Materi Biologi

BIOLOGI SEL DAN BIOTEKNOLOGI

Kompetensi Dasar:

Bahan ajar ini dikembangkan untuk mencapai kompetensi penguasaan materi bagi guru sains (biologi), khususnya tentang materi Biologi Sel/Molekuler dan Bioteknologi. Kompetensi dasar yang diharapkan untuk dikuasai oleh para guru adalah sebagai berikut.   

1.      Memahami struktur sel dan fungsinya sebagai unit dasar kehidupan.  

2.      Membedakan bioteknologi konvensional dan modern, serta memahami pentingnya peran bioteknologi dalam kehidupan sehari-hari.

3.      Mampu menyampaikan materi Biologi Sel/Molekuler dan Bioteknologi secara lebih inovatif

Materi

            Materi sains (biologi) yang dipaparkan dalam bahan ajar ini terdiri dari bahasan mengenai biologi sel/molekuler dan bioteknologi. Pencetusan kedua bidang kajian ini untuk diberikan kepada para guru dilandasi oleh adanya pengalaman selama ini bahwa sebagian besar para guru SMP masih kurang dalam materi tersebut dibandingkan dengan materi yang lainnya. Walaupun sebenarnya tidak menutup kemungkinan dari para guru sebagai peserta diklat ada yang masih kurang dalam materi yang lainnya.

            Pembahasan kedua bidang kajian ini tidaklah terlalu mendalam, walaupun demikian diharapkan dapat memberikan tambahan pengetahuan kepada guru-guru sebagai peserta diklat dan sebagai ”stimulus” untuk mengembangkan diri dalam penguasaan kedua materi ini dan materi-materi yang lain.

A. STRUKTUR DAN FUNGSI SEL

            Tubuh makhluk hidup dikatakan tersusun atas satu dan bahkan ada yang berjuta-juta sel, yang masing-masing memiliki bentuk dan fungsi tertentu. Lalu, apakah sel itu? Benarkah sel tersebut adalah unit terkecil dari makhluk hidup yang dapat melangsungkan proses kehidupan? Manurut teori sel, sel juga dikatakan sebagai unit dasar kehidupan. Mengapa sel dikatakan sebagai unit dasar kehidupan? Ternyata dalam proses kehidupan sel memiliki posisi sebagai berikut.   

1.      Satuan struktural terkecil dari mahluk hidup tersebut, sebab baik hewan maupun tumbuhan terdiri atas jaringan/organ yang tersusun dari banyak sel.

2.      Satuan fungsional/fisiologi terkecil, karena fungsi-fungsi organisme hidup merupakan aktivitas seluler dari organisme tersebut.

3.      Satuan pertumbuhan/perkembangan terkecil, karena tumbuh dan berkembang suatu organisme multiseluler berawal dari pembelahan sel-selnya.

4.      Satuan faktor herediter terkecil, karena melalui sel-sel tersebut material genetik/herediter diterima dari induknya dan akan dipertahankan dalam embrio pada bentuk dewasanya untuk kelak diturunkan pada keturunannya.

5.      Satuan regenerasi terkecil, sebab apabila suatu jaringan diganti atau diperbaiki, sel tersebutlah yang memegang peranan utama dalam mencapai tujuan tersebut.

A.1 Sel Prokaryotik dan Eukaryotik

Setiap organisme tersusun dari salah satu diantara dua jenis sel yang secara struktural berbeda, sel prokariotik dan sel eukariotik. Hanya bakteri dan arkhea; alga hijau biru yang memiliki sel prokariotik. Sedangkan protista, tumbuhan, jamur dan hewan semuanya mempunyai sel eukariotik. Kenapa dinamakan sel prokariotik dan eukariotik? Apa perbedaannya?

Sel Prokariotik. Kata prokariota (prokaryote) berasal dari bahasa Yunani, pro yang berarti “sebelum” dan karyon yang artinya “kernel” atau juga disebut nukleus. Sel prokariotik tidak memiliki nukleus. Materi genetiknya (DNA) terkonsentrasi pada suatu daerah yang disebut nukleoid, tetapi tidak ada membran yang memisahkan daerah nukleoid ini dengan bagian sel lainnya.

Sel eukariotik. Kata eu berarti “sebenarnya” dan karyon berarti nukleus. Eukariotik mengandung pengertian memiliki nukleus sesungguhnya yang dibungkus oleh selubung nukleus.

Lebih lengkap perbedaan antara sel perokariotik dan eukariotik, kita lihat pada tabel berikut:

Struktur	Prokariotik	Eukariotik
Membran nucleus	-	+
Membran plastida	-	+
Nukleus	-	+
Nukleolus	-	+
Plastida	-	+/-
Mitokondria	-	+
Badan golgi	-	+
Kromosom	+ (tunggal)	+ (ganda)
DNA	+ (telanjang)	+ (dengan protein)
RNA	+	+
Histon	-	+
Pigmen	+	+
Pembelahan	Amitosis	Mitosis/meiosis

               

            (A)                                                                   (B)

Gambar 1. Penampang Sel  (A) = Prokariotik; (B) = Eukariotik

            Sel juga dibedakan atas sel tumbuhan dan sel hewan. Walaupun dibedakan atas sel penyusun pada tumbuhan dan hewan, setiap sel memiliki bagian utama berupa: membran palsma, sitoplasma, dan nukleus. Berikut adalah gambar sel tumbuhan dan hewan. Lihatlah dengan seksama, dari gambar tersebut apakah yang membedakan antara sel tumbuhan dan sel hewan? Setidaknya ada 4 perbedaan antara sel hewan dan sel tumbuhan.

 

                       (A)                                                                                 (B)

Gambar 2. Struktur sel: (A) sel hewan; (B) sel tumbuhan

A.2  Anatomi dan Fisiologi Sel

1. Selaput Plasma (Plasmalemma)

Yaitu selaput atau membran sel yang terletak paling luar yang tersusun dari senyawa kimia Lipoprotein (gabungan dari senyawa lemak atau Lipid dan senyawa Protein). Lipoprotein ini tersusun atas 3 lapisan yang jika ditinjau dari luar ke dalam urutannya adalah: Protein - Lipid - Protein (Trilaminer Layer). Lemak bersifat Hidrofebik (tidak larut dalam air) sedangkan protein bersifat Hidrofilik (larut dalam air). Oleh karena itu, selaput plasma bersifat Selektif Permeabel atau Semi Permeabel (teori dari Overton). Selektif permeabel berarti hanya dapat memasukkan /di lewati molekul tertentu saja. Fungsi dari selaput plasma ini adalah menyelenggarakan transportasi zat dari sel yang satu ke sel yang lain. Khusus pada sel tumbuhan, selain mempunyai selaput plasma masih ada satu struktur lagi yang letaknya di luar selaput plasma yang disebut dinding sel (Cell Wall). Dinding sel tersusun dari dua lapis senyawa selulosa, di antara kedua lapisan selulosa tadi terdapat rongga yang dinamakan lamel tengah (Middle Lamel) yang dapat terisi oleh zat-zat penguat seperti Lignin, Chitine, Pektin, Suberine dan lain-lain. Selain itu pada dinding sel tumbuhan kadang-kadang terdapat celah yang disebut noktah. Pada noktah/pit sering terdapat penjuluran sitoplasma yang disebut Plasmodesma yang fungsinya hampir sama dengan fungsi saraf pada hewan.

2. Sitoplasma dan Organel Sel

Bagian yang cair dalam sel dinamakan sitoplasma khusus untuk cairan yang berada dalam inti sel dinamakan nukleoplasma, sedang bagian yang padat dan memiliki fungsi tertentu digunakan isitilah organel sel. Penyusun utama dari sitoplasma adalah air (90%), berfungsi sebagai pelarut zat-zat kimia serta sebagai media terjadinya reaksi kimia sel. Organel sel adalah benda-benda solid yang terdapat di dalam sitoplasma dan bersifat hidup (menjalankan fungsi-fungsi kehidupan).

Retikulum Endoplasma (RE.). Struktur berbentuk benang-benang yang bermuara di inti sel. Dikenal dua jenis RE yaitu: RE. Granuler (Rough E.R) dan RE. Agranuler (Smooth E.R). Fungsi R.E. adalah sebagai alat transportasi zat-zat di dalam sel itu sendiri. Struktur Retikulum endoplasma hanya dapat dilihat dengan mikroskop elektron.

Ribosom (Ergastoplasma). Struktur ini berbentuk bulat terdiri dari dua partikel besar dan kecil, ada yang melekat sepanjang R.E. dan ada pula yang soliter. Ribosom merupakan organel sel terkecil yang tersuspensi di dalam sel. Fungsi dari ribosom adalah tempat sintesis protein. Struktur ini hanya dapat dilihat dengan mikroskop elektron.

Miitokondria (The Power House). Struktur berbentuk seperti cerutu ini mempunyai dua lapis membran. Lapisan dalamnya berlekuk-lekuk dan dinamakan Krista. Fungsi mitokondria adalah sebagai pusat respirasi seluler yang menghasilkan banyak ATP (energi) ; karena itu mitokondria diberi julukan "The Power House".

Lisosom. Fungsi dari organel ini adalah sebagai penghasil dan penyimpan enzim pencernaan seluler. Salah satu enzimnya bernama Lisozym.

Badan Golgi (Apparatus Golgi = Diktiosom). Organel ini dihubungkan dengan fungsi ekskresi sel, dan struktur ini dapat dilihat dengan menggunakan mikroskop cahaya biasa. Organel ini banyak dijumpai pada organ tubuh yang melaksanakan fungsi ekskresi, misalnya ginjal.

Sentrosom (Sentriol). Struktur berbentuk bintang yang berfungsi dalam pembelahan sel (mitosis maupun meiosis). Sentrosom bertindak sebagai benda kutub dalam mitosis dan meiosis. Struktur ini hanya dapat dilihat dengan menggunakan mikroskop elektron.

Plastida. Dapat dilihat dengan mikroskop cahaya biasa. Dikenal tiga jenis plastida yaitu: a) Lekoplas, plastida berwarna putih berfungsi sebagai penyimpan makanan (terdiri dari amiloplas untuk menyimpan amilum, elaioplas (lipidoplas) untuk menyimpan lemak/minyak, dan proteoplas untuk menyimpan protein); b). Kloroplas, yaitu plastida berwarna hijau. Plastida ini berfungsi menghasilkan klorofil dan sebagai tempat berlangsungnya fotosintesis; dan c) Kromoplas, yaitu plastida yang mengandung pigmen, misalnya: karotin (kuning); fikodanin (biru); fikosantin (kuning); fikoeritrin (merah).

Vakuola (rongga sel). Beberapa ahli tidak memasukkan vakuola sebagai organel sel. Benda ini dapat dilihat dengan mikroskop cahaya biasa. Pada boberapa spesies dikenal adanya vakuola kontraktil dan vaknola non kontraktil. Selaput pembatas antara vakuola dengan sitoplasma disebut Tonoplas. Vakuola berisi: a) garam-garam organik, b) glikosida, c) tanin (zat penyamak), d) minyak eteris (Jasmine pada melati, Roseine pada mawar, dan Zingiberine pada jahe), e) alkaloid (misalnya kafein, kinin, nikotin, likopersin dan lain-lain), f) enzim, dan g) butir-butir pati.

Mikrotubulus. Berbentuk benang silindris, kaku, berfungsi untuk mempertahankan bentuk sel dan sebagai "rangka sel". Contoh organel ini antara lain benang-benang gelembung pembelahan. Selain itu mikrotubulus berguna dalam pembentakan Sentriol, Flagela dan Silia.

Mikrofilamen. Seperti Mikrotubulus, tetapi lebih lembut. Terbentuk dari komponen utamanya yaitu protein aktin dan miosin (seperti pada otot). Mikrofilamen berperan dalam pergerakan sel.

 Peroksisom (Badan Mikro). Ukurannya sama seperti Lisosom. Organel ini senantiasa berasosiasi dengan organel lain, dan banyak mengandung enzim oksidase dan katalase (banyak disimpan dalam sel-sel hati).

3. Inti Sel (Nukleus)

Inti sel terdiri dari bagian-bagian yaitu: selaput inti (karioteka), nukleoplasma (kariolimfa), kromatin/kromosom, dan nukleolus (anak inti).

A.3 Reproduksi Sel

Kita mengenal tiga jenis reproduski sel, yaitu Amitosis, Mitosis, dan Meiosis (pembelahan reduksi).

Amitosis adalah reproduksi sel di mana sel membelah diri secara langsung tanpa melalui tahap-tahap pembelahan sel. Pembelahan cara ini banyak dijumpai pada sel-sel yang bersifat prokariotik, misalnya pada bakteri, ganggang biru.

Mitosis adalah cara reproduksi sel dimana sel membelah melalui tahap-tahap yang teratur, yaitu Profase-Metafase-Anafase-Telofase. Antara tahap telofase ke tahap profase berikutnya terdapat ”masa istirahat sel” yang dinamakan Interfase (tahap ini tidak termasuk tahap pembelahan sel). Pada tahap interfase inti sel melakukan sintesis bahan-bahan inti. Mitosis merupakan periode pembelahan sel yang berlangsung pada jaringan titik tumbuh (meristem), seperti pada ujung akar atau pucuk tanaman. Terdapat perbedaan mendasar antara mitosis pada hewan dan tumbuhan. Pada hewan terbentuk aster dan terbentuknya alur di ekuator pada membran sel pada saat telofase sehingga kedua sel anak menjadi terpisah. Secara garis besar ciri dari setiap tahap pembelahan pada mitosis adalah sebagai berikut.

1. Profase: pada tahap ini yang terpenting adalah benang-benang kromatin menebal menjadi kromosom dan kromosom mulai berduplikasi menjadi kromatid.

2. Metafase: pada tahap ini kromosom/kromatid berjejer teratur dibidang pembelahan (bidang equator) sehingga pada tahap inilah kromosom/kromatid mudah diamati dan dipelajari.

3.  Anafase: pada fase ini kromatid akan tertarik oleh benang gelendong menuju ke kutub-kutub pembelahan sel.

4. Telofase: pada tahap ini terjadi peristiwa kariokinesis (pembagian inti menjadi dua bagian) dan sitokinesis (pembagian sitoplasma menjadi dua bagian).

Tahapan pembelahan sel mitosis dapat diganbarkan sebagai berikut.

Gambar 3. Pembelahan mitosis

Meiosis  hanya terjadi pada fase reproduksi seksual atau pada jaringan nuftah. Tempat terjadinya pada serbuk sari tanaman atau pada sel kelamin hewan seperti testis dan ovarium.  Pada meiosis, terjadi perpasangan dari kromosom homolog serta terjadi pengurangan jumlah kromosom induk terhadap sel anak. Disamping itu, pada meiosis terjadi dua kali periode pembelahan sel, yaitu pembelahan I (meiosis I) dan pembelahan II (meiosis II). Baik pada pembelahan Meiosis I dan II, terjadi fase-fase pembelahan seperti pada mitosis. Oleh karena itu dikenal adanya profase I, metafase I, anafase I , telofase I, profase II, metafase II, anafase II, dan telofase II. Akibat adanya dua kali proses pembelahan sel, maka pada meiosis, satu sel induk akan menghasilkan empat sel baru, dengan masing-masing sel mengandung jumlah kromosom setengah dari jumlah kromosom sel induk. Secara lengkap pembagian tahap pada pembelahan reduksi adalah sebagai berikut.

Gambar 4. Pembelahan meiosis I

Setelah mengamati gambar di atas, bagaimana proses dan bentuk sel dengan kromosomnya pada Meiosis II? Lalu, apakah berbedaan antara Mitosis dan Meiosis? Pada hewan dikenal adanya peristiwa meiosis dalam pembentukan gamet, yaitu Oogenesis dan Spermatogenesis. Sedangkan pada tumbuhan dikenal Makrosporogenesis (Megasporogenesis) dan Mikrosporogenesis. Bagaimanakah penjelasan untuk kedua hal tersebut di atas?

A.4 Siklus Sel

Selama perkembangannya sampai sel terdiferensiasi, sepertinya sel berada pada tahapan istirahat, yang disebut fase Interfase (interphase). Rangkaian aktivitas yang terjadi selama interfase disebut siklus sel. Interfase sejatinya merupakan proses (fase-fase) pada sel yang akan memungkinkan terjadinya pembelahan sel selanjutnya. Pada jaringan Mamalia, Interfase umumnya terjadi selama 12 sampai 24 jam. Selama periode ini, sel secara konstan mensintesis RNA, memproduksi protein, dan ukurannya membesar. Para ahli telah mengetahui bahwa Interfase dapat dibedakan tas 4 tahapan, yaitu Gap 0 (G0), Gap 1 (G1), S (synthesis) phase, Gap 2 (G2).

Gap 0 (G0) merupakan waktu di mana sel sudah akan meninggalkan fase pembelahan. Periode ini dapat dikatakan sebagai sel secara temporer pada kondisi ”istirahat”. Kondisi itu bisa saja terjadi lebih permanen, misalnya pada sel neuron, dimana sel tersebut sudah berada pada fase akhir perkembangannya dan tidak akan membelah lagi.

Gap 1 (G1) merupakan siklus pertama bagi sel untuk menyiapkan diri dalam fase pembelahan. Proses yang terjadi adalah: ukuran sel membesar, terjadi pengahsilan RNA dan sintesis protein. Tahapan ini sangat menentukan karena merupakan kontrol mekanisme siklus sel (sebagai G1 checkpoint) untuk memastikan bahwa segala sesuatunya untuk sintesis DNA.

S Phase merupakan tahapan proses terjadinya duplikasi DNA agar pada saat pembelahan sel dihasilkan sel anak yang sama. Pada tahapan ini lah terjadi replikasi DNA.

Gap 2 (G2) merupakan tahapan di antara sintesis DNA dan pembelahan sel (M-phase). Pada tahapan ini ukuran sel terus tumbuh dan diproduksi protein-protein baru. Proses akhir dari tahapan ini juga merupakan control mekanisme siklus sel yang kedua (G2 checkpoint) untuk menentukan apakah sel sudah siap untuk memasuki tahap pembelahan (M-phase).

Mitosis or M Phase. Pada tahapan ini pertumbuhan sel dan produksi protein berhenti. Semua energi yang tersimpan di dalam sel tersebut difokuskan untuk mendukung proses pembelahan. Dari segi waktu, terjadinya pembelahan Mitosis lebih pendek daripada Interfase, kira-kira hanya berlangsung 1 sampai 2 jam. Sama seperti pada G1 dan G2, pada pertengahan proses pembelahan juga ada mekanisme control yang disebut Metaphase checkpoint untuk memastikan bahwa sel memiliki kesiapan untuk menuntaskan proses pembelahannya.

A.5 Materi Genetik

            Di dalam nukleus terdapat kromosom yang tersusun atas materi genetik berupa DNA. Di dalam DNA tersebut terdapat fragmen pengkode suatu sifat tertentu yang akan diwariskan. Fragmen tersebut adalah gen (DNA). Selain DNA, jenis asam nukleat yang lain adalah RNA. Keduanya juga disebut  polinukleotida karena merupakan asam nukleat yang terdiri dari untaian nukleotida.

DNA (Deoxyribonucleic acid). DNA merupakan penyusun utama kromosom dan gen. DNA memiliki struktur yang terdiri dari: a) gula pentosa berupa deoksiribosa; b) fosfat (sebagai penghubung dan pengikat molekul gula); dan c) basa nitrogen (purin: berupa adenin dan guanin; pirimidin: berupa timin dan sitosin). Di dalam suatu molekul DNA, urutan nukleotida (basa nitrogen) pada rantai yang satu tidak dapat ditentukan, tetapi harus merupakan komplementer dengan urutan nukleotida pada rantai pasangannya. Jika rantai I: 5’ TGS – AGT – ATT – SGA 3’, maka bagaimanakah susunan nukleotida pada rantai II?

RNA (Ribonucleic acid). RNA berperan penting dalam sintesis protein. RNA memiliki struktur yang terdiri dari: a) gula pentosa berupa ribosa; b) fosfat (sebagai penghubung dan pengikat molekul gula); dan c) basa nitrogen (purin: berupa adenin dan guanin; pirimidin: berupa urasil dan sitosin). Molekul RNA ada tiga jenis, yaitu m-RNA, r-RNA, dan t-RNA. Ketiga jenis RNA tersebut terlibat dalam sintesis protein dengan fungsi sebagai berikut.

m-RNA	Membawa informasi genetik ke ribosom dalam bentuk kodon untuk memerinci urutan asam amino dalam rantai protein yang akan dibentuk
r-RNA	Merupakan komponen sub unit ribosom
t-RNA	Mengidentifikasi asam amino yang sesuai dengan informasi genetik yang dibawa oleh m-RNA dan mengangkut/memindahkan ke ribosom

           

B. BIOTEKNOLOGI

            Bioteknologi merupakan istilah yang sudah tidak asing bagi kita. Sebagai seorang guru biologi, apakah definisi bioteknologi menurut Anda? Banyak ahli yang menyampaikan definisi tentang bioteknologi, tetapi pada intinya sama yaitu ”upaya untuk merekayasa organisme maupun komponen organisme untuk menghasilkan barang dan jasa yang penting bagi kehidupan manusia”. Merekayasa organisme atau komponen organisme maksudnya bahwa penggunaan biokimia, mikrobiologi, dan rekayasa genetika secara terpadu, untuk menghasilkan barang atau lainnya bagi kepentingan manusia. Berdasarkan pengertian itu, bioteknologi memiliki ciri-ciri utama sebagai berikut: 1) adanya agen biologi berupa mikroorganisme, tumbuhan atau hewan; 2) adanya pendayagunaan secara teknologi dan industri; 3) produk yang dihasilkan adalah hasil ekstraksi dan pemurnian.

            Kapankah manusia mulai mengenal atau melakukan aktivitas dalam bidang bioteknologi? Ternyata aktivitas yang terkait dengan bioteknologi sudah dimulai sebelum masehi untuk membuat minuman anggur, bir dan tape menggunakan ragi. Selanjutnya semakin berkembang dengan adanya penemuan struktur DNA oleh Watson dan Crick pada tahun 1953, penemuan enzim retriksi (pemotong DNA) tahun 1952, penemuan plasmid sebagai vektor pada tahun 1972, dan pada tahun 2000 telah berhasil ditemukan pemetaan rekombinasi DNA di laboratorium.

            Berdasarkan perkembangannya tersebut, bioteknologi dibedakan menjadi dua, yaitu 1) Bioteknologi Konvensional dan 2) Bioteknologi Modern

B.1 Bioteknologi Konvensional

            Dalam penerapannya menggunakan mikroorganisme (bakteri dan jamur) secara langsung dan sederhana untuk menghasilkan barang dan jasa. Prosesnya dikenal dengan istilah fermentasi. Berdasarkan perkembangan bioteknologi, bioteknologi konvensional dibedakan lagi menjadi Bioteknologi Produksi Makanan dan Minuman (biotek generasi pertama), Bioteknologi di bawah Kondisi non-Steril (biotek generasi kedua), dan Bioteknologi di bawah Kondisi Steril (biotek generasi ketiga).

            Ada beberapa contoh penerapan bioteknologi konvensional untuk produksi makanan dan minuman. Mikroorganisme untuk mengubah bahan pangan, contohnya: Rhizopus oryzae untuk pembuatan tempe, Neurospora sp untuk pembuatan oncom, dan lain-lain produk makanan dan minuman. Sebutkanlah lima contoh lagi yang sering menjadi bagian dari kehidupan kita sehari-hari!  Mikroorganisme sebagai bahan pangan, contohnya: mikroprotein yang merupakan produk makanan berasal dari benang-benang jamur Fusarium graminearum. Bagaimana dengan protein sel tunggal (PST/SCP), apakah juga termasuk ke dalam bagian ini?

            Bioteknologi konvensional di bawah kondisi non steril pada prinsipnya merupakan proses fermentasi terbuka. Contohnya, produksi bahan kimia: aseton, asam sitrat, pengolahan air limbah, dan pembuatan kompos.

            Bioteknologi konvensional di bawah kondisi steril merupakan diterapkan dalam pembuatan hormon, beberapa jenis asam amino dan asam organik, vaksin dan antibiotik (penisilin, streptomisin, tetrasiklin, dll).

B.2 Bioteknologi Modern

            Berdasarkan perkembangan bioteknologi, istilah ini sering juga disebut Bioteknologi Generasi baru. Dalam penerapannya lebih kepada mengoptimalkan pemanfaatan biologi sel dan biologi molekuler untuk membuat/menghasilkan produk yang berguna bagi kehidupan manusia.

            Penerapan bioteknologi modern memfokuskan kepada bidang-bidang teknologi reproduksi, radiasi, hidroponik/aeroponik, dan rekombinasi gen. Dalam perkembangannya dewasa ini, lebih memfokuskan pada penggunaan alat-alat modern dan menyembuhkan penyakit menurun.

            Teknologi reproduksi menyangkut kultur jaringan, inseminasi buatan, bayi tabung, dan kloning. Radiasi digunakan untuk pengawetan makanan dan membuat mutan. Hidroponik/aeroponik diarahkan untuk sistem pertanian tanpa tanah dan dengan akar menggantungdi udara (tanpa menempel pada media tanam). Rekombinasi gen (rekayasa genetika) merupakan penggabungan gen (DNA) yang berasal dari organisme yang berbeda sehingga terbentuk gen (DNA) rekombinan. Contoh rekayasa genetika, misalnya pembuatan insulin dan organisme transgenik.

B.3 Rekayasa Genetika

Secara ilmiah lebih dikenal dengan istilah teknologi rekombinan DNA – rDNA). Jadi, rekayasa genetika adalah teknik pencangkokan gen (DNA) dari suatu makhluk hidup pada DNA makhluk hidup lainnya, sehingga dihasilkan susunan materi genetik yang baru yang akan memberikan perubahan sifat bagi makhluk hidup yang memilikinya. Dalam hal ini terjadi pelibatan penggunaan mikroorganisme serta pemanfaatan teknik penelitian mikrobiologi dan biokimia yang sangat spesifik.

Bagaimanakah perkembangan teknologi rekombinan DNA? Sebagai peletak dasar berkembangnya teknologi rekombinan DNA adalah G. Mendel pada tahun 1866, mengusulkan hukum dasar ilmu keturunan (heredity) berdasarkan hasil percobaan penyilangan dengan menggunakan pea plants. Selanjutnya diikuti dengan penemuan-penemuan dan pandangan-pandangan baru dari beberapa ahli, seperti:

1.      Walther Flemming (1882) untuk pertama kalinya menemukan kromosom;  

2.      T. H. Morgan (1910), melalui percobaan dengan menggunakan lalat buah mengungkapkan bahwa sex sebagai penentu sifat keturunan. Selanjutnya dipastikan bahwa gen sebagai penentu sifat terletak dalam kromosom;

3.      Aldous Huxley (1932), seorang novelis yang pertama kali menyajikan pandangannya mengenai genetic engineering;

4.      J. Watson & F. Grick (1953), menggetarkan dunia dengan penemuannya mengenai struktur molekul DNA double helix yang mengandung kode genetik;

5.      Satu Tim Peneliti dari Harvard Medical School (1969), untuk pertama kalinya berhasil mengisolasi gen suatu DNA dari bakteri yang berperan dalam metabolisme gula;

6.      Stanley Cohen & Harbert Boyer (1973) berhasil menyisipkan sebuah gen dari katak Afrika ke dalam DNA bakteri. Penemuan inilah yang menandai permulaan lahirnya rekayasa genetika.

Hampir semua proyek penelitian rekayasa genetika (rDNA) dimulai dari langkah pemisahan gen yang diinginkan dari gen-gen lainnya yang terdapat dalam host cell. Selanjutnya memindahkan gen yang diinginkan (rDNA) tersebut ke dalam mikroba yang dianggap tepat. Introduksi rDNA ke dalam mikroba yang sesuai, dilakukan melalui proses transformasi. Secara sederhana, teknologi rDNA dapat dibuat skemanya sebagai berikut pada Gambar 5.

  

   Gambar 5. Skema teknologi DNA rekombinan

            Pembentukan DNA rekombinan (atau chimaer) melibatkan beberapa proses:

1.      pengguntingan rantai DNA pada tempat-tempat yang spesifik menggunakan enzim endonuklease (restriction endonuclease)

2.      pemilihan sebuah “wadah” yang mengandung DNA untuk mengakomodasikan fragmen DNA “asing”

3.      penyambungan fragmen DNA “asing” dengan molekul DNA yang terdapat pada “wadah” dengan bantuan enzim ligase

4.      ekspresi DNA hibrid (DNA chimaer) pada sel hospes, misalnya bakteri

5.      pemilihan klon bakteri yang hanya mengandung DNA hibrid, yang dapat menghasilkan protein yang diinginkan.

Ada beberapa contoh enzim endonuklease, misalnya EcoRI yang mengenal urutan GAATTS dan memotong rantai DNA di antara G dan A. Wadah yang biasa digunakan disebut plasmid. Plasmid adalah molekul DNA kecil yang bentuknya seperti lingkaran dalam sitoplasma bakteri dan dapat melakukan replikasi secara mandiri.

Teknologi DNA rekombinan dapat dijelaskan prosesnya secara sederhana seperti pada Gambar 6.

Gambar 6. Pembuatan plasmid dan mekanisme penyisipan gen

            Kita sering mendengar istilah kloning gen. Apakah yang dimaksud dengan kloning? Jika individu A disebut sebagai klonnya individu B, apa yang bisa kita deskripsikan dari fenomena ini? Kita juga mengenal istilah identik dalam biologi, yang maksudnya bahwa secara genotipe dan “fenotipe” sama. Kalau demikian, apakah pembuatan stek tanaman termasuk kloning? Apakah dua anak kembar yang berasal dari satu sel telur juga kloning?

            Selain teknologi rekombinan DNA dan istilah kloning gen, kita juga mengenal istilah kultur jaringan dalam rekayasa genetika. Kultur jaringan (sel) adalah mengkultur/membiakkan jaringan (sel) untuk memperoleh individu baru. Prinsip dalam proses kultur jaringan adalah memanfaatkan sifat totipotensi sel. Apakah yang dimaksud dengan totipotensi?

      Dalam praktenya, kultur jaringan menerapkan prinsip-prinsip dasar sebagai berikut: 1) perbanyakan tanaman dengan menggunakan bagian vegetatif tanaman; 2) kultur in vitro, yaitu teknik pemeliharaan jaringan atau bagian dari individu secara buatan yang dilakukan di luar individu yang bersangkutan; dan 3) penggunaan media buatan yang steril.

            Penemu pertama teknik kultur jaringan adalah F.C. Steward menggunakan jaringan floem akar wortel. Skema teknik kultur jaringan sederhana yang dilakukan oleh Steward terhadap tanaman wortel (Daucus carota) adalah seperti pada Gambar 7 di bawah ini.

Gambar 7. Skema teknik kultur jaringan sederhana

            Berdasarkan skema pada Gambar 7 tersebut di atas, bagaimanakah tahapan-tahapan umum yang dilakukan untuk perbanyakan tanaman dengan teknik kultur jaringan? Cobalah dideskripsikan!

            Jelaslah bahwa perbanyakan tanaman dengan teknik kultur jaringan memiliki manfaat/keuntungan bagi perkembangan dunia pertanian. Adapun keuntungannya adalah sebagai berikut.

1.      Bibit (hasil) yang didapat berjumlah banyak dan dalam waktu yang singkat.

2.      Sifat identik dengan induk.

3.      Dapat diperoleh sifat-sifat yang dikehendaki.

Metabolit sekunder tanaman segera didapat