Bioteknologi

Bioteknologi adalah cabang ilmu biologi yang mempelajari pemanfaatan makhluk hidup (bakteri, fungi, virus, dan lain-lain) maupun produk dari makhluk hidup (enzim, alkohol,antibiotik, asam organik) dalam proses produksi untuk menghasilkan barang dan jasa yang dapat digunakan oleh manusia. Dimasa 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. Dengan kata lain, bioteknologi adalah ilmu terapan yang menggabungkan berbagai cabang ilmu dalam proses produksi barang dan jasa.
Istilah bioteknologi pertama sekali diperkenalkan pada tahun 1919 oleh seorang sarjana pertanian Hongaria, Karl Ereky. Pada waktu itu, istilah bioteknologi digunakan untuk menghasilkan suatu produk dari bahan baku dengan bantuan organisme hidup.
Bioteknologi secara sederhana sudah dikenal oleh manusia sejak ribuan tahun yang lalu. Sebagai contoh, di bidang teknologi pangan adalah pembuatan bir, roti, maupun keju yang sudah dikenal sejak abad ke-19, pemuliaan tanaman untuk menghasilkan varietas-varietas baru di bidang pertanian, serta pemuliaan dan reproduksi hewan. Di bidang medis, penerapan bioteknologi pada masa lalu dibuktikan antara lain dengan penemuan vaksin, antibiotik, dan insulin walaupun masih dalam jumlah yang terbatas akibat proses fermentasi yang tidak sempurna. Perubahan signifikan terjadi setelah penemuan bioreaktor oleh Louis Pasteur. Dengan alat ini, produksi antibiotik maupun vaksin dapat dilakukan secara massal.
Pada masa ini, bioteknologi berkembang sangat pesat, terutama di negara negara maju. Kemajuan ini ditandai dengan ditemukannya berbagai macam teknologi semisal rekayasa genetika, kultur jaringan, DNA rekombinan, pengembangbiakan sel induk, kloning, dan lain-lain. Teknologi ini memungkinkan kita untuk memperoleh penyembuhan penyakit-penyakit genetik maupun kronis yang belum dapat disembuhkan, seperti kanker ataupun AIDS. Penelitian di bidang pengembangan sel induk juga memungkinkan para penderita stroke ataupun penyakit lain yang mengakibatkan kehilangan atau kerusakan pada jaringan tubuh dapat sembuh seperti sediakala. Di bidang pangan, dengan menggunakan teknologi rekayasa genetika, kultur jaringan dan DNA rekombinan, dapat dihasilkan tanaman dengan sifat dan produk unggul karena mengandung zat gizi yang lebih jika dibandingkan tanaman biasa, serta juga lebih tahan terhadap hama maupun tekanan lingkungan. Penerapan bioteknologi pada masa ini juga dapat dijumpai pada pelestarian lingkungan hidup dari polusi. Sebagai contoh, pada penguraian minyak bumi yang tertumpah ke laut oleh bakteri, dan penguraian zat-zat yang bersifat toksik (racun) di sungai atau laut dengan menggunakan bakteri jenis baru.
Kemajuan di bidang bioteknologi tak lepas dari berbagai kontroversi yang melingkupi perkembangan teknologinya. Sebagai contoh, teknologi kloning dan rekayasa genetika terhadap tanaman pangan mendapat kecaman dari bermacam-macam golongan.
Bioteknologi secara umum berarti meningkatkan kualitas suatu organisme melalui aplikasi teknologi. Aplikasi teknologi tersebut dapat memodifikasi fungsi biologis suatu organisme dengan menambahkan gen dari organisme lain atau merekayasa gen pada organisme tersebut.
Perubahan sifat Biologis melalui rekayasa genetika tersebut menyebabkan "lahirnya organisme baru" produk bioteknologi dengan sifat - sifat yang menguntungkan bagi manusia. Produk bioteknologi, antara lain:
Bioteknologi berkaitan dengan mikroorganisme. Mikroorganisme berinteraksi dengan sesama mikroorganisme maupun dengan organisme lain yang kemudian akan memberikan efek yang beraneka ragam, baik menguntungkan maupun merugikan. Dalam pembahasan mikrobiologi kedokteran maupun fitopatologi, beberapa mikroorganisme dapat menjadi penyebab adanya suatu penyakit dan menjadi patogen dalam kehidupan. Namun, mayoritas mikroorganisme dapat memberikan manfaat yang sangat beragam dalam dunia bioteknologi. Mikroorganisme yang digunakan untuk proses pengolahan makanan bisa berasal dari kelompok bakteri maupun fungi. Bakteri yang digunakan bisa berasal dari kelompok Actinobacteriaceae seperti Bifidobacterium thermophilum
Pemanfaatan Bioteknologi dikelompokkan menjadi dua kelompok yakni : Bioteknologi Konvensional, dan modern. Produk bioteknologi konvensional terdiri dari kecap, keju, yoghurt, kefir, nata, tape dan tempe. Sedangkan produk bioteknologi modern antara lain seperti enzim, glukosa hasil hidrolisis enzimatis, dan beberapa bahan tambahan pangan serta produk hasil rekayasa genetika.
Pemanfaatan mikroorganisme dalam proses pembuatan makanan dan minuman telah dikenal ribuan tahun sebelum masehi. Pemanfaatan agen biologis seperti mikroorganisme, enzim, sel, DNA, untuk menghasilkan produk/jasa dikenal dengan istilah bioteknologi. Pemanfaatan mikroba secara langsung untuk menghasilkan produk termasuk bioteknologi konvensional. Bioteknologi konvensional banyak digunakan dalam proses pembuatan makanan/minuman dan antibiotik. Peralatan dan metode yang digunakan dalam prosesnya sederhana serta tidak memerlukan sterilitas yang tinggi.
Bioteknologi konvensional menerapkan prinsip fermentasi. Fermentasi adalah proses pemecahan senyawa kompleks menjadi sederhana dalam keadaan anaerob. Mikroorganisme yang ditambahkan akan tumbuh dan berkembang biak pada substrat (bahan baku) yang kita siapkan. Organisme tersebut menguraikan bahan baku (substrat) menjadi senyawa yang lebih sederhana dalam keadaan anaerob.
Berikut merupakan beberapa contoh produk bioteknologi konvensional, misalnya tempe, roti, keju, kecap, tauco. Seperti gambar di samping :
Keju adalah produk susu paling kompleks, yang melibatkan bahan kimia, biokimia dan proses mikrobiologi. Langkah-langkah pembuatan keju antara lain pengasaman susu, susu koagulasi, pembuangan whey, pengemasan dan penyimpanan. Kebanyakan pembuatan keju dan pengasinan dadih. Bahkan sedikit perubahan dalam proses ini bisa menjadi perbedaan yang signifikan dalam keju terakhir.
Bioteknologi memiliki beberapa jenis atau cabang ilmu yang beberapa diantaranya diasosikan dengan warna, yaitu:
Bioteknologi modern berkembang sejak ditemukannya struktur DNA, adanya rekayasa genetika/sel, membutuhkan peralatan modern dan dilakukan dalam keadaan steril. Beberapa contoh bioteknologi modern di antaranya kultur jaringan, bayi tabung, kloning, teknologi hibidoma dan DNA rekombinan.
Kultur jaringan adalah teknik memperbanyak tumbuhan dari jaringan/organ tertentu dalam media bernutrisi dan steril. Teknik kultur jaringan memanfaatkan sifat totipotensi tumbuhan yang tinggi karena tumbuhan memiliki sifat meristemastik (aktif membelah) yang tinggi. Tujuan kultur jaringan adalah untuk mendapatkan keturunan dalam jumlah besar, cepat dan seragam.
Kultur jaringan tanaman merupakan teknik menumbuh kembangkan bagian tanaman, baik berupa sel, jaringan atau organ dalam kondisi aseptik secara in vitro. Pengembangan teknik kultur jaringan telah menjadi dasar dalam tanaman berkualitas tinggi, bebas penyakit pada skala masal, terutama pada tanaman yang diperbanyak secara vegetatif.
Keberhasilan dalam menggunakan teknik kultur jaringan dalam menghasilkan bibit unggul dan steril, tidak terlepas dari ketergantungan pada media yang digunakan. Media Murashige dan Skoog (MS). Media ini adalah media yang paling banyak digunakan dalam pembuatan media untuk kultur jaringan dikarenakan media MS ini memiliki kandungan yang cukup banyak untuk menyokong dalam pertumbuhan plantlet, kandungan nutrisi yang dimiliki seperti nitrat, kalium, dan amonium yang tinggi, kandungan ini yang menjadi alasan mengapa media MS ini paling banyak dalam pembuatan media, atas kelebihan media MS ada juga kendala dari media MS tersebut adalah relatif mahalnya media yang ada di pasaran.
Bayi tabung merupakan salah satu alternatif saja untuk menolong pasangan infertil, mengingat bahwa teknik "Bayi Tabung" ini memerlukan penanganan dan laboratorium khusus dengan biaya yang masih relatif lebih mahal. Oleh karena itu sebelum diputuskan bahwa pasangan tersebut memang perlu ditolong dengan "Bayi Tabung" perlu pertimbangan yang matang baik oleh dokter yang merawat maupun oleh apsangan yang bersangkutan.
Bayi tabung bertujuan untuk mengatasi pasangan yang kesulitan mendapatkan keturunan. Bayi tabung dilakukan dengan cara mempertemukan sperma dan ovum dalam sebuah media (fertilisasi in vitro) . Setelah ovum dibuahi dan mengalami pembelahan, saat embrio berada pada tahap blastula maka akan diimplantasikan pada rahim ibu yang sah.
merupakan indikasi utama dari "Bayi Tabung" FIV-ET, faktor tuba ini merupakan faktor penyebab infertilitas yang paling sering dijumpai meliputi kurang lebih 25-50%, sedangkan WHO mencatat untuk tuba buntu koleteral 11.12%, dan kelainan tuba yang lain 9.2 @, perlekatan pelvis 11.0% dan endometriosis 4.5 %, kelainan tuba ini pada umumnya disebabkan karena infeksi atau endometriosis.
Faktor imunologik ini dimaksudkan bila di dalam serum istri dijumpai anti body (isoimun) sedangkan untuk anti sperma antibody yang berada pada semen (autoimun) akan dibicarakan pada faktor suami.
Pasangan-pasangan yang tidak memberi hasil dengan obat-obat induksi ovulasi, dapat dicoba dengan induksi ovulasi memakai protokol FIV misalnya dengan FSH murni.
Banyajk parameter yang digunakan untuk menilai kesuburan suami antara lain konsentrasi, motilitas, morfologi dan lebih jauh bila perlu dinilai pula faktor imunologik. Untuk teknik pembantu reproduksi dengan indikasi faktor suami ini yaitu apabila terdapat faktor imunoloogik tes MAR >40% maka sebaiknya dikerjakan FIV 2, lalu bila tidak terdapat faktor imunologik maka dilihat konsentrasinya, bila konsentrasi >20 juta/ml maka sebaiknya juga FIV. Tetapi bila konsentrasi >20 juta.ml maka dilihat motilitas serta morfologinya. Apabila sel sperma dalam ejakulasi berjumlah sedikit dianjurkan FIV dengan teknik ICSI (Intra Cytoplasmic Sperm Injection), apabila tidak ada sel sperma sama sekali pada ejakulasi, untuk mendapatkan sel sperma akan dilakukan TESE (Testicular Serm Extraction), PESA (Percutaneous Epididymal Sperm Aspiration) atau MESA (Micrsurgical Epididymal Sperm Aspiration).
Secara teknis, kloning berarti meniru. Teknik ini bermaksud membentuk organ hidup buatan yang mirip dengan organ aslinya. Caranya dengan mengambil inti sel dari sel tubuh ke sel telur. Begitulah yang terjadi dalam kloning makhluk hidup lengkap pertama di dunia, yang dilakukan oleh peneliti Roslin Institute, Edinburgh, Skotlandia pada 1996. Mereka berhasil mengkloning domba yang kemudian diberi nama Dolly. Keberhasilan tim pimpinan Dokter Ian Wilmut ini mendorong para peneliti melakukan berbagai riset kloning terhadap tikus, kera, sapi, babi dan kuda. Berhasil, konon sampai akhirnya timbul pikiran : mengapa tak mencoba mengkloning makhluk paling "sempurna" yakni manusia.
Dalam bahasa inggris, istilah kloning yang berasal dari kata cloning, diartikan sebagai suatu usaha untuk menciptakan duplikat suatu organisme melalui proses yang aseksual atau dalam perkataan lain kloning berarti penggandaan atau membuat foto kopi dari suatu makhluk dengan cara-cara nonseksual. Istilah tersebut pada awalnya dipakai pada dunia tanaman, yang berarti sekumpulan tanaman yang didapatkan dari pembiakan vegetatif atau pembiakan tanpa perkawinan seperti pembiakan yang menggunakan stek atau cangkok.
Salah satu hewan yang sangat terkenal hasil kloning adalah domba Dolly. Kloning (transfer inti) dilakukan dengan cara memindahkan sel inti somatik (inti sel tubuh) ke dalam ovum yang sudah dihilangkan intinya. Sel ini kemudian distimulasi sehingga membelah dan membentuk embrio. Embrio yang terbentuk kemudian dimasukkan ke dalam rahim hewan yang sejenis. Individu hasil kloning akan mirip sifatnya dengan individu pendonor inti sel.
Rekayasa genetika merupakan dasar dari bioteknologi yang didalamnya meliputi - manipulasi gen, kloning gen, DNA rekombinan, teknologi modifikasi genetik, dan genetika modern dengan menggunakan prosedur identifikasi, replikasi, modifikasi dan transfer materi genetik dari sel, jaringan, maupun organ. Sebagian besar teknik yang dilakukan adalah memanipulasi langsung DNA dengan orientasi pada ekspresi gen tertentu. Dalam skala yang lebih luas, rekayasa genetik melibatkan penanda atau marker yang sering disebut sebagai Marker-Assisted Selection (MAS) yang bertujuan meningkatkan efisiensi suatu organisme berdasarkan informasi fenotipenya. Salah satu aplikasi dari rekayasa genetika adalah berupa manipulasi genom hewan. Hewan yang sering digunakan menjadi uji coba adalah mamalia. Mamalia memiliki ukuran genom yang lebih besar dan kompleks dibandingkan dengan virus, bakteri, dan tanaman. Sebagai konsekuensinya, untuk memodifikasi genetik dari hewan mamalia harus menggunakan teknik genetika molekular dan teknologi rekombinan DNA.
Secara umum, rekayasa genetika melakukan modifikasi pada mahluk hidup melalui transfer gen dari suatu organisme ke organisme lain. Prosedur rekayasa genetika secara umum meliputi:
Prosedur pembentukan organisme transgenic ada dua, yaitu:
Beberapa langkah dasar proses introduksi gen adalah :
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. Agen mutagenesis ini biasanya dikenal dengan istilah mutagen. Beberapa contoh mutagen yang umum dipakai adalah sinar gamma (mutagen fisika) dan etil metanasulfonat (EMS) (mutagen kimia).
Human Genome Project dimulai pada tahun 1990 dan selesai pada tahun 2003. Proyek ini bertujuan untuk mengurutkan seluruh genom manusia. Meskipun proyek ini merupakan kemajuan dalam memahami genom manusia dan kompleksitasnya, masih banyak pertanyaan yang berlum terjawab. Proyek-proyek lain diluncurkan untuk mengungkap misteri genom kita, termasuk Encyclopedia of DNA Elements (Encode). Tinjauan ini bertujuan untuk menganalisis evolusi pengetahuan ilmiah yang terkait dengan proyek HGP dan Encode.
Proyek Genom manusia dimulai pada tahun 1990 dan diharapkan akan selesai pada tahun 2005. Tujuan awal dari pengurutan genom manusia segera diperluas. Harapan besarnya termasuk mencapai "misteri suci biologi" dan menanggapi tuntutan yang ditimbulkan oleh penyakit genetik dan penuaan. Ide-ide yang dilebih-lebihkan tersebut tersebar luas di media.
Telah diamati bahwa gen tidak terdistribusi secara seragam di seluruh 24 kromosom manusia (22 kromosom autosom dan kromosom seks X dan Y). Ini berarti bahwa daerah gugus gen yang kaya terletak di samping daerah gugus gen yang buruk. Daerah gurun ini sesuai dengan 20% genom. Hanya sekitar 2% genom manusia yang berkomitmen untuk sintesis protein, yaitu ∼20.000 gen adalah gen pengkode protein. Fakta ini adalah salah satu alasan terbesar kekecewaan pada akhir HGP. Diprediksi bahwa genom manusia akan mengkode ∼100.000 gen. Komunitas ilmiah tercengang bahwa jumlah gen manusia sama dengan nematoda yang agak tidak canggih. Temuan ini dianggap cukup provokatif dan pertanyaan menakjubkan pun muncul: dari mana kompleksitas suatu organisme berasal? Disadari bahwa kompleksitas manusia didasarkan pada kodifikasi protein yang berbeda dan bukan pada kuantitas gen. Sebagian gen ini digunakan dalam pembentukan berbagai protein selama proses penyambungan RNA pembawa. Dengan penemuan ini, konsep “satu gen–satu protein,” yang selama ini menjadi bagian dari dogma utama dalam biologi, perlu direvisi.Proyek ini memiliki potensi tak terbatas untuk perkembangan di bidang pendekatan diagnostik untuk mendeteksi penyakit dan pendekatan molekuler untuk menyembuhkan penyakit genetik manusia.
Aplikasi dari bioteknologi medis sudah berlangsung lama, sebagai contoh 100 tahun lalu lintah umum digunakan untuk merawat penyakit dengan cara membiarkan lintah menyedot darah pasien (bloodletting). Hal ini dipercaya dapat menghilangkan darah yang sudah terjangkit penyakit. Pada zaman sekarang, lintah ditemukan memiliki enzim pada kelenjar salivanya yang dapat menghancurkan gumpalan darah yang bila tidak dihancurkan dapat menyebabkan stroke dan serangan jantung. Selain contoh tersebut, terdapat banyak aplikasi bioteknologi di bidang medis sebagai berikut.
Sel punca adalah jenis sel khusus dengan kemampuan membentuk ulang dirinya dan dalam saat yang bersamaan membentuk sel yang terspesialisasi. Meskipun kebanyakan sel dalam tubuh seperti jantung maupun hati telah terbentuk khusus untuk memenuhi fungsi tertentu, sel punca selalu berada dalam keadaan tidak terdiferensiasi sampai ada sinyal tertentu yang mengarahkannya berdiferensiasi menjadi sel jenis tertentu. Kemampuannya untuk berproliferasi bersamaan dengan kemampuannya berdiferensiasi menjadi jenis sel tertentu inilah yang membuatnya unik. Karakteristik biologis dan diferensiasi sel punca fokus pada sel punca mesenkimal.
Aplikasi dari sel punca diantaranya adalah pengobatan infark jantung yaitu menggunakan sel punca yang berasal dari sumsum tulang untuk mengganti sel-sel pembuluh yang rusak (neovaskularisasi). Aplikasi terapeutik sel punca embrionik pada berbagai penyakit degeneratif. Selain itu, sel punca diduga dapat digunakan untuk pengobatan diabetes tipe I dengan cara mengganti sel pankreas yang sudah rusak dengan sel pankreas hasil diferensiasi sel punca. Hal ini dilakukan untuk menghindari reaksi penolakan yang dapat terjadi seperti pada transplantasi pankreas dari binatang. Sejauh ini percobaan telah berhasil dilakukan pada mencit.
Bioteknologi memiliki banyak aplikasi atau penerapan dalam berbagai bidang, seperti dalam bidang pertanian dan ilmu pangan. Penerapan tersebut termasuk pengembangn tanaman transgenik. Tanaman transgenik merupakan tanaman yang telah disisipi atau memiliki gen asing dari spesies tanaman yang berbeda atau makhluk hidup lainnya.
Berikut adalah beberapa manfaat penerapan bioteknologi dalam bidang pertanian :
Berikut adalah beberapa contoh dari bioteknologi pertanian :
Bioteknologi industri merupakan penerapan bioteknologi untuk keperluan industri seperti pencegahan polusi atau dampak terhadap lingkungan, konservasi sumber daya, atau pemrosesan dan produksi berkelanjutan produk dan bahan kimia.
Bioteknologi lingkungan adalah teknologi yang digunakan dalam pengolahan limbah dan pencegahan polusi yang dapat secara lebih efisien membersihkan banyak limbah dibandingkan dengan metode konvensional dan secara signifikan mengurangi ketergantungan pada metode pembuangan berbasis lahan. Contoh dari bioteknologi lingkungan yaitu bioremediasi. Bioremdiasi adalah merupakan penggunaan mikroorganisme untuk mengurangi polutan di lingkungan.