MATERI PELAJARAN SEKOLAH : BIOTEKNOLOGI MODERN

Bioteknologi Modern

Bioteknologi adalah cabang ilmu yang mempelajari pemanfaatan makhluk hidup (bakteri, fungi, virus, dan lain-lain) maupun produk dari makhluk hidup (enzim, alkohol) dalam proses produksi untuk menghasilkan barang dan jasa.[1] Dewasa ini, perkembangan bioteknologi tidak hanya didasari pada biologi semata, tetapi juga pada ilmu-ilmu terapan dan murni lain, seperti biokimia, komputer, biologi molekular, mikrobiologi, genetika, kimia, matematika, dan lain sebagainya.[1] Dengan kata lain, bioteknologi adalah ilmu terapan yang menggabungkan berbagai cabang ilmu dalam proses produksi barang dan jasa. Bioteknologi bisa dibagi menjadi dua, Bioteknologi konvensional dan modern.

Bioteknologi Modern - Selain mendasarkan pada mikrobiologi dan biokimia, bioteknologi modern mendasarkan pula pada manipulasi atau rekayasa genetika (DNA). Rekayasa genetika adalah prosedur dasar dalam menghasilkan suatu produk bioteknologi. Secara umum, rekayasa genetika melakukan modifikasi pada mahluk hidup melalui transfer gen dari suatu organisme ke organisme lain. Prosedur rekayasa genetika secara umum meliputi Ciri atau sifat bioteknologi modern, antara lain: steril, produksi dalam jumlah lebih banyak, kualitasnya standar, dan terjamin. Berbeda dengan bioteknologi konvensional, bioteknologi modern sudah memanfaatkan metode-metode mutakhir bioteknologi (currents methods of biotechnology), antara lain:

1. Kultur Jaringan

Kultur jaringan merupakan suatu teknik atau metode untuk mengisolasi bagian-bagian tanaman (sel, jaringan, atau organ seperti akar, batang, daun, dan pucuk) kemudian menumbuhkan bagian tersebut secara aseptis (teknik untuk mendapatkan kondisi suci hama) di dalam atau di atas medium budidaya (in vitro). Dengan demikian, bagian-bagian tanaman tersebut dapat memperbanyak diri dan dapat menjadi tanaman lengkap kembali.

Isolasi atau pemisahan bagian tanaman dapat dilakukan secara mekanis maupun kimiawi (enzimatis). Kultur jaringan pada tanaman dapat dilakukan karena setiap tanaman mempunyai sifat totipotensi. Totipotensi adalah kemampuan sel tanaman untuk menjadi tanaman baru yang lengkap, jika ditumbuhkan dalam medium atau lingkungan yang sesuai.

Teknik kultur jaringan memerlukan syarat mutlak, yaitu keadaan steril pada alat, bahan, lingkungan (ruang kerja), maupun seluruh rangkaian kerjanya. Secara umum, rangkaian kerja teknik kultur ja ringan meliputi:

a. Persiapan

Tahap awal dalam kultur jaringan adalah menyiapkan eksplan, yaitu bagian dari tanaman (sel, jaringan, atau organ) yang digunakan sebagai bahan untuk memulai suatu kultur. Proses yang diperlukan untuk menghasilkan keadaan steril (bebas hama) atau terhindar dari mikroorganisme yang tidak diinginkan disebut sterilisasi. Sterilisasi alat dan bahan dapat dilakukan dengan menggunakan alat yang disebut autoklaf. Alat-alat dan bahan yang diperlukan dalam kultur jaringan tumbuhan antara lain: botol kultur, pinset, scalpel (pisau kultur), cawan petri, erlenmeyer, pipet, akuades, dan medium kultur buatan. Seluruh alat dan bahan tersebut harus dalam keadaan steril sebelum dipakai.

Tabel 7.1. Beberapa Medium yang Sering Digunakan dalam Kultur Jaringan

No.	Nama Medium dan Penemunya	Keterangan
1.	MS (Murashige dan Skoog) atau LS (Linsmaier dan Skoog)	Untuk kultur kalus pada berbagai tanaman, banyak mengandung garam-garam mineral dan senyawa nitrogen (amonium dan nitrat).
2.	BS (Gamborg)	Untuk kultur suspensi sel tanaman Leguminosae (terung-terungan).
3.	Nitsch dan Nitsch	Untuk kultur mikrospora dan kultur sel pada tembakau.
4.	WPM (Lloyd dan Mc Cown)	Untuk kultur jaringan tanaman berkayu.
5.	VW (Vancin dan Went) dan Knudson C.	Untuk tanaman anggrek.
6.	Kao dan Michayluk	Untuk kultur protoplas pada Cruciferae, Gramineae, dan Leguminosae.
7.	N6 (Chu)	Untuk serealia (padi)
8.	White (W63)	Untuk kultur akar yang mengandung garam-garam mineral dalam konsentrasi yang rendah.
Sumber: Indrianto, Teknik Kultur Jaringan, hlm. 33

Secara umum, medium yang digunakan dalam kultur jaringan harus mengandung garam-garam anorganik (unsur makro dan mikro), zat-zat organik (zat pengatur tumbuh), substansi organik yang kompleks (air kelapa dan ekstrak buah-buahan), bahan pemadat medium (agar-agar), pH tertentu, dan bahan tambahan (arang aktif ). Beberapa kelompok zat pengatur tumbuh yang digunakan dalam kultur jaringan antara lain: auksin (IAA, 2,4 D, dan NAA), sitokinin (adenin, kinetin, zeatin, dan BAP), giberelin, asam absisat, dan etilen.

Zat pengatur tumbuh (ZPT) merupakan faktor yang mendukung proses pertumbuhan pada kultur jaringan tumbuhan. Hormon auksin memacu pembelahan sel, sehingga membentuk gumpalan atau massa sel yang belum terdiferensiasi, disebut kalus. Sel-sel kalus ini dapat berkembang menjadi tanaman baru.

b) Inokulasi

Inokulasi merupakan tahapan penanaman eksplan yang sudah steril ke dalam atau di atas medium buatan pada botol kultur. Teknik yang dilakukan untuk mendapatkan eksplan yang steril disebut teknik aseptis, dengan mengambil atau mengiris bagian tanaman. Entkas dan LAF (Laminar Air Flow) merupakan peralatan utama untuk melakukan kerja secara aseptis.

c) Pemeliharaan

Tahapan setelah inokulasi adalah meletakkan atau menyimpan botol-botol kultur secara rapi dan teratur pada ruang pemeliharaan (ruang inkubator), yaitu di rak-rak pemeliharaan. Selama pemeliharaan, kultur diamati secara rutin untuk mengetahui pertumbuhan dan perkembangan eksplan. Ruang inkubator harus dalam keadaan bersih dan dilengkapi dengan pengatur suhu ruangan serta sumber cahaya (lampu), sehingga mendukung pertumbuhan dan perkembanagan eksplan.

d) Aklimatisasi

Tahapan setelah memelihara kultur yaitu menyesuaikan tanaman agar mampu beradaptasi dengan lingkungan yang baru. Proses ini disebut aklimatisasi. Perlakuan sebelum memindahkan atau menumbuhkan tanaman hasil kultur jaringan pada lingkungan luar (lapangan), yaitu menumbuhkan kultur dalam suatu ruangan khusus (green hause), dengan mengatur faktor kelembaban, cahaya, dan suhu.

Gambar 1. Tahapan pembentukan tanaman baru (pada wortel)

Keterangan:

(a) wortel

(b) potongan wortel bentuk bulat (+ 1 cm)

(c) dibuang bagian tepi sehingga berbentuk kubus

(d) dimasukkan ke dalam medium (mengandung zat pengatur tumbuh)

(e) tumbuh kalus

(f - i) tahapan perkembangan sampai terbentuk tanaman kecil

(j) tanaman wortel dewasa

Ada beberapa manfaat dan keuntungan kultur jaringan tanaman, antara lain: menghasilkan tanaman atau individu baru dalam jumlah besar dan cepat (waktu relatif singkat); menghasilkan tanaman bebas virus, menghasilkan tanaman yang persis dengan induknya, sehingga dapat melestarikan sifat tanaman induk; menghasilkan hibrid baru melalui persilangan somatis (melalui fusi atau penggabungan protoplas); menghasilkan tanaman haploid (melalui kultur mikrospora), sehingga untuk pemuliaan tanaman; untuk menyimpan plasma nutfah; untuk menyelamatkan embrio; hanya memerlukan tempat yang relatif sempit; serta semua bagian tanaman dapat digunakan.

2. Rekayasa Genetika

Tahun 1973 merupakan sejarah yang mengawali penelitian sebelum berkembangnya rekayasa genetika, yaitu pencangkokan gen mamalia ke dalam sel bakteri, sehingga menimbulkan fenotip maupun genotip yang baru. Teknik rekayasa genetika dapat dilakukan melalui:

a) Teknologi DNA Rekombinan (Recombinant DNA Technology)

Teknologi DNA rekombinan atau disebut juga Rekayasa Genetika adalah suatu metode biokimiawi atau manipulasi gen, dengan cara menyisipkan (insert) atau menggabungkan gen yang dikehendaki ke dalam suatu organisme. Hasil penggabungan DNA dari individu yang tidak sama ini disebut DNA rekombinan. Sementara itu, gen dari satu individu yang disisipkan atau digabungkan pada gen individu yang lain disebut transgen, individunya disebut transgenik (misalnya: tanaman transgenik).

Teknologi DNA rekombinan memerlukan suatu perantara atau vektor berupa plasmid bakteri (DNA berbentuk lingkaran yang terdapat di luar kromosom), sehingga merupakan bentuk teknologi plasmid. Adapun syarat-syarat vektor yang baik antara lain: mempunyai kemampuan untuk bereplikasi sendiri dan melakukan transkripsi; mampu memasuki sel; mampu menjadi bagian genom sel; serta mempunyai ciri khusus, sehingga sel yang ditransformasi dapat dikenali oleh sel yang tidak ditransformasi. Segmen DNA atau gen yang disisipkan akan berkembang di dalam sel individu penerima (inang atau host) dan tidak akan mengalami perubahan fungsi atau tetap berfungsi, sebagaimana pada sel yang diambil gennya.

Salah satu contoh rekayasa genetika yang sudah berhasil adalah penyisipan atau pemindahan gen manusia sebagai penghasil insulin, ke dalam plasmid bakteri Escherichia coli.

Gambar 2. Rekayasa genetika untuk menghasilkan insulin.

b) Transplantasi Nukleus

Dua ahli mikrobiologi (Robert Briggs dan Thomas King) adalah orang yang pertama kali melakukan percobaan transplantasi nukleus pada tahun 1950-an. Kemudian, John Gurdon melanjutkan penelitian tersebut. Mereka menghancurkan nukleus dari sel telur katak menggunakan radiasi sinar ultra violet dan menggantinya dengan nukleus dari sel usus embrio katak (berudu) yang sedang berkembang. Nukleus dari sel usus tersebut diambil dengan mikropipet. Bila nukleus berasal dari sel usus embrio muda yang belum terdiferensiasi, maka sel telur penerima (resipien) dapat berkembang menjadi berudu. Perkembangan ini tidak terjadi, jika nukleus diambil dari sel usus berudu yang telah terdiferensiasi. Transplantasi atau pemindahan nukleus dari satu sel ke sel yang lain dapat menghasilkan individu yang baru.

Gambar 3. Transplantasi nukleus pada katak

c) Kloning

Selain transplantasi gen, pembentukan individu baru dapat dilakukan dengan teknik yang disebut kloning. Kloning adalah suatu metode untuk menghasilkan keturunan atau individu yang identik secara genetik dengan induknya. Pada tahun 1997, para peneliti dari Scotlandia (Ian Wilmut dan rekan-rekannya) berhasil menghasilkan seekor domba yang kemudian diberi nama Dolly. Pada penelitiannya, mereka mengambil sel telur dari satu domba dan menghilangkan nukleusnya. Selanjutnya, sel telur tanpa nukleus tersebut digabungkan dengan sel kelenjar susu (am bing) dari domba lainnya menggunakan aliran arus listrik. Setelah 6 hari ditumbuhkan dalam kultur, terbentuk embrio dan ditanam di dalam uterus domba lainnya (domba ke-3 yang mirip dengan pendonor sel telur). Akhirnya, domba tersebut melahirkan anak yang identik dengan domba pendonor sel ambing. Para ahli dapat saja menerapkan kloning pada manusia, sehingga dihasilkan klon dari manusia itu sendiri (pria maupun wanita) yang mempunyai sifat identik.

Gambar 4. Kloning menghasilkan domba Dolly

d) Teknologi Hibridoma

Teknologi hibridoma adalah suatu metode penggabungan (fusi) dua macam sel dari organisme yang sama atau berbeda untuk mendapatkan sel hibrid (hibridoma) yang mempunyai kombinasi kedua sifat tersebut. Proses penggabungan sel menggunakan tenaga listrik, sehingga prosesnya disebut elektrofusi. Teknologi hibridoma menghasilkan antibodi minoklonal, yaitu antibodi murni yang tidak tercemar oleh kuman atau protein lain. Teknik ini dikembangkan oleh Kohler dan Mistein, dengan menyuntikkan antigen ke dalam tubuh tikus atau kelinci. Selanjutnya, tikus atau kelinci tersebut membentuk antibodi. Sel pembentuk antibodi

dari limpa tikus atau kelinci dipisahkan dan diambil, kemudian meleburkan atau menggabungkan sel tersebut dengan sel kanker. Penggabungan kedua sel tersebut membentuk sel hibridoma. Sel penghasil antibodi hasil kultur sel hibridoma dipisahkan kemudian dikultur. Dengan demikian dihasilkan beberapa antibodi monoklonal dari beberapa kultur sel.

Gambar 5. Pembentukkan antibodi monoklonal melalui teknik hibridoma

Beberapa contoh Bioteknologi Modern

A. Radiasi

Menunda pematangan buah dengan radiasi

Dilakukan dg penyinaran sinar radioaktif, Radiasi digunakan untuk:

1. Mengawetkan makanan, menghambat pertunasan umbi dan menunda pematangan buah.
2. Membuat mutan dengan menggunakan sinar gamma, dimanfaatkan untuk membuat bibit unggul, seperti: padi atomita I, II, III dan IV dan kedelai muria.

Padi unggul Atomita, mutan hasil radiasi

3. mengendalikan jumlah serangga, caranya: serangga jantan di radiasi, menjadi jantan mandul, dilepas ke alam, terjadi perkawinan, telur tak menetas, jumlah sedikit.

Pengendalian serangga dengan radiasi jantan mandul

   

B. Hidroponik

Pipa berisi ”pupuk cair” untuk ”Hidroponik”

bercocok tanam menggunakan media  air dan bahan poros, budidaya tanpa menggunakan tanah.

Bagan Hidroponik

Pupuk didistribusikan ke tanaman dengan gayung atau pompa, Contoh: sawi, selada, caisim, bayam, bawang daun, kangkung, tomat, paprika, terung, mentimun.      

C. Aeroponik

Pada ”Aeroponik” akar menggantung di udara

akar tanaman menggantung di udara, nutrisi disemprotkan tiap 2 menit sekali selama 3 detik, contoh: caisim, kentang,  selada, kangkung.

Bagan penyemprotan ”kabut gas” berisi nitrisi pada Aeroponik

D. Organisme Transgenik

Organisme yang mendapat sisipan gen dari organisme lain. Pembuatannya dilakukan dengan menggunakan tehnik pencangkokan gen / rekayasa genetika / teknik DNA rekombinan

Organisme Transgenik

   

Contoh: pembuatan insulin dari bakteri yang disisipi Gen Insulin Manusia, digunakan untuk mengobati penderita diabetes melitus (kencing manis).

E. Membuat Buah Tanpa Biji

caranya dengan menyilangkan dua tananam sejenis yang berbeda ploidi (berbeda jumlah sel kromosom),   merangsang dengan bahan kimia kolkisin, asam sulfamilamid dan antibiotik streptomisin.

Semangka tanpa biji

   

F. Pupuk Biologi

menggunakan mikroorganisme pengikat zat lemas (N2), seperti Rhizobium, Anabaena.

Pupuk Biologi dengan Rhizobium

    

memanfaatkan mikoriza, simbiosis jamur dan akar tumbuhan biji.

Mikoriza, termasuk Pupuk Biologi

     

G. Pengendalian Hama Hayati

1. menggunakan hewan pemangsa (predator), misal: burung hantu untuk memakan tikus.

2. Menggunakan jamur, bakteri, virus yang merupakan parasit.

pengendalian tikus dengan burung hantu