Bioteknologi (Part 1)

Pengertian : pemanfaatan prinsip-prinsip dan kerekayasaan terhadap organisme, sistem, atau proses biologis untuk menghasilkan atau meningkatkan potensi organisme maupun menghasilkan prosuk dan jasa bagi kepentingan hidup manusia.

Ilmu-ilmu yang digunakan :

·         Mikrobiologi : cabang dari ilmu biologi yang mempelajari tentang jasad renik . dari cabang ilmu biologi ini bakteri dapat di golongkan menjadi 3 yaitu psikrofil (tumbuh pada suhu 0-30°C), mesofil (tumbuh pada suhu 25-40°C), dan termofil (tumbuh pada suhu 50°C atau lebih). Ilmu ini biasanya di terapkan pada pembuatan yogurt.

·         Biologi sel : cabang ilmu biologi yang mempelajari sel. Berguna bagi pengaplikasian bioteknologi. Seperti pengetahuan mengenai sifat protoplasma suatu sel yang dapat berfusi dengan protoplasma sel lain pada spesies yang sama.

·         Genetika : cabang ilmu biologi yang mempelajari tentang pewarisan sifat genetik mahluk hidup dari satu generasi ke generasi berikutnya. Ilmu ini dapat membantu percepatan kemajuan bioteknologi. Contoh penerapan ilmu ini adalah di temukannya tanaman tomat yang tidak mudah rusak, insulin, dll.

·         Biokimia : cabang ilmu kimia yang mempelajari mahluk hidup dari aspek kimia. Dalam biokimia, hidup adalah kimia, gejala hidup adalah gejala kimia, dan proses-proses hidup adalah proses kimia.

·         Virologi : ilmu yang mempelajari tentang virus

·         Teknologi pangan

·         Biologi pertanian

·         Biologi kedokteran

·         Biologi kehutanan

Perkembangan bioteknologi

 Bioteknologi berperan sangat besar dalam kehidupan manusia. Orang Sumeria dan Babilonia telah menikmati bir sejak 6000 tahun sebelum masehi. Orang Mesir telah membuat adonan kue asam sejak 4000 tahun sebelum masehi. Bukti bahwa organisme sanggup melakukan fermentasi didapat dari studi awal L. Pasteur (1857-1876), sehingga Pasteur disebut bapak bioteknologi.

Meskipun manusia dahulu tidak memahami bioteknologi, tetapi pada kenyataannya mereka menggunakan prinsip-prinsip bioteknologi untuk memodifikasi tanaman dan produk makanan.

Pada masa kini, bioteknologi bukan hanya dimanfaatkan dalam industri makanan tetapi telah meluas dalam berbagai bidang, seperti rekayasa genetika, penanggulangan populasi, penciptaan sumber energi, penemuan bahan medis maupun farmasi, dan lain-lain.

Bioteknologi tradisional (konvensional) : bioteknologi yang memanfaatkan mikroba, proses biokimia, proses genetik alami seperti mutasi dan rekombinasi genetik. Pengaplikasiaanya telah mencakup dalam aspek pangan, pertanian, hingga kesehatan dan pengobatan. Contohnya adalam tempe dengan menggunakan jamur Rhizopus, oncom, tanaman hidroponik, sapi “jersey”, antibiotik, vaksin, dll.

Bioteknologi modern : bioteknologi yang didasarkan pada manipulasi atau rekayasa DNA, selain memanfaatkan dasar mikrobiologi dan biokimia. Berkembang saat di temukannya DNA tahun 1950. Pengaplikasiaanya telah mencakup dalam aspek pangan, pertanian, pertenakan, hingga kesehatan dan pengobatan. Contohnya kentang yang telah mengalami mutasi genetik sehingga kadar pati kentang menjadi 20% meningkat, tanaman kedelai tengger dan kedelai hijau camar yang berumur pendek dengn produktivitas tinggi yang diperoleh dari radiasi seleksi biji-biji kedelai, pemebelahan embrio secara fisik mampu menghasilkan kembar indentik pada domba, sapi, babi, dan kuda, hormon pertumbuhan, dll.

Bioteknologi dengan menggunakan mikroorganisme

Pada umumnya bioteknologi menggunakan mikroorganisme karena dapat tumbuh dengan cepat, mengandung protein yang cukup tinggi, dapat menggunakan produk-produk sisa sebagai substratnya misalnya dari limbah dapat menghasilkan produk yang tidak toksik dan reaksi biokimianya dapat dikontrol oleh enzim organisme itu sendiri. Bioteknologi dengan menggunakan mikroorganisme dapat menghasilkan makanan dan minuman, penghasil obat, pembasmi hama tanaman, pengolah limbah, pemisah logam dari bijih logam.

1. Mikroorganisme Pengubah dan Penghasil Makanan dan Minuman

Proses fermentasi dari suatu organisme dapat mengubah suatu makanan dan minuman. Ingatlah kembali pelajaran Metabolisme, proses fermentasi merupakan perubahan enzimatik secara anaerob dari suatu senyawa organik dan menjadi produk organik yang lebih sederhana. mikroorganisme dijadikan sebagai sumber makanan karena  mikroorganisme dapat tumbuh menjadi dua kali lipat dan juga massa mikroba minimal mengandung 40% protein dan memiliki kandungan vitamin dan mineral yang tinggi.

Beberapa jenis mikroorganisme dalam produk makanan dan minuman adalah sebagai berikut.

·         Pembuatan Tape : Tape merupakan makanan hasil fermentasi yang mengandung alkohol. Makanan ini dibuat dari beras ketan ataupun singkong dengan jamur Endomycopsis fibuligera, Rhizopus oryzae, ataupun Saccharomyces cereviceae sebagai ragi.

·         Pembuatan Tempe : tempe mengandung sumber protein nabati yang cukup tinggi. Tempe terbuat dari kedelai dengan bantuan jamur Rhizopus sp.

·         Pembuatan Oncom : Oncom terbuat dari ampas tahu  dengan bantuan jamur Neurospora sitophila. Jamur ini dapat menghasilkan zat warna merah atau oranye yang merupakan pewarna alami. Fermentasi ini menyebabkan terbentuknya sedikit alkohol dan berbagai ester yang beraroma sedap.

·         Pembuatan Kecap : Kecap terbuat dari kacang kedelai berwarna hitam. Untuk mempercepat fermentasi biasanya dicampurkan sumber karbohidrat atau energi. Perendaman kedelai dilakukan dalam larutan garam, maka pembuatan kecap dinamakan fermentasi garam. Fermentasi pada proses pembuatan kecap dengan menggunakan jasmur Aspergillus wentii dan Rhizopus sp.

·         Pembuatan Asinan Sayuran : Asinan sayuran merupakan sayuran yang diawetkan dengan jalan fermentasi asam. Bakteri yang digunakan adalah Lactobacillus sp., Streptococcus sp., dan Pediococcus.

·         Pembuatan Roti: Proses fermentasinya dibantu dengan bantuan yeast atau khamir yaitu sejenis jamur.

·         Pembuatan Keju : Keju dibuat dari air susu yang diasamkan dengan memasukkan bakteri, yaitu Lactobacillus bulgarius dan Streptococcus thermophillus.

·         Pembuatan Yoghurt : proses pembuatannya di bantu dengan bakteri Lactobacillus bulgaricus dan Streptococcus termophillus.

·         Minuman Berakohol : Mikroorganisme yang digunakan adalah khamir dari genus Saccharomyces. Proses pembuatannya terdiri dari fermentasi malolaktat .

2. Mikroorganisme Penghasil Obat

Mikroorganisme juga dapat membantu di bidang kesehatan yaitu dalam pengobatan, misalnya digunakan untuk antibiotik dan vaksin.

·         Antibiotik : Pembuatan antibiotik ini harus dalam lingkungan steril agar terhindar dari kontaminasi yang mungkin terjadi, sehingga pertumbuhan mikroorganisme yang diinginkan dapat optimal dan menghasilkan produk yang optimal juga. Antibiotik ini pertama kali ditemukan oleh Alexander Fleming yang diberi nama Penicilin yang dihasilkan oleh Penicillium.

Beberapa kelompok dari antibiotik adalah sebagai berikut.

1.       Penicilin : pencampuran berbagai senyawa dengan komponen utamanya penisilin

2.       Tetrasiklin : dihasilkan oleh bakteri Streptomycin aureofaciens

3.       Sefalosporin : dihasilkan oleh jamur Cephalosporium

4.       Eritromisin : bermanfaat untuk melawan bakteri yang resisten terhadap penisilin atau pasien yang alergi terhadap penisilin.

·         Vaksin : Vaksin telah membantu dalam pencegahan serangan penyakit. Vaksin berasal dari mikroorganisme yang telah dilemahkan atau dimatikan. Vaksin pada umumnya dimasukkan dengan suntikan atau oral ke dalam tubuh manusia agar aktif melawan mikroorganisme tersebut. Vaksin berasal dari mikroorganisme yang telah mati (dimatikan dengan pemanasan atau penggunaan senyawa kimia unutk mendenaturasi enzimnya) dan mikroorganisme yang telah dilemahkan / vaksin atenuasi (dihasilkan dari substansi tosin (toksoid) yang sudah tidak berbahaya bagi bakteri). Contohnya, vaksin disentri, tetanus, dan lain-lain.

 3. Mikroorganisme Pembasmi Hama Tanaman

Salah satu cara untuk mengurangi pencemaran lingkungan adalah penggunaan mikroorganisme sebagai pengendali hayati dalam membasmi hama tanaman. Pengendalian hama dapat digunakan dengan musuh alam; misalnya bakteri di tanah dan tanaman yaitu Bacillus thuringiensis. Bakteri ini dikembangkan menjadi insektisida mikrobial, yang menghasilkan protein kristal yang dapat membunuh serangga, yaitu larva atau ulat serangga.

Beberapa Bt yang tersedia secara komersial dengan hama targetnya adalah

·         Bacillus thuringiensis varietas menyerang kumbang kentang colorado dan larva kumbang daun.

·         Bacillus thuringiensis varietas kurstaki menyerang berbagai ulat tanaman pertanian

·         Bacillus thuringiensis varietas israelensis menyerang nyamuk dan lalat hitam

·         Bacillus thuringiensis varietas aizawai menyerang larva menyengat dan berbagai ulat

Bila serangga memakan daun yang telah disemprot spora dan toksin kristal Bt, serangga akan mati karena toksin mengikat reseptor spesifik yang ada pada membran usus ulat serangga.  Ulat serangga akan mulai berhenti makan dan dalam beberapa jam mebran usus ulat serangga mengalami degradasi. Akibatnya, spora Bt dan bakteri usus akan masuk ke dalam rongga tubuh ulat serangga dan serangga pun akan mengalami keracunan darah.

4.Mikroorganisme pengolahan limbah

Mikroorganisme membantu pengolahan berbagai jenis limbah terutama limbah organik. Limbah organik menyebabkan pencemaran di sungai. Tujuan pengolahan limbah adalah untuk mengurangi kandungan BOD dan bahan padat tersuspensi. Mikroorganisme mengolah limbah cair melalui proses penguraian secara aerob dan anaerob. Pada proses secara aerob terdapat berbagai organisme seperti bakteri, protista dan jamur, yang menguraikan makteri organik dari limbah menjadi mineral-mineral, gas-gas, dan air. Pada proses ini dibutuhkan banyak oksigen. Proses pengolahan limbah secara aerob terdiri dari 2 metode yaitu pengolahan dengan lumpur aktif dan pengolahan dengan saringan tetes. pengolahan dengan lumpur aktif adalah pengolaha limbah cair dengan membiakkan bakteri aerobik dalam suatu tangki limbah yang diberi aerasi dengan tujuan untuk menurunkan baham organik yang mengandung karbon dan nitrogen dalam limbah. Bakteri yang berperan adalah bakteri heterotrof. pengolahan dengan saringan tetes adalah pengolahan limbah cair dengan memanfaatkan teknologi biofilm (lapisan mikroorganisme yang menutupi hamparan saringan pada suatu tangki limbah.). kemudian akan dilakukan penguraian lumpur (proses penguraian bahan padat yang terakumulasi dari pemrosesan aerob atau dari endapan perlakuan fisik sebelumnya).

5.Mikroorganisme pemisah logam dari bijih besi

peranan mikroorganisme didalam proses ekstraksi logam dari bijihnya akan semakin penting karena deposit-deposit mineral yang lebih kaya sudah banyak berkurang dan biji bermutu rendah banyak di olah dan membutuhkan pengembangan teknik yang dapat mengekstraksi logam dengan lebih sempurna, serta metode pengolahan biji secara tradisional menyebabkan polusi udara. Dengan bantuan mikroorganisme lingkungan yang mengandung bijih tembaga akan menghasilkan asam dan mengoksidasi bijih tersebut disertai pemisahan logam tembaga. Mikroorganisme tersebut adalah Thiobacillus oxaidans dan T. Ferrooxidans.

6.Bioteknologi dengan menggunakan kultur jaringan tumbuhan

Kultur jaringan merupakan salah satu cara perbanyakan tanaman secara vegetatif. Kultur jaringan tumbuhan (mikropropagasi) adalah bentuk perbanyakan tumbuhan secara vegetatif dengan memanipulasi jaringan somatik tumbuhan di dalam kutur aseptik dengan lingkungan terkontrol.  Keuntungan dari kultur jaringan lebih hemat tempat, hemat waktu, dan tanaman yang diperbanyak dengan kultur jaringan mempunyai sifat sama atau seragam dengan induknya. Contoh tanaman yang sudah lazim diperbanyak secara kultur jaringan adalah tanaman anggrek.

 Metode kultur jaringan dikembangkan untuk membantu memperbanyak tanaman, khususnya untuk tanaman yang sulit dikembangbiakkan secara generatif. Bibit yang dihasilkan dari kultur jaringan mempunyai beberapa keunggulan, antara lain:

·         mempunyai sifat yang identik dengan induknya

·         dapat diperbanyak dalam jumlah yang besar sehingga tidak terlalu membutuhkan tempat yang luas

·         mampu menghasilkan bibit dengan jumlah besar dalam waktu yang singkat

·        

kesehatan dan mutu bibit lebih terjamin

·         kecepatan tumbuh bibit lebih cepat dibandingkan dengan perbanyakan konvensional.

 Tahapan yang dilakukan dalam perbanyakan tanaman dengan teknik kultur jaringan adalah:

1) Pembuatan media : Media yang digunakan biasanya terdiri dari garam mineral, vitamin, dan hormon. Selain itu, diperlukan juga bahan tambahan seperti agar, gula, dan lain-lain.

2) Inisiasi : pengambilan eksplan dari bagian tanaman yang akan dikulturkan.

3) Sterilisasi : segala kegiatan dalam kultur jaringan harus dilakukan di tempat yang steril.

4) Multiplikasi : memperbanyak calon tanaman dengan menanam eksplan pada media.

5) Pengakaran: fase dimana eksplan akan menunjukkan adanya pertumbuhan akar yang menandai bahwa proses kultur jaringan yang dilakukan mulai berjalan dengan baik.

6) Aklimatisasi : kegiatan memindahkan eksplan keluar dari ruangan aseptic ke bedeng. Pemindahan dilakukan secara hati-hati dan bertahap, yaitu dengan memberikan sungkup

Keunggulan inilah yang menarik bagi produsen bibit untuk mulai mengembangkan usaha kultur jaringan ini. Saat ini sudah terdapat beberapa tanaman kehutanan yang dikembangbiakkan dengan teknik kultur jaringan, antara lain adalah: jati, sengon, akasia, dll.

7.Bioteknologi dengan menggunakan rekayasa genetika                

Rekayasa genetik adalah suatu kumpulan teknik-teknik eksperimental yang memungkinkan peneliti untuk mengisolasi, mengidentifikasi, dan melipatgandakan suatu fragmen DNA dalam bentuk murninya.

Tahap dasar rekayasa genetika

Rekayasa dimulai 50 tahun lalu. Para peneliti menemukan bahwa enzim restrisik endonuklease dapat berfungsi sebagai “gunting molekuler”, yaitu dapat memotong secara kimiawi tempat-tempat khusus di sepanjang molekul DNA. Enzim yang disebut ligase, dapat menggabungkan potongan DNA yang digunting dari suatu gen dengan potongan DNA dari mahluk yang tidak berkaitan. Namun sebuah gen harus diangkut oleh suatu materi genetik khusus yang disebuh vektor, dan salah satu jenis veketor yang dapat bermanfaat adalah plasmid.

Manfaat rekayasa genetik

Dalam bidang kedokteran dan farmasi : pembuatan insulin manusia oleh bakteri. Insulin berguna untuk mengontrol kadar gula dalam darah. Penderita diabetes tidak mampu membentuk insulin dalam jumlah yang dibutuhkan. Biasanya insulin didapatkan dari kelenjar pankreas sapi dan babi. Biasanya untuk memperoleh 0,45 kg insulin yang dibutuhkan oleh 750 pasien diabetes selama satu tahun, diperlukan 3600 kg kelenjar pancreas yang berasal dari 23.000 kg ekor sapi.

Terapi gen manusia: selain kelainan gengetik yang disebabkan oleh alel tunggal yang rusak, secara teoritis mungkin untuk diganti dengan alel yang masih berfungsi normal menggunakan teknik DNA rekombinasi. Alel baru tersebut dapat di sisipkan kedalam sel somatic jaringan yang dipengaruhi kelainan dalam diri pasien atau bahkan mungkin juga ke dalam sel germinal. Agar terapi sel bersifat permanen, sel tang merima alel normal harus memperbanyak diri agar tetap bereplikasi dan diekspresikan. Terapi sel yang paling menjanjikan adalah terapi yang melibatkan sel sumsusm tulang belakang.

antibodi monoklonal (imunitas vertebrata sebagai sistem pertahanan untuk melawan infeksi). Antibosi memiliki keunikan dibandingkan protein lainnya karena terdapat berjuta-juta antibody dengan bentuk yang berbeda dan masing-masing antibody memiliki tempat pengikatan yang spesifik.

Antibody dapat dihasilkan dengan menyuntikan beberapa kali suatu sampel antigen pada kedalam tubuh hewan. Kemudian sampel darah hewan tersebut diambil karena banyak mengandung antibody (dihasilkan dari lomfosit-B).

Dalam bidang perternakan dan pertanian : organisme transgenik (organisme yang menerima gen-gen dari spesies lain), dihasilkan dengan 3 cara yaitu transfer gen, klonal embrio, dan klonal transfer inti.

Contoh transfer gen pada hewan adalah domba Tracey. domba Tracey adalah domba betina normal yang disisipi DNA manusia yang mengkode ATT sehingga menghasilkan air susu yang bermanfaat bagi manusia. Gen manusia masuk dalam tubuh tracey dengan cara : gen manusia yang mengkode ATT diisolasi dan diklon. Gen kemudia diinjeksi kedalam seltelur yang telah dibuahi sperma dan diadopsi oleh satu kromosom. Sel telur yang telah dibuahi akan membelah secara mitosis kemudian setelah menjadi embrio, embrio ditanamkan pada rahim induk pengasuh.    

Contoh klonal embrio adalah produksi hewan ternak secara indentik.sapi betina dan sapi jantan yang unggul di kmbangbiakan dan pembuahannya dilakukan dicawan petri, kemudian embrio yang telah di buahi di sisipkan pada sapi betina dewasa lainnya.

Contoh klonal dengan transfer inti adalah domba Dolly. Teknik ini adalah klon-klon yang di hasilkan dari suatu individu. Prinsip klona transfer inti adalah dengan memasukan donor DNA dari hewan yang karakternya diinginkan kedalam sel telur yang intinya telah dihilangkan. Setelah embrio terbentuk, embrio diletakan di rahim induk hewan yang akan membersarkan. Klonal membutuhkan biaya yang cukup besar sehingga jarang di gunakan. Klonal yang dilakukan pada hewan menimbulkan pertanyaan tentang klonal pada manusia. Banyak Negara yang melarang klona manusia.

Tanaman hasil rekayasa genetik (transgenik)

Tanaman trasngenik sebenarnya merupakan salah-satu produk dari rekayasa genetika yang dilakukan terhadap tumbuhan. Tanaman ini menjadi penting karena dewasa ini sebagian besar produk yang dikembangkan oleh industri bioteknologi lebih banyak kepada tanaman budidaya yang memiliki nilai jual besar. Teknik pembuatan tanaman transgenik tidak jauh berbeda dengan pembuatan insulin. Sifat yang biasanya dimasukkan ke dalam tanaman adalah anti hama, anti gulma, mampu memproduksi protein tertentu, dan lain sebagainya. Contohnya adalah tanaman transgenik yang di rekayasa dengan menggunakan Agrobacterium tumefaciens untuk memperoleh sifat seperti penundaan pematangan buah (ex : tomat. Tomat yang sudah dihasilkan menjadi bertahan beberapa minggu lbih lama), ketahanan terhadap pestisida dan herbisida (suatu gen disisipkan agar dapat mensitesiskan protein Kristal insektisidal. protein Kristal insektisidal memperngaruhi usus hama sehingga hama berhenti makan dan mati) , dan ketahanan terhadap kondisi lingkungan (contohnya transfer gen yang menghasilkan tanaman yang tahan kering karena memiliki lapisan kutikula yang lebih tebal atau tanaman yang tahan terhadap angin).

Dampak negatif dari bioteknologi

·         Alergi. Gen asing yang disisipkan pada organisme yang menjadi makanan manusia dapat menyebabkan alergi terhadap individu tertentu. Cara pencegahannya adalah dengan melakukan pengujian dalam jangka waktu lama untuk memastikan ada tidaknya efek samping dan harus diberi label dengan jelas guna memberi informasi pada konsumen mengenai produk yang dikonsumsi.

·         Hilangnya plasma nutfah atau keanekaragaman makhluk hidup karena yang dibudidayakan hanya yang unggul saja. Cara pencegahannya adalah dengan pemeliharaan berbagai jenis hewan dan tumbuhan dari suatu situs konservasi tertentu.

·         Rusaknya ekosistem karena adanya perubahan dari kondisi normal ke kondisi yang baru. Contohnya tanaman kapas Bt yangmenyebabkan ulat atau hama mati ternyata juga menyebabkan larva kupu-kupu lain ikut mati.