyala di bagian hidung, kelopak mata dan kuping
si kucing dengan menyisipkan sebuah gen yang bisa menghasilkan sebuah
protein yang menyebabkan si kucing bisa menyala berwarna merah bila
diekspos oleh sinar ultraviolet.
E. REKAYASA GENETIKA DALAM BIDANG FARMASI
Di dunia industri farmasi misalnya, bakteria telah disusupi oleh gen manusia agar
dapat memproduksi insulin. Insulin ini diperlukan untuk mengontrol gula darah bagi para
penderita diabetes. Rekayasa genetika pada bakteri ini yang paling simpel digambarkan
sebagai contoh rekayasa genetika, seperti pada gambar berikut ini:
Gambar di atas adalah rekayasa genetika pada bakteria guna menghasilkan hormon
insulin yang penting untung pengendalian gula darah pada penderita diabetes. Tahap-
tahapnya 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 di tempat
tertentu sebagai calon tempat gen baru nantinya yang 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 bolong yang tersedia setelah
dipotong tadi.
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. Dengan begitu diharapkan
insulin dapat diproduksi dalam jumlah yang tidak terbatas di pabrik-pabrik.
Begitulah contoh rekayasa genetika yang diterapkan di dalam industri farmasi.
Rekayasa genetika (genetic engineering) yang diperkirakan akan menjadi prima
donna dari segala engineering melebihi electronic engineering di abad ke-21 ini
memang ditujukan bagi perbaikan kualitas hidup umat manusia di bumi ini.
F. SISTEM STEM SEL
DEFINISI STEM CELL
Sel punca (Stem sel) adalah sumber dari semua sel di dalam individu,
dan ini merupakan sebuah sumber bagi pengobatan sel yang sekarang ini merupakan
sebuah jalan revolusi untuk mengatasi berbagai penyakit dan kerusakan dengan
keuntungan medis yang luas. Pengobatan dengan menggunakan sel punca
mempunyai potensi penerapan dalam mengatasi berbagai penyakit dan kelemahan
dari otak, organ dalam, tulang dan banyak jaringan lainnya. Contoh penyakit ini
meliputi stroke, alzheimer's, Parkinson, penyakit jantung, osteoporosis, diabetes yang
tergantung insulin, leukimia, luka bakar dan kerusakan sunsum tulang belakang. Sel
punca dapat dikategorikan menjadi 2 macam kategori besar berdasarkan sumbernya
yaitu sel punca dewasa yang berasal dari organisme dewasa dan sel punca embrio, sel
punca yang berasal dari inner sel mass embrio stadium blastula. Kedua macam sel
punca ini dapat digunakan untuk pengobatan sel punca. Di Indonesia telah dimulai
penelitian dan pengobatan stem stem dengan menggunakan sel punca dewasa, hal ini
dipilih karena sel punca dewasa tidak menemui hambatan dalam bidang etika,
sedangkan sel punca embrio masih banyak ketidakjelasan tentang etika dan banyak
perdebatan yang timbul karenanya.
Stem cell adalah sel yang tidak/belum terspesialisasi yang mempunyai 2 sifat:
1. Kemampuan untuk berdiferensiasi menjadi sel lain (differentiate). Dalam hal ini
stem cell mampu berkembang menjadi berbagai jenis sel matang, misalnya sel saraf,
sel otot jantung, sel otot rangka, sel pankreas, dan lain-lain.
2. Kemampuan untuk memperbaharui atau meregenerasi dirinya sendiri (self-regenerate/self-renew). Dalam hal ini stem cell dapat membuat salinan sel yang persis sama dengan dirinya melalui pembelahan sel.
JENIS STEM CELL
Berdasarkan Potensi atau Kemampuan Berdiferensiasi
Berdasarkan kemampuan berdiferensiasi, stem cell dibagi menjadi:
1. Totipotent. Dapat berdiferensiasi menjadi semua jenis sel.
Yang termasuk dalam stem cell totipotent adalah zigot (telur yang telah dibuahi).
2. Pluripotent. Dapat berdiferensiasi menjadi 3 lapisan germinal: ektoderm,
mesoderm, dan endoderm, tapi tidak dapat menjadi jaringan ekstraembryonik seperti
plasenta dan tali pusat. Yang termasuk stem cell pluripotent adalah
embryonic stem cells.
3. Multipotent. Dapat berdiferensiasi menjadi banyak jenis sel. Misalnya:
hematopoietic stem cells.
4. Unipotent. Hanya dapat menghasilkan 1 jenis sel. Tapi berbeda dengan non-stem
cell, stem cell unipoten mempunyai sifat dapat memperbaharui atau meregenerasi diri
(self-regenerate/self-renew)
Berdasarkan Sumbernya
Stem cell ditemukan dalam berbagai jaringan tubuh.
Berdasarkan sumbernya, stem cell dibagi menjadi:
1) Zygote. Yaitu pada tahap sesaat setelah sperma bertemu dengan sel telur
2) Embryonic stem cell. Diambil dari inner cell mass dari suatu blastocyst (embrio
yang terdiri dari 50 150 sel, kira-kira hari ke-5 pasca pembuahan). Embryonic stem
cell biasanya didapatkan dari sisa embrio yang tidak dipakai pada IVF (in vitro
fertilization). Tapi saat ini telah dikembangkan teknik pengambilan embryonic stem
cell yang tidak membahayakan embrio tersebut, sehingga dapat terus hidup dan
bertumbuh. Untuk masa depan hal ini mungkin dapat mengurangi kontroversi etis
terhadap embryonic stem cell.
3) Fetus. Fetus dapat diperoleh dari klinik aborsi.
4) Stem cell darah tali pusat. Diambil dari darah plasenta dan tali pusat segera setelah
bayi lahir. Stem cell dari darah tali pusat merupakan jenis hematopoietic stem cell,
dan ada yang menggolongkan jenis stem cell ini ke dalam adult stem cell.
5) Adult stem cell. Diambil dari jaringan dewasa, antara lain dari:
Sumsum tulang.
Ada 2 jenis stem cell dari
1. sumsum tulang:
- hematopoietic stem cell. Selain dari darah tali pusat dan dari sumsum tulang,
hematopoietic stem cell dapat diperoleh juga dari darah tepi.
- stromal stem cell atau disebut juga mesenchymal stem cell.
2. Jaringan lain pada dewasa seperti pada:
- susunan saraf pusat
- adiposit (jaringan lemak)
- otot rangka
- pankreas
Adult stem cell mempunyai sifat plastis, artinya selain berdiferensiasi menjadi sel
yang sesuai dengan jaringan asalnya, adult stem cell juga dapat berdiferensiasi
menjadi sel jaringan lain. Misalnya: neural stem cell dapat berubah menjadi sel darah,
atau stromal stem cell dari sumsum tulang dapat berubah menjadi sel otot jantung,
dan sebagainya.
PERAN STEM CELL DALAM RISET
1. Terapi gen.
Stem cell (dalam hal ini hematopoietic stem cell) digunakan sebagai alat
pembawa transgen ke dalam tubuh pasien, dan selanjutnya dapat dilacak jejaknya
apakah stem cell ini berhasil mengekspresikan gen tertentu dalam tubuh pasien. Dan
karena stem cell mempunyai sifat self-renewing, maka pemberian pada terapi gen
tidak perlu dilakukan berulang-ulang, selain itu hematopoietic stem cell juga dapat
berdiferensiasi menjadi bermacam-macam sel, sehingga transgen tersebut dapat
menetap di berbagai macam sel.
2. Mengetahui proses biologis, yaitu perkembangan organisme dan perkembangan
kanker. Melalui stem cell dapat dipelajari nasib sel, baik sel normal maupun sel
kanker.
3. Penemuan dan pengembangan obat baru, yaitu untuk mengetahui efek obat
terhadap berbagai jaringan
4. Terapi sel berupa replacement therapy. Oleh karena stem cell dapat hidup di luar
organ tubuh manusia misalnya di cawan petri, maka dapat dilakukan manipulasi
terhadap stem cell itu tanpa mengganggu organ tubuh manusia. Stem cell yang telah
dimanipulasi tersebut dapat ditransplantasi kembali masuk ke dalam organ tubuh
untuk menangani penyakit-penyakit tertentu.
Ada 3 golongan penyakit yang dapat diatasi oleh stem cell:
a. Penyakit autoimun. Misalnya pada lupus, artritis reumatoid dan diabetes tipe 1.
Setelah diinduksi oleh growth factor agar hematopoietic stem cell banyak dilepaskan
dari sumsum tulang ke darah tepi, hematopoietic stem cell dikeluarkan dari dalam
tubuh untuk dimurnikan dari sel imun matur. Lalu tubuh diberi agen sitotoksik atau
terapi radiasi untuk membunuh sel-sel imun matur yang tidak mengenal self antigen
(dianggap sebagai foreign antigen). Setelah itu hematopoietic stem cell dimasukkan
kembali ke tubuh, bersirkulasi dan bermigrasi ke sumsum tulang untuk
berdiferensiasi menjadi sel imun matur sehingga sistem imun tubuh kembali seperti
semula.
b. Penyakit degeneratif. Pada penyakit degeneratif seperti stroke, penyakit Parkinson,
penyakit Alzheimer, terdapat beberapa kerusakan atau kematian sel-sel tertentu
sehingga bermanifestasi klinis sebagai suatu penyakit. Pada keadaan ini stem cell
setelah dimanipulasi dapat ditransplantasi ke dalam tubuh pasien agar stem cell
tersebut dapat berdiferensiasi menjadi sel-sel organ tertentu yang menggantikan sel-
sel yang telah rusak atau mati akibat penyakit degeneratif.
c. Penyakit keganasan. Prinsip terapi stem cell pada keganasan sama dengan penyakit
autoimun. Hematopoietic stem cell yang diperoleh baik dari sumsum tulang atau
darah tali pusat telah lama dipakai dalam terapi leukemia dan penyakit darah lainnya.
Ada beberapa alasan mengapa stem cell merupakan calon yang bagus dalam cell-
based therapy:
1. Stem cell tersebut dapat diperoleh dari pasien itu sendiri. Artinya transplantasi
dapat bersifat autolog sehingga menghindari potensi rejeksi. Berbeda dengan
transplantasi organ yang membutuhkan organ donor yang sesuai (match),
transplantasi stem cell dapat dilakukan tanpa organ donor yang sesuai.
2. Mempunyai kapasitas proliferasi yang besar sehingga dapat diperoleh sel dalam
jumlah besar dari sumber yang terbatas. Misalnya pada luka bakar luas, jaringan kulit
yang tersisa tidak cukup untuk menutupi lesi luka bakar yang luas. Dalam hal ini
terapi stem cell sangat berguna.
3. Mudah dimanipulasi untuk mengganti gen yang sudah tidak berfungsi lagi melalui
metode transfer gen. Hal ini telah dijelaskan dalam penjelasan mengenai terapi gen di
atas.
4. Dapat bermigrasi ke jaringan target dan dapat berintegrasi ke dalam jaringan dan
berinteraksi dengan jaringan sekitarnya.
Therapeutic Cloning
Therapeutic cloning atau yang lebih panjangnya disebut SCNT (Somatic Cell
Nuclear Transfer) adalah suatu teknik yang bertujuan untuk menghindari risiko
penolakan/rejeksi. Pada therapeutic cloning, inti sel telur donor dikeluarkan dan
diganti dengan inti sel resipien misalnya diambil dari sel mukosa pipi. Lalu sel ini
akan membelah diri dan setelah menjadi blastocyst, maka inner cell massnya akan
diambil sebagai embryonic stem cell dan setelah dimasukkan kembali ke dalam tubuh
resipien maka stem cell tersebut akan berdiferensiasi menjadi sel organ yang
diinginkan (misalnya sel beta pankreas, sel otot jantung, dan lain lain), tanpa reaksi
penolakan karena sel tersebut mengandung materi genetik resipien.
Keuntungan dan Kerugian Memakai Jenis Stem Cell
Tertentu dalam Cell-based Therapi
a. Keuntungan embryonic stem cell:
1. Mudah didapat dari klinik fertilitas.
2. Bersifat pluripoten sehingga dapat berdiferensiasi menjadi segala jenis sel dalam tubuh.
3. Immortal. Berumur panjang, dapat berproliferasi beratus-ratus kali lipat pada kultur.
4. Reaksi penolakan rendah.
b. Kerugian embryonic stem cell:
1. Dapat bersifat tumorigenik. Artinya setiap kontaminasi
dengan sel yang tak berdiferensiasi dapat menimbulkan
kanker.
2. Selalu bersifat allogenik sehingga berpotensi menimbulkan
penolakan.
3. Secara etis sangat kontroversial.
c. Keuntungan umbilical cord blood stem cell (stem cell dari darah tali pusat):
1. Mudah didapat (tersedia banyak bank darah tali pusat).
2. Siap pakai, karena telah melalui tahap prescreening, testing dan pembekuan.
3. Kontaminasi virus minimal dibandingkan dengan stem cell dari sumsum tulang.
4. Cara pengambilan mudah, tidak berisiko atau menyakiti donor.
5. Risiko GVHD (graft-versus-host disease) lebih rendah dibandingkan dengan menggunakan stem cell dari sumsum tulang, dan transplantasi tetap dapat dilakukan walaupun HLA matching tidak sempurna atau dengan kata lain toleransi terhadap ketidaksesuaian HLA matching lebih besar dibandingkan dengan stem cell dari sumsum tulang.
d. Kerugian umbilical cord blood stem cell:
1. Kemungkinan terkena penyakit genetik. Ada beberapa penyakit genetik yang tidak terdeteksi saat lahir sehingga diperlukan follow up setelah donor beranjak dewasa.
2. Jumlah stem cell relatif terbatas sehingga ada ketidaksesuaian antara jumlah stem cell yang diperlukan resipien dengan yang tersedia dari donor, karena
jumlah sel yang dibutuhkan berbanding lurus dengan usia, berat badan dan status penyakit.
e. Keuntungan adult stem cell:
1. Dapat diambil dari sel pasien sendiri sehingga menghindari penolakan imun.
2. Sudah terspesialisasi sehingga induksi menjadi lebih sederhana.
3. Secara etis tidak ada masalah.
f. Kerugian adult stem cell:
1. Jumlahnya sedikit, sangat jarang ditemukan pada jaringan matur sehingga sulit mendapatkan adult stem cell dalam jumlah banyak.
2. Masa hidupnya tidak selama embryonic stem cell.
3. Bersifat multipoten, sehingga diferensiasi tidak seluas embryonic stem cell
yang bersifat pluripoten.
TERAPI BERDASARKAN SEL (CELL-BASED THERAPY)
Dalam tulisan ini, pembahasan bersifat singkat dan hanya membahas potensi stem
cell pada sebagian kecil penyakit.
1. Stem Cell untuk Diabetes
Pada diabetes, terjadi kekurangan insulin atau kurangnya kepekaan terhadap insulin.
Dalam hal ini transplantasi sel pulau Langerhans diharapkan dapat memenuhi
kebutuhan insulin. Pada awalnya, kira-kira 10 tahun yang lalu, hanya 8%
transplantasi sel pulau Langerhans yang berhasil. Hal ini terjadi karena reaksi
penolakannya besar sehingga diperlukan sejumlah besar steroid; padahal makin besar
steroid yang dibutuhkan, makin besar pula kebutuhan metabolik pada sel penghasil
insulin. Namun, baru-baru ini penelitian yang dilakukan oleh James Shapiro dkk. di
Kanada, berhasil membuat protokol transplantasi sel pulau Langerhans dalam jumlah
banyak dengan metode imunosupresi yang berbeda dengan yang sebelumnya. Pada
penelitian tersebut, 100% pasien yang diterapi transplantasi sel pulau Langerhans
pankreas tidak memerlukan injeksi insulin lagi dan gula darahnya tetap normal
setahun setelah transplantasi. Penelitian-penelitian yang sudah dilakukan untuk
diabetes ini mengambil sumber stem cell dari kadaver, fetus, dan dari embryonic stem
cell. Selanjutnya, masih dibutuhkan penelitian untuk menemukan cara membuat
kondisi yang optimal dalam produksi insulin, sehingga dapat menggantikan injeksi
insulin secara permanen.
2. Stem Cell untuk Skin Replacement
Dengan bertambahnya pengetahuan mengenai stem cell, maka peneliti telah dapat
membuat epidermis dari keratinosit yang diperoleh dari folikel rambut yang dicabut.
Hal ini memungkinkan transplantasi epidermis autolog, sehingga menghindari
masalah penolakan. Pemakaian skin replacement ini bermanfaat dalam terapi ulkus
vena ataupun luka bakar.
3. Stem Cell untuk Penyakit Parkinson
Pada penyakit Parkinson, didapatkan kematian neuron-neuron nigra-striatal, yang
merupakan neuron dopaminergik. Dopamin merupakan neurotransmitter
yangberperan dalam gerakan tubuh yang halus. Dengan berkurangnya dopamin, maka
pada penyakit Parkinson terjadi gejala-gejala gangguan gerakan halus. Dalam hal ini
transplantasi neuron dopamin diharapkan dapat memperbaiki gejala penyakit
Parkinson. Tahun 2001, dilakukan penelitian dengan menggunakan jaringan
mesensefalik embrio manusia yang mengandung neuron-neuron dopamin. Jaringan
tersebut ditransplantasikan ke dalam otak penderita Parkinson berat dan dipantau
dengan alat PET (Positron Emission Tomography). Hasilnya setelah transplantasi
terdapat perbaikan dalam uji-uji standar untuk menilai penyakit Parkinson,
peningkatan fungsi neuron dopamin yang tampak pada pemeriksaan PET; perbaikan
bermakna ini tampak pada penderita yang lebih muda. Namun setelah 1 tahun, 15%
dari pasien yang ditransplantasi ini kambuh setelah dosis levodopa dikurangi atau
dihentikan.
4. Stem Cell untuk Stroke
Dahulu dianggap bahwa sekali terjadi kematian sel pada stroke, maka akan
menimbulkan kecacatan tetap karena sel otak tidak mempunyai kemampuan
regenerasi. Tapi anggapan berubah setelah para pakar mengetahui adanya plastisitas
pada sel-sel otak dan pengetahuan mengenai stem cell yang berkembang pesat
belakangan ini. Beberapa penelitian dengan menggunakan stem cell dari darah tali
pusat manusia yang diberikan intravena kepada tikus yang arteri serebri medianya
dioklusi menunjukkan hasil yang menggembirakan. Ada pengurangan volume lesi
sebanyak 40% dan adanya kemampuan kembali ke 70% fungsi normal. Terdapat
pemulihan fungsional pada kelompok yang ditransplantasi stem cell dari darah tali
pusat dibandingkan dengan kelompok kontrol dan tampak stem cell dari darah tali
pusat bermigrasi masuk ke otak. Penelitian dengan menggunakan mesenchymal stem
cell (MSC) dari sumsum tulang autolog yang diberikan intravena pada 30 penderita
stroke juga memperbaiki outcome yang dinilai dari parameter
5. Stem Cell untuk Penyakit Jantung
Penelitian terkini memberikan bukti awal bahwa adult stem cells dan embryonic stem
cell dapat menggantikan sel otot jantung yang rusak dan memberikan pembuluh
darah baru. Strauer dkk. mencangkok mononuclearbone marrow cell autolog ke
dalam arteri yang menimbulkan infark pada saat PTCA 6 hari setelah infark miokard
akut. Sepuluh pasien yang diberi stem cell area infarknya menjadi lebih kecil dan
indeks volume stroke, left ventricular end-systolic volume, kontraktilitas area infark,
dan perfusi miokard menunjukkan perbaikan dibandingkan dengan kelompok kontrol.
Perin dkk. memberikan transplantasi bone marrowmononuclear cells autolog yang
diinjeksikan pada miokard yang lemah dengan panduan electromechanicalmapping
pada 14 pasien gagal jantung iskemik kronik berat.Single-photon emission computed
tomography myocardial perfusionscintigraphy menunjukkan penurunan defek yang
signifikan dan perbaikan fungsi sistolik ventrikel kiri global pada pasien yang
diterapi.