Molekular DNA & RNA dan Kloning Gen

DNA merupakan molekul yang sangat panjang, terdiri dari ribuan deoksiribonukleotida, yang bergabung dalam suatu urutan yang bersifat khas bagi tiap organisme dan berbentuk untaian ganda.

DNA berfungsi :

v  Untuk menyimpan informasi genetik secara lengkap yang diperlukan untuk mencirikan protein.

v  Untuk membuat program pada saat yang tepat dan menempatkan biosintesis sel dan komponen jaringan secara teratur.

v  Untuk menentukan aktivitas organisme sepanjang siklus hidupnya.

v  Untuk menentukan kekhususan organisme tertentu.

Pada prokariot, DNA dikemas secara supercoiled (dalam bentuk pilinan-pilinan). Pada eukariot, DNA dikemas dengan bantuan protein yang disebut histon, dimana DNA dikemas sehingga membentuk butiran-butiran kecil yang disebut nukleosom.

RNA

                RNA terdiri dari benang panjang ribonukleotida, berupa untaian tunggal. Molekul ini lebih pendek dari DNA dan ditemukan dalam jumlah yang jauh lebih banyak dalam kebanyakan sel.

Golongan utama RNA

v  mRNA (messenger RNA) = RNA data.

     berfungsi untuk transkripsi sandi genetik dari DNA dan merupakan template untuk sintesis protein.

v  tRNA (transfer RNA) = RNA pemindah.

     berfungsi untuk membawa asam amino teraktifkan ke ribosom untuk pembentukan ikatan peptida. Setiap tRNA mempunyai satu gelang antikodon dengan tiga pasang basa yang komplementer dengan sandi tiga basa pada mRNA untuk asam amino spesifik.

v  rRNA (ribosom RNA)

      80% RNA ini merupakan komponen utama dari ribosom. BM besar dan setiap molekul mengandung beberapa ribu unit nukleotida.

Nukleotida sebagai penyusun DNA dan RNA mengandung 3 komponen yang khas

1. Basa nitrogen
2. Gula pentosa
3. Asam fosfat

Basa-basa nitrogen heterosiklik:

Basa purin : Adenin dan Guanin

 

Basa pirimidin : Sitosin, Timin, dan Urasil

 




Nukleotida pada DNA dan RNA  berikatan secara kovalen satu dengan yang lainnya melalui jembatan gugus fosfat. Gugus 5’-hidroksil pada pentosa unit nukleotida yang satu digabungkan dengan gugus 3’-hidroksilpada pentosa nukleotida berikutnya melalui ikatan fosfodiester.

Struktur Untai Komplementer DNA

Sifat Heliks Ganda DNA

•          Dupleks DNA mengalami denaturasi apabila larutan DNA dipanaskan. Masing-masing DNA mempunyai suhu denaturasi yang berbeda-beda. Semakin banyak duplek mengandung pasangan basa GC maka titik lebur semakin tinggi (GC lebih stabil dari AT).

•          DNA yang mengandung pasangan GC lebih banyak menunjukkan densitas lebih daripada DNA yang mengandung AT.

Bahan Genetik

Ø  Bahan genetik (genetic material) adalah material atau substansi yang menyimpan informasi genetik dari suatu organisme hidup. Bahan ini diwariskan secara generatif dari satu individu ke individu lain. Dalam transmisi ini, bahan genetik harus kekal.

Ø  Hampir semua organisme hidup di bumi menyimpan informasi genetik dalam bentuk DNA. Sejumlah virus dan organisme subvirus menyimpan bahan genetik dalam bentuk RNA.

Ø  Gen adalah bahan genetik yang terkait dengan sifat tertentu.

Ø  Gen tertentu membawa informasi yang dibutuhkan untuk membuat protein dan informasi itu disebut sebagai kode genetik.

Ekspresi Gen

Ekspresi gen adalah proses dimana kode-kode informasi yang ada pada gen diubah menjadi protein-protein yang beroperasi di dalam sel.

Ekspresi gen terdiri dari dua tahap:

1. Transkripsi, proses pembuatan RNA copy.
2. Translasi, proses sintesis polipeptida yang spesifik di dalam ribosom.

Replikasi DNA

Ø  Replikasi adalah suatu proses membuat molekul induk menjadi DNA anak yang memiliki deret sama persis dengan deret nukleotida DNA induk.

Ø   DNA pada eukariot dan prokariot direplikasi dengan cara semikonservatif.

Ø   Pada replikasi semikonservatif, hanya satu untaian induk yang dipertahankan pada tiap DNA keturunan.

Ø  Replikasi DNA bersifat semikonservatif, yaitu kedua untai tunggal DNA bertindak sebagai cetakan untuk pembuatan untai-untai DNA baru; seluruh untai tunggal cetakan dipertahankan dan untai yang baru dibuat dari nukleotida-nukleotida.

Transkripsi DNA

ü  Aliran informasi genetik pada DNA yang dituliskan kembali dalam bentuk RNA.

ü  Biosintesis RNA dengan cara transkripsi   DNA dibantu oleh RNA polimerase

    Tahapan sintesis molekul RNA oleh transkripsi dari cetakan DNA yang bersangkutan :

1. Enzim RNA polimerase mengikat urutan spesifik dari basa, atau tanda permulaan. Pengikatan ini menyebabkan terbukanya gulungan heliks rangkap DNA.
2. RNA polimerase mengkatalisasi pembentukan hubungan fosfodiester antara ribonukleosida trifosfat dan ujung 3’-OH dari untai RNA yang sedang tumbuh. Pertumbuhan untai RNA berlangsung dalam arah 5’ ke 3’.
3. RNA atau DNA dupleks yang dihasilkan membuka kumparannya dan untai cetakan DNA membentuk kembali heliks rangkap DNA.
4. RNA disintesasi.

Translasi DNA (Sintesis protein)

ü  Translasi adalah proses dimana pesan genetik yang disandi oleh RNA ditranslasikan oleh ribosom menjadi 20 huruf alfabet pada struktur protein.

ü  Molekul yang berperan pada proses ini adalah tRNA (molekul yang berperan sebagai adaptor yang bersifat triplek antikodon yang mengikat asam amino tertentu).

Rekayasa Genetika

•          Eksperimen untuk mengubah struktur DNA (rekayasa genetika), merupakan usaha  untuk mengatur struktur polipeptida yang terbentuk agar sesuai dengan yang dikehendaki Pembentukan DNA rekombinan.

•          Salah satu contoh rekayasa genetika dengan menggunakan teknik DNA rekombinan berupa produksi hormone insulin.

KLONING GEN

•          Kloning dapat diartikan sebagai teknik penggandaan gen yang menghasilkan keturunan yang sama sifat baiknya dari segi hereditas maupun penampakannya.

•          Kloning gen merupakan suatu terobosan baru untuk mendapatkan sebuah gen yang mungkin sangat dibutuhkan bagi kehidupan manusia.

•          Kloning gen meliputi serangkaian proses isolasi fragmen DNA spesifik dari genom suatu organisme, penentuan sekuen DNA, pembentukan molekul DNA rekombinan, dan ekspresi gen target dalam sel inang.

•          Penentuan sekuen DNA melalui sekuensing bertujuan untuk memastikan fragmen DNA yang diisolasi adalah gen target sesuai dengan kebutuhan.

•          Gen target selanjutnya diklon dalam sebuah vektor (plasmid, phage atau cosmid) melalui teknologi DNA rekombinan yang akan membentuk molekul DNA rekombinan.

•          DNA rekombinan yang dihasilkan ditransformasikan ke dalam sel inang yang biasanya sel bakteri, misalnya E.coli untuk diproduksi lebih banyak.

•          Gen target yang ada dalam sel inang diekspresikan sehingga menghasilkan produk gen yang diinginkan.

•          Aplikasi kloning gen yang sudah pernah kita dengar adalah produksi insulin dengan pendekatan kloning gen. Fragmen DNA spesifik penyandi insulin diisolasi dan diklon dalam suatu vektor  membentuk DNA rekombinan yang selanjutnya produksi insulin dilakukan di dalam sel inang bakteri E. coli.

•          Tahapan produksi insulin dengan pendekatan kloning gen :

    1. mengidentifikasi dan mengisolasi gen penghasil insulin dari sel pancreas manusia.
a. mula-mula mRNA yang telah disalin dari gen penghasil insulin diekstrak dari sel pancreas. Kemudian enzim transcriptase ditambahkan pada mRNA bersamaan dengan nukleotida penyusun DNA.
b. Enzim ini menggunakan mRNA sebagai cetakan untuk membentuk DNA berantai tunggal.
c. DNA ini kemudian dilepaskan dari mRNA.
d. Enzim DNA polymerase digunakan untuk melengkapi DNA rantai tunggal menjadi rantai ganda, disebut DNA komplementer (c-DNA), yang merupakan gen penghasil insulin

  2. melepaskan salinan gen penghasil insulin tersebut dengan cara memotong kromosom secara khusus menggunakan enzim restriksi.

  3. mengekstrak plasmid dari sel bakteri, kemudian membuka plasmid dari sel bakteri dengan menggunakan enzim restriksi yang lain. Sementara itu, di dalam serangkaian tabung reaksi atau cawan petri, gen penghasil insulin manusia (dalam bentuk c-DNA) disiapkan untuk dipasangkan pada plasmid yang terbuka tersebut.

  4. memasang gen penghasil insulin ke dalam cincin plasmid. Mula-mula, ikatan yang terjadi masih lemah, kemudian enzim DNA ligase memperkuat ikatan ini sehingga dihasilkan molekul DNA rekombinan / plasmid rekombinan yang bagus.

  5. memasukkan plasmid rekombinan kedalam bakteri E. coli. Di dalam sel bakteri ini plasmid engadakan replikasi.

  6. mengultur bakteri E. coli yang akan berkembang biak dengan cepat menghasilkan klon-klon bakteri yang mengandung plasmid rekombinan penghasil insulin. Melalui rekayasa genetika dapat dihasilkan E. coli yang merupakan penghasil insulin dalam jumlah banyak dan dalam waktu yang singkat.

Beberapa manfaat dari teknologi kloning gen:

•          Dalam bidang kesehatan, diantaranya:

1. Produksi insulin manusia secara massal dengan menggunakan bakteri E.coli.
2. Produksi secara komersial vaksin hepatitis B dengan menggunakan S. ceriviceae dalam skala industri.
3. Terapi gen untuk penyakit dilakukan dengan mngganti gen yang rusak dengan gen normal.

•          Dalam bidang hukum, diantaranya:

    Identifikasi pelaku kejahatan dengan menggunakan analisis sidik jari DNA (DNA finger print).

•       Dalam bidang bioteknologi kelautan, diantaranya:

    Meningkatkan ukuran ikan, dengan menggunakan hormon pertumbuhan yang dibuat dengan teknik rekayasa genetik untuk meningkatkan ukuran ikan.

•          Dalam bidang pertanian diantaranya:

1. Bakteri Ice (es minus) merupakan bakteri hasil rekayasa genetik yang tak membeku pada suhu yang rendah, diperdagangkan dengan merek dagang: Frostban®.
2. Tanaman tahan hama, contohnya kapas BT dan tomat BT yang tahan hama karena menghasilkan toksin yang membunuh hama. Toksin disandikan dari gen yang berasal dari bakteri Bacillus thuringiensis (BT).