Archive for: dna
Kabarnya backbone DNA alien tersusun dari unsur arsen, bukan fosfor 
(Image from dogonews.com)
Mendengar kata arsen kita pasti langsung teringat racun, karena senyawaan arsenik memang sangat berbahaya bagi tubuh dan bahkan sangat mematikan. Lalu bagaimana jadinya jika ada mikroorganisme yang ternyata bersahabat dengan arsen? Jangan-jangan masih ada hubungan saudara dengan alien.
Awal Desember 2010, masyarakat Indonesia digegerkan dengan beberapa fenomena alam, seperti lahirnya sapi berkaki enam dan kambing yang berperilaku layaknya anjing. Berita akan fenomena ini begitu besar sehingga mendapat perhatian dari masyarakat luas. Pada saat yang bersamaan, ilmuan dunia digegerkan oleh suatu penemuan yang lebih besar. Bakteri yang dapat hidup dan berkembang biak menggunakan senyawa arsen. +Continue Reading
Istilah pencarian terpopuler untuk artikel ini:
DNA membawa 'Resep Kehidupan' (image from virtualmedicalcentre.com)
Kode genetik mungkin merupakan sandi tertua di dunia. Ia sudah ada sejak makhluk hidup pertama diciptakan. Sandi ini terdapat pada DNA yang terdapat pada setiap makhluk hidup, berupa urutan 3 huruf yang mengkodekan asam amino penyusun protein. Yang membuat kita terkagum-kagum, sandi ini nyaris sama di setiap makhluk hidup. Kode DNA pada manusia sama artinya dengan kode pada binatang, tanaman, jamur, bakteri bahkan virus (tentu saja Ada sedikit pengecualian tetapi tidak signifikan). +Continue Reading
Istilah pencarian terpopuler untuk artikel ini:
Replikasi DNA (image from britannica.com)
Replikasi DNA terlihat sulit pada awalnya. Namun ketika anda sedikit berusaha mempelajarinya ternyata sangat simple dan mudah untuk di mengerti.
Agar lebih mudah dalam memahami artikel ini, sangat disarankan agar lebih dulu membaca Mengenal DNA Lebih Dekat (anatomi DNA).
Proses replikasi pertama kali di mulai ketika enzyme Helicase memutus ikatan kimia yang paling lemah diantara dua rantai polinukleotida. Untaian DNA diputus tepat di tengah memisahkan pasangan-pasangan basa. Rantai polinukleotida yang baru dipisahkan menjadi rantai tunggal akan menjadi rantai dasar (template) untuk membentuk dua untai rantai DNA baru.
+Continue Reading
Istilah pencarian terpopuler untuk artikel ini:
Siapapun yang berkecimpung dalam dunia genetik pasti mengenal dan pernah berurusan dengan GenBank, bahkan tak berlebihan jika GenBank disebut sebagai referensi utama mereka. Sebenarnya bank macam apakah GenBank itu?
Bank ini adalah database sekuen genetik, semua sekuen DNA teranotasi dan tranlasinya yang dipublikasikan di seluruh dunia ada di sini. Data pada GenBank selalu bertambah setiap saat. GenBank dikelola oleh NIH (National Institute of Health) pemerintah Amerika, dan merupakan bagian dari Kolaborasi Database Sekuen Nukleotida Internasional yang terdiri atas DNA DataBank of Japan (DDBJ), European Molecular Biology Laboratory (EMBL), dan GenBank sendiri di National Center for Biotechnology Information (NCBI). Ketiga organisasi ini selalu bertukar data setiap hari agar semua datanya selalu ter-update.
+Continue Reading
Istilah pencarian terpopuler untuk artikel ini:
Mana yang lebih baik untuk melarutkan DNA/RNA? TE Buffer atau ddH2O? Pertanyaan ini seringkali muncul dan menjadi bahan diskusi yang menarik. Dan ternyata masing-masing memiliki kelebihan dan kelemahan sehingga pelarut mana yang dipilih amat bergantung pada tujuan kita melarutkan DNA/RNA.
DNA Precipitate | Image from http://www.biotechlearn.org.nz/
TE Buffer
TE Buffer adalah campuran antara larutan Tris-HCl dengan EDTA pada konsentrasi tertentu. Berikut ini resep pembuatannya:
Larutan Tris-HCl 1 M pH 7.5
Untuk membuat 1 L larutan:
- Tambahkan 121.14 g Tris Base (BM = 121.14 g/mol) ke dalam 800 mL ddH2O
- Atur pH hingga mencapai pH 8.0 dengan larutan HCl 4N
- Tambahkan ddH2O hingga volumenya tepat 1 L
Catatan: Nama kimia dan nama lain dari Tris base adalah 2-Amino-2-(hydroxymethyl)-1,3-propanediol, THAM, Tris(hydroxymethyl)aminomethane, atau Trometamol
Larutan EDTA 500 mM pH 8.0
Untuk membuat 1 L larutan:
- Tambahkan 186,12 g Sodium EDTA dihydrate (Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate) atau 146.12 g EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid) ke dalam 800 mL ddH2O
- Atur pH hingga mencapai pH 8.0 dengan larutan NaOH 4 N
- Tambahkan ddH2O hingga volumenya tepat 1 L
Untuk membuat 1 L larutan Stok TE Buffer 10X, campurkan larutan-larutan berikut ini:
- 100 ml Tris-HCl 1 M pH 7.5
- 20 ml EDTA 500 mM pH 8.0
- 880 ml ddH2O
Larutan diaduk hingga bercampur sempurna.
Larutan TE Buffer dapat disterilkan menggunakan autoclave.
ddH2O
ddH2O atau disebut juga aqua bidestillata atau ultrapure water, adalah air yang sangat murni, lebih murni dari aquadest atau pun air reverse osmosis karena telah melalui berbagai macam cara pemurnian. Pada awalnya orang melakukan destilasi kembali pada air yang telah didestilasi, namun saat ini digunakan kombinasi berbagai jenis pemurnian untuk memperoleh ultrapure water ini (Artikel tentang tingkat kemurnian air dapat dilihat selengkapnya di sini).
Secara umum ddH2O dibuat dengan melewatkan aquadest ke dalam suatu cartridge berisi resin-resin filter dan deionisasi untuk menghilangkan ion-ion dari air, hingga diperoleh nilai hantaran listrik yang sangat kecil (sekitar 5.5 × 10−6 S·m−1 atau 18 MΩ cm), terakhir air tersebut dilewatkan melalui filter membran dengan pori-pori 0.22 µl. Biasanya ddH2O tidak perlu disterilkan lagi menggunakan autoclave.
Mana yang Lebih Baik?
Kedua pelarut di atas paling umum digunakan untuk melarutkan DNA atau RNA, karena keduanya dapat melarutkan DNA atau RNA dengan baik. Namun untuk alasan stabilitas dan tujuan pemakaian DNA atau RNA, maka keduanya memiliki keunggulan dan kelemahan masing-masing.
DNA atau RNA akan lebih stabil jika dilarutkan dalam TE buffer karena pH-nya djaga sekitar 8. Ingat bahwa fungsi utama buffer adalah menyangga pH pada nilai tertentu. Jika dilarutkan dalam ddH2O, ada peluang untuk berubahnya pH. Ini dapat terjadi karena DNA dan RNA memiliki sifat asam lemah (ingat: DNA=asam deoksiribonukleat, RNA=asam ribonukleat), yang dalam waktu lama dapat menyebabkan degradasi DNA/RNA, apalagi DNase juga bekerja pada pH yang sedikit asam. Jadi untuk alasan kestabilan, buffer TE lebih unggul dibanding ddH2O.
Meskipun TE buffer membuat stabil DNA, tapi kita harus berhati-hati jika DNA atau RNA tersebut akan digunakan untuk aplikasi enzimatis seperti PCR (Polymerase Chain Reaction). Kenapa begitu? Karena TE buffer mengandung EDTA, yang dapat membentuk senyawaan kompleks dengan ion logam seperti Mg2+. Dalam hal ini EDTA merupakan chelating agent. Padahal Mg2+ adalah prekursor untuk enzim Taq DNA polymerase yang digunakan pada reaksi PCR, jadi kalau jumlah EDTA pada larutan DNA atau RNA cukup banyak, bisa menyebabkan reaksi PCR menjadi terhambat karena enzim DNA polymerase-nya tidak dapat bekerja secara sempurna. Jadi utk alasan ini, ddH2O lebih unggul dibanding TE buffer karena ddH2O tidak mengandung chelating agent.
Jadi, aplikasi lanjutan dari sampel DNA atau RNA akan menentukan pilihan kita. Jika DNA atau RNA akan segera digunakan untuk aplikasi PCR, lebih baik menggunakan ddH2O sebagai pelarut. Jika bukan dan akan disimpan dalam waktu yang cukup lama, TE buffer lah pilihannya. Tapi bisa saja kita mengakalinya dengan mengganti TE buffer dengan Tris-HCl buffer pH 8 karena tidak mengandung EDTA. Larutan Tris-HCl buffer ini sering digunakan sebagai elution buffer pada kit-kit purifikasi DNA/RNA komersial.
Satu hal lagi yang harus diingat, TE buffer atau ddH2O yang digunakan untuk melarutkan RNA harus bebas RNase, yaitu yang sudah di-treatment dengan DEPC (Diethyl Pyrocarbonate).
Selain itu, faktor penyimpanan juga sangat berpengaruh terhadap kestabilan larutan DNA atau RNA. Hal-hal berikut harus diperhatikan:
- Simpanlah larutan DNA atau RNA pada suhu -20oC atau -80oC (untuk RNA)
- Jangan sering-sering melakukan freeze-thaw, lebih baik melakukan aliquot dengan membagi larutan DNA atau RNA ke dalam beberapa tabung dengan volume lebih kecil.
So, apakah ada argumen lain yang bisa diungkapkan? Silakan tinggalkan komentar untuk kami.
Istilah pencarian terpopuler untuk artikel ini:
Virus Cartoon | Image from http://dolla.wordpress.com/
Makhluk yang satu ini sudah tidak asing lagi bagi manusia, ia sering diidentikkan dengan penyakit karena umumnya kita mengenal virus sebagai salah satu agen penyebab penyakit. Tentu kita belum lupa kehebohan penyakit flu burung dan flu babi yang membuat kita bergidik ngeri. Bagaimana tidak? makhluk tak kasat mata itu bisa membuat manusia tiba-tiba tak berdaya, bahkan tak jarang mengantarkan pada kematian. Selain flu, banyak penyakit lainnya yang disebabkan oleh virus, seperti hepatitis, cacar, rabies, beberapa jenis kanker, HIV AIDS dan lain-lain.
+Continue Reading
Istilah pencarian terpopuler untuk artikel ini:
Mengungkap bagaimana DNA dibaca sebagai resep untuk membuat protein. Karena fungsinya ini, DNA dinobatkan sebagai buku resep atau cetak biru (blueprint ) bagi kehidupan.
Image from scienceprogress.org
Bila bilangan biner yang hanya terdiri dari angka 0 dan 1 saja bisa membuat komputer melakukan berbagai pekerjaan, maka DNA tentunya bisa berbuat lebih hebat lagi. Sebab DNA terdiri dari 4 macam kode (A, G, T dan C) yang tidak lain melambangkan basa-basa nukleotida penyusun DNA. DNA adalah untai panjang basa-basa nukleotida, panjangnya bisa jutaan hingga miliaran basa (lihat lagi artikel tentang DNA di sini). Sekilas memang kita pusing kalau mengamati urut-urutan basa DNA, bayangkan jutaan huruf tapi cuma ada ACTG di situ. Tapi tentu saja tidak mungkin itu semua hanya timbunan huruf tanpa makna, pastilah urutan basa itu memiliki makna besar terselubung yang mesti dipecahkan.
Benar saja, ternyata memang DNA adalah blueprint atau resep untuk membuat protein, zat yang sangat berperan menunjang kehidupan makhluk hidup. Masalah ini sudah kita bahas pada tulisan “Mesin Super Canggih itu Ada dalam Tubuh Kita“.
Setelah diketahui bahwa DNA terdiri dari 4 macam basa, ilmuwan menduga-duga bagaimana caranya urut-urutan basa DNA bisa menentukan urutan asam amino penyusun protein, pasti ada keteraturan atau rumusan tertentu.
Berbagai kemungkinan sandi pun dicoba, namun akhirnya diketahui bahwa rumusan itu amat sederhana sekaligus rumit (lho, kok bisa?), mereka menyusun suatu ‘rumusan tanpa spasi’.
Jadi bayangkan DNA genom sebagai sebuah buku tebal yang terdiri atas bab-bab yang disebut kromosom. Setiap bab terdiri atas kalimat-kalimat bermakna yang diselingi iklan. Kalimat bermakna ini kita namakan gen karena dialah yang berfungsi sebagai resep untuk membuat protein, sedangkan selingan iklan adalah bagian DNA yang belum diketahui secara pasti apa fungsinya (‘junk DNA’ alias DNA sampah). Kalimat bermakna (gen) ini terdiri atas kata-kata yang memiliki jumlah huruf yang sama, yang mana masing-masing kata adalah sandi yang mewakili asam amino tertentu. Inilah kode genetik itu.
Kode Genetik
Nah yang jadi masalah berapakah jumlah huruf dalam setiap kata tersebut? Kalau 2 huruf, berarti ada 4^2 kemungkinan alias 8, padahal kita tahu ada 20 asam amino yang menyusun protein. Maka yang paling mungkin adalah 3 huruf, karena berarti ada 4^3 kemungkinan atau 64. Jadi kalau begitu satu asam amino bisa dikodekan oleh lebih dari satu kata. Kata 3 huruf ini lebih dikenal dengan nama kodon.
Kode genetik yang pertama berhasil dipecahkan adalah UUU untuk asam amino Phenylalanine (Phe/F) Menyusul kemudian kode genetik untuk ke-19 asam amino lainnya. Berikut ini adalah kode genetik untuk ke-20 asam amino. Kode genetik di bawah ini disusun berdasarkan kodon RNA (Ingat, T pada DNA berubah menjadi U pada RNA, untuk lebih jelasnya baca lagi artikel ini):
| Amino Acid |
3-letter code |
1-letter code |
Codon, Genetic Code |
| Alanine |
Ala |
A |
GCU, GCC, GCA, GCG |
| Arginine |
Arg |
R |
CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG |
| Asparagine |
Asn |
N |
AAU, AAC |
| Aspartic acid |
Asp |
D |
GAU, GAC |
| Cysteine |
Cys |
C |
UGU, UGC |
| Glutamine |
Gln |
Q |
CAA, CAG |
| Glutamic acid |
Glu |
E |
GAA, GAG |
| Glycine |
Gly |
G |
GGU, GGC, GGA, GGG |
| Histidine |
His |
H |
CAU, CAC |
| Isoleucine |
Ile |
I |
AUU, AUC, AUA |
| Leucine |
Leu |
L |
UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG |
| Lysine |
Lys |
K |
AAA, AAG |
| Methionine |
Met |
M |
AUG |
| Phenylalanine |
Phe |
F |
UUU, UUC |
| Proline |
Pro |
P |
CCU, CCC, CCA, CCG |
| Serine |
Ser |
S |
UCU, UCC, UCA, UCG, AGU,AGC |
| Threonine |
Thr |
T |
ACU, ACC, ACA, ACG |
| Tryptophan |
Trp |
W |
UGG |
| Tyrosine |
Tyr |
Y |
UAU, UAC |
| Valine |
Val |
V |
GUU, GUC, GUA, GUG |
| Start |
|
|
AUG * |
| Stop |
|
|
UAG (amber), UGA (opal), UAA (ochre) |
* AUG adalah start codon yang paling umum. Alternatif start codon lain misalnya CUG pada eukaryotes dan GUG pada prokaryotes.
Table di atas bisa juga disajikan dalam bentuk tabel Kodon RNA seperti ini:
| First
Position
(5′ end) |
Second Position
|
U |
C |
A |
G |
|
| U |
UUU (Phe)
UUC (Phe)
UUA (Leu)
UUG (Leu) |
UCU (Ser)
UCC (Ser)
UCA (Ser)
UCG (Ser) |
UAU (Tyr)
UAC (Tyr)
UAA (Stop)
UAG (Stop) |
UGU (Cys)
UGC (Cys)
UGA (Stop)
UGG (Trp) |
U
C
A
G |
| C |
CUU (Leu)
CUC (Leu)
CUA (Leu)
CUG (Leu) |
CCU (Pro)
CCC (Pro)
CCA (Pro)
CCG (Pro) |
CAU (His)
CAC (His)
CAA (Gln)
CAG (Gln) |
CGU (Arg)
CGC (Arg)
CGA (Arg)
CGG (Arg) |
U
C
A
G |
| A |
AUU (Ile)
AUC (Ile)
AUA (Ile)
AUG (Met/Start) |
ACU (Thr)
ACC (Thr)
ACA (Thr)
ACG (Thr) |
AAU (Asn)
AAC (Asn)
AAA (Lys)
AAG (Lys) |
AGU (Ser)
AGC (Ser)
AGA (Arg)
AGG (Arg) |
U
C
A
G |
| G |
GUU (Val)
GUC (Val)
GUA (Val)
GUG (Val) |
GCU (Ala)
GCC (Ala)
GCA (Ala)
GCG (Ala) |
GAU (Asp)
GAC (Asp)
GAA (Glu)
GAG (Glu) |
GGU (Gly)
GGC (Gly)
GGA (Gly)
GGG (Gly) |
U
C
A
G |
|
Third
Position
(3′ end) |
Yang istimewa, kode genetik ini berlaku universal, setiap makhluk hidup mulai dari virus, bakteri, jamur, serangga, mamalia termasuk manusia memiliki kode genetik yang sama. Hanya terdapat sedikit pengecualian saja.
Membaca kode genetik
Image from wikipedia.org
Bagaimana resep genetik dibaca oleh tubuh kita? Ini juga tidak sederhana lho, banyak sekali aturannya. Seperti telah diungkap di atas, tidak semua bagian DNA merupakan resep genetik, pada manusia 98%-nya adalah junk DNA, hanya 2% yang berupa gen yang mengkodekan protein. Tubuh kita dan juga makhluk hidup lain sudah dibekali ‘kecerdasan’ untuk membedakan bagian DNA mana yang harus dibaca dan mana yang tidak. Yang paling sederhana adalah pada bakteri, karena sebagian besar DNA-nya adalah gen.
Ilustrasi berikut ini mungkin bisa membantu kita memahami bagaimana sel tubuh membaca resep kehidupannya sendiri. Coba perhatikan contoh urutan basa DNA berikut:
ATGTATTCTTACGGAATCCCTGAT
Sel membaca kalimat di atas sebagai kata-kata 3 huruf:
ATG TAT TCT TAC GGA ATC CCT GAT
Sesuai tabel kode genetik di atas, sel menterjemahkan kata-kata itu menjadi:
ATG TAT TCT TAC GGA ATC CCT GAT (DNA)
M Y S Y G I P D (Asam amino)
Reading Frame
Kalau kita jeli, kita akan melihat adanya alternatif pembacaan lain. Coba perhatikan, kalimat tadi bisa juga dibaca begini:
A TGT ATT CTT ACG GAA TCC CTG AT
Atau seperti ini:
AT GTA TTC TTA CGG AAT CCC TGA T
Dan kalau diterjemahkan hasilnya pun akan berbeda:
A TGT ATT CTT ACG GAA TCC CTG AT
C I L T E S L
AT GTA TTC TTA CGG AAT CCC TGA T
V F L R N P *
Jadi ada 3 alternatif pembacaan dari satu utas DNA, dan karena DNA itu adalah pasangan 2 utas yang saling berkomplemen, berarti kalimat inipun bisa dibaca pada utas pasangannya, artinya total ada 6 cara pembacaan DNA, atau istilah kerennya Reading Frame.
Dari 6 Reading Frame, biasanya hanya salah satu frame saja yang merupakan kalimat bermakna alias gen, frame ini kita namakan Open Reading Frame (ORF).
Sederhana sekali sekaligus sebuah sistem yang cerdas bukan? Seperti itulah resep kehidupan kita dan seluruh makhluk hidup disusun, dibaca dan diterjemahkan. Dari kode-kode sederhana namun menghasilkan makhluk hidup yang amat rumit.
Istilah pencarian terpopuler untuk artikel ini:
Ribosom (Image from media.photobucket.com)
Kita mungkin tak sadar kalau tubuh kita adalah sebuah mesin super canggih yang belum bisa ditandingi oleh mesin manapun. Ya, mesin ini terdiri dari mesin-mesin mikro yang sangat banyak. Ia mampu memproduksi sesuatu yang menopang hidup kita sendiri, berjalan dengan sangat efektif, sangat efisien, terintegrasi satu sama lain, mampu membedakan apa yang harus diproduksi dan apa yang tidak, tahu kapan harus bekerja dan kapan beristirahat, ada sistem pengendalian mutu (quality control) dan jaminan mutu (quality assurance), benar-benar canggih.
Mesin itu jumlahnya amat banyak, ada di dalam setiap sel tubuh kita. Mereka memproduksi zat yang super penting yaitu protein, dengan DNA sebagai buku resepnya (blueprint ). Protein inilah yang sesungguhnya menjalankan banyak sekali fungsi kehidupan. Melalui protein lah gen-gen dalam tubuh kita menentukan hampir segala sesuatu tentang tubuh kita, misalnya apa warna rambut kita, bagaimana kita memproses makanan dalam tubuh atau seberapa tahan kita terhadap suatu penyakit. Jadi terbayang kan betapa canggihnya mesin dalam tubuh kita?
Sekilas Protein
Protein adalah molekul yang sangat besar dan kompleks, ia berupa polimer yang tersusun atas rantai panjang molekul-molekul subunit yang dinamakan “asam amino”. Ada 20 jenis asam amino yang menyusun protein, struktur dasar semuanya sama, tapi rantai samping (gugus R) yang berbeda-beda membuat sifat kimiawinya berbeda pula.
Struktur Molekul Asam Amino (Image from en.wikipedia.org)
Seperti umumnya polimer lain seperti DNA, asam-asam amino tersusun rapi bak anak tasbih berjejer membentuk tasbih. Asam-asam amino tersusun satu per satu membentuk rantai lurus protein dengan keteraturan tertentu. Namun yang unik dari protein ini adalah bentuk tiga dimensinya yang tidak lurus seperti tali, melainkan berlipat-lipat, berpelintir, membentuk sebuah struktur tertentu yang khas, berbeda satu sama lain. Bahkan struktur tiga dimensi inilah yang membuat protein dapat berfungsi. Kesalahan sedikit saja protein ini melipat, maka bisa menyebabkan malfungsi bahkan penyakit-penyakit yang sulit disembuhkan.
Struktur Protein (Image from en.wikipedia.org)
Contoh kesalahan struktur tiga dimensi ini misalnya pada penyakit Cystic Fibrosis. Penyakit ini diakibatkan sebuah protein bernama CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) yang gagal melipat dengan benar. Penyebabnya ‘sepele’ saja, ‘hanya’ karena ada satu asam amino penyusun CFTR yang kurang (terdelesi). Namun efek tidak berfungsinya CFTR membuat ion khlorida tidak dapat melewati outer membrane pada sel, sehingga menyebabkan terbentuknya lapisan mukus yang tebal di paru-paru dan organ-organ pencernaan. Akibatnya cukup fatal karena dapat menyebabkan kematian penderitanya di usia belia. ‘Hanya’ gara-gara kurang satu asam amino.
Hingga saat ini, para ilmuwan belum dapat memprediksi struktur tiga dimensi (3D) suatu protein dengan tepat. Yang bisa dilakukan adalah mengamati struktur tiga dimensi melalui pengamatan difraksi sinar X. Prediksi baru bisa dilakukan hingga struktur sekunder saja, yaitu apakah suatu bagian tertentu protein membentuk spiral ‘alfa helix’ atau lembaran ‘beta sheets’, sedangkan struktur tersier (3D) masih ‘samar-samar’. Padahal kalau kita dapat memprediksi struktur 3D, kita dapat mengerti atau memprediksi sifat fetonip suatu organisme.
Implikasi lain jika struktur 3D protein mampu diprediksi adalah bagi dunia medis. Dengan mampunya kita memprediksi bagaimana protein melipat di dalam sel, maka secara teoritis kita dapat merancang obat yang tepat yang dapat menghambat fungsinya melalui program komputer tanpa harus ‘bersusah payah’ dan mengeluarkan biaya besar untuk eksperimen. Kita berharap semoga para ahli structural bioinformatics mampu segera menyelesaikan masalah ini.
Bagaimana Protein Diproduksi dalam Tubuh?
Ada tiga tahap proses yang terlibat dalam produksi protein. Semuanya terjadi dengan cara yang cerdas, efektif, efisien dan super canggih. Yo kita lihat.
Replikasi DNA
Replikasi adalah proses penggandaan DNA ketika suatu sel membelah dan membentuk sel yang baru. DNA pada sel lama berfungsi sebagai cetakan (template) untuk membuat salinan DNA pada sel baru yang urutan basa A-C-G-T nya persis sama. Ini menjamin setiap sel dalam tubuh kita memiliki seperangkat resep lengkap untuk membuat protein yang dibutuhkan.
DNA Replication (Image from www.coolschool.ca)
Transkripsi
Pada tahap awal produksi protein, informasi resep yang ada pada gen dikopi satu per satu (basa per basa) dari sebuah rantai DNA di dalam nukleus sel menjadi rantai RNA pembawa pesan (messenger RNA = mRNA). Rantai DNA berfungsi sebagai cetakan (template) yang akan menghasilkan mRNA komplemennya. Bedanya, basa T (thymine) pada DNA digantikan oleh U (uracil) pada mRNA, namun keduanya tetap sama-sama berkomplemen dengan A (adenine). Proses pengkopian DNA menjadi RNA ini dinamakan transkripsi.
Transcription (Image from en.wikipedia.org)
Perlu diingat bahwa jumlah mRNA yang ditranskripsi diatur (diregulasi) oleh tubuh kita sendiri, setiap sel hanya mentranskrip gen-gen yang dibutuhkan. Sel rambut hanya mentranskrip gen-gen pengkode protein di rambut saja, begitu pula dengan sel jantung, kulit, darah, dll. Dalam transkripsi dikenal juga istilah gen yang on dan off, on artinya gen tersebut ditranskripsi menjadi mRNA, off berarti sebaliknya. Jumlah mRNA yang disintesis pun tidak sembarangan, sedikit banyaknya disesuaikan dengan kebutuhan.
Translasi
mRNA hasil transkripsi kemudian dikeluarkan menuju sitoplasma sehingga bisa diproses lebih lanjut oleh suatu organel sel yang bernama ribosom. Ribosom akan membaca urutan basa RNA dan menterjemahkannya (translate ) menjadi urutan asam amino tertentu sesuai dengan resep yang dibawa mRNA. Di sinilah asam-asam amino itu dirakit sesuai urutan yang diresepkan gen (DNA) dan kemudian melipat membentuk struktur tiga dimensi yang fungsional.
Protein Translation (Image from www.scq.ubc.ca)
Anda dapat melihat video proses Replikasi, Transkripsi dan Translasi di sini.
Central Dogma
Tiga langkah proses di atas dinamakan “Central Dogma” dan bisa dikatakan sebagai tulang punggung Biologi Molekular. Ini semua sudah direncanakan alam dan masing-masing ada kegunaannya sendiri-sendiri.
Central Dogma of Molecular Biology (Image from en.wikipedia.org)
Coba perhatikan ketiga proses di atas, replikasi menjamin resep tubuh kita (DNA) tetap terjaga utuh di setiap sel. Transkripsi melibatkan RNA pembawa pesan (mRNA) yang mana sekaligus melindungi “otak” seluruh sistem ini –yaitu DNA– dari kerusakan, mengingat sintesis protein terjadi di sitoplasma yang penuh dengan bahan-bahan kimia, maka kalaupun terjadi kerusakan pada mRNA, DNA sebagai resep utama masih tetap utuh terjaga. Akhirnya, mRNA hasil transkripsi diterjemahkan (translasi) menjadi protein sebagai ‘pekerja’ bagi tubuh kita. Protein yang disintesis terkait langsung dengan regulasi ketika transkripsi, jadi protein apa saja yang disintesis dan berapa jumlahnya amat sangat teratur, tidak boleh ada istilah kekurangan atau kelebihan.
Tiga langkah yang terlihat sederhana, simple namun ternyata amat rumit dan canggih dan menghasilkan sesuatu yang luar biasa bergunanya bagi kehidupan. Ya, semuanya ada dalam tubuh kita sendiri.
Istilah pencarian terpopuler untuk artikel ini:
DNA (deoxyribose nucleic acid) merupakan komponen penyusun kehidupan. Zat inilah yang membuat lebah adalah seekor lebah dan kanguru adalah kanguru. DNA adalah apa yang membuat tiap-tiap individual (apapun jenis dan spesiesnya) unik.
Ia terdapat pada semua organisme hidup dari mulai bakteri terkecil sampai ikan paus raksasa. Molekul ini tidak hanya menentukan sifat fisik, seperti warna rambut dan warna mata, tapi juga kemungkinan penyakit yang dimiliki. DNA adalah material pembawa sifat yang dapat ditemukan pada sel. Ia menyediakan instruksi untuk membuat, menjaga, dan mengatur kerja sel dan organisme.
Bentuk DNA
Pada tahun 1953, berdasar hasil penelitian dari Rosalind Franklin, James Watson and Francis Crick, DNA diketahui berbentuk double helix. Terdiri dari dua pita yang berpilin menjadi satu.
Gambar 1. Contoh Double helix
Gambar di tengah menunjukkan model double helix, yang merupakan struktur DNA. Ingat bahwa double helix terdiri dari dua rantai, satu berwarna biru, dan satunya kuning. Contoh helix misalnya pada rajutan tali, seperti pada gambar sebelah kanan.
Penyusun Utama DNA
Sesuai dengan namanya, DNA, Deoxyribose Nucleic Acid. Penyusun utama DNA adalah gula ribose yang kehilangan satu atom oksigen (deoksiribose).
Gambar 2. Perbedaan Ribose dan Deoksiribose
Perhatikan gambar di atas, pada deoksiribose, satu atom oksigen pada salah satu atom C ribose hilang.
Tiap pita/rantai double helix terbuat dari unit-unit berulang yang disebut nukleotida. Satu nukleotida terdiri dari tiga gugus fungsi; satu gula ribose, triphosphate, dan satu basa nitrogen.
Gambar 3. Nukleotida
Satu hal yang perlu diingat adalah posisi triphosphate dan basa nitrogen yang terikat pada ribosa. Gugus triphosphat terikat pada atom C no 5′ dari ribosa (Lihat gambar di atas). Gugus triphosphate ini hanya dimiliki oleh nukleotida bebas. Sedangkan nukleotida yang terikat pada rantai DNA kehilangan dua dari gugus phosphate ini, sehingga hanya satu phosphate yang masih tertinggal.
Ketika nukleotida bergabung menjadi DNA, nukleotida-nukleotida tersebut dihubungkan oleh ikatan phosphodiester. Ikatan kovalen yang terjadi antara gugus phosphate pada satu nukleotida, dengan gugus OH pada nukleotida lainnya. Sehingga setiap rantai DNA akan mempunyai ‘backbone’ phosphate-ribosa-phosphate-ribosa-phosphate. Dan seterusnya..
Gambar 4. Struktur DNA Sederhana
Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa ‘backbone’ DNA akan mempunyai ujung 5′ (dengan phosphate bebas yang terikat), dan ujung 3′ (dengan gugus OH bebas). Pada gambar tersebut, tiap-tiap nukleotida dibuat berbeda warna agar lebih jelas.
Basa Nitrogen Pada DNA
Pada struktur DNA, gula ribosa dan gugus phosphate yang terikat adalah sama. Yang berbeda hanyalah pada basa nitrogen. Jadi sebetulnya perbedaan disebabkan oleh variasi susunan dari basa-basa nitrogen yang terdapat pada rantai DNA. Ada empat macam basa nitrogen. Adenin, Cytosine, Guainne, dan Thymine.
Gambar 5. Basa Nitrogen
Ketika basa-basa nitrogen tersebut terikat dalam nukleotida, maka penamaan-pun berubah. Ingat kembali penjelasan di awal tentang nukelotida. Nukleotida terdiri dari gugus triphosphate dan satu basa nitrogen yang terikat pada satu molekul ribose. Nah.. basa-basa nitrogen ini apabila terikat pada ribose membentuk nukleotida maka penamaannya-pun berubah.
Adenin menjadi 2′deoxyadenosine triphosphate, cytosin menjadi 2′deoxycytidine triphosphate, guainne menjadi 2′deoxyguanosine triphosphate, dan Thymine menjadi 2′deoxythymidine triphosphate. Disingkat menjadi A, C, G, dan T.
Perhatikan bahwa ada dua pasang basa yang mirip. A dan G sama-sama mempunyai dua cincin karbon-nitrogen, disebut golongan purine. Sedangkan C dan T hanya mempunyai satu cincin karbon-nitrogen, masuk golongan pirimidin.
Penyebab Bentuk DNA Double Helix
Gambar 6. Ikatan Hidrogen Antara Basa-Basa Nitrogen
Interaksi ikatan hidrogen antara masing-masing basa nitrogen menyebabkan bentuk dari dua rantai DNA menjadi sedemikian rupa, bentuk ini disebut double helix. Interaksi spesifik ini terjadi antara basa A dengan T, dan C dengan G. Sehingga jika double helix dibayang kan sebagai sebuah tangga spiral, maka ikatan basa-basa ini sebagai anak tangga-nya. Lebar dari ‘anak tangga’ adalah sama, karena pasangan basa selalu terdiri dari satu primidin dan satu purin.
Gambar 7. Struktur DNA Double Helix lengkap
DNA dapat mengalami kerusakan, biasa disebut mutasi. Zat yang menyebabkan kerusakan pada DNA disebut mutagen, yang akan merubah susunan dan keteraturan dari DNA. Mutagen bisa berupa oksidator kuat, alkylating agen, dan juga radiasi elektromagnetik seperti sinar UV, dan sinar X. Tipe kerusakan tergantung dari jenis mutagen. Makhluk hidup yang mengalami mutasi bisa mengalami kematian dan bisa juga bertahan hidup, yang biasa dikenal dengan istilah mutan.
Disarikan dari berbagai sumber.
Istilah pencarian terpopuler untuk artikel ini:
Gel Electrophoresis; image from http://clearlyexplained.com/culture/health/electrophoresisgel.jpg
Saat ini, teknik pemisahan dan pemurnian DNA/RNA merupakan teknik yang tidak dapat dipisahkan dari biologi molekular. Hampir semua penelitian DNA/RNA mesti melibatkan pemisahan dan pemurnian yang tekniknya cukup beragam. Elektroforesis adalah salah satu teknik pemisahan paling populer, maka tak heran jika elektroforesis disebut sebagai pintu gerbang dari berbagai penelitian biologi molekular. Nah, sekarang ada baiknya kita telusuri dulu teknik-teknik tersebut dari masa ke masa.
Oh ya, pada prinsipnya elektroforesis itu adalah teknik pemisahan campuran molekul yang didasarkan pada perbedaan muatan listriknya sehingga pergerakan molekul-molekul tersebut pada suatu fasa diam (stationary phase) dalam sebuah medan listrik akan berbeda-beda.
Elektroforesis dengan Kertas Saring
Smithies menerima hadiah Nobel
Smithies menerima hadiah Nobel
Kisah teknik pemisahan DNA/RNA ini berawal dari sekelompok ilmuwan biokimia di awal tahun 1950-an yang sedang meneliti mekanisme molekular DNA/RNA hidrolisis. Saat itu, tepatnya tahun 1952, Markham dan Smith mempublikasikan bahwa hidrolisis RNA terjadi melalui mekanisme pembentukan zat antara (intermediate) posfat siklik, yang kemudian menghasilkan nukleosida 2′-monoposfat dan 3′-monoposfat. Bagaimana keduanya bisa mengungkap rahasia ini?
Paper Electrophoresis. Image from www.funsci.com
Paper Electrophoresis. Image from www.funsci.com
Ternyata mereka menggunakan suatu peralatan yang dapat memisahkan komponen campuran reaksi hidrolisis tadi, salah satunya yaitu nukleotida ‘siklik’ yang membawa pada kesimpulan bahwa hidrolisis RNA terjadi melalui pembentukan intermediate posfat siklik. Peralatan itu mereka namakan ‘elektroforesis‘, yang dibuat dari kertas saring Whatman nomor 3, sebuah tangki kecil dan berbagai larutan penyangga (buffer). Nukleotida yang sudah terhidrolisis ditaruh di atas kertas saring, kemudian arus listrik dialirkan melalui kedua ujung alat elektroforesis.
Arus listrik yang dialirkan ini ternyata dapat memisahkan campuran kompleks reaksi tadi menjadi komponen-komponennya, ini akibat adanya perbedaan minor antara struktur molekul RNA yang belum terhidrolisis, zat antara (intermediate) dan hasil reaksi (nukleosida 2′-monoposfat dan nukleosida 3′-monoposfat) yang menyebabkan mobilitas alias pergerakan mereka pada kertas saring berbeda-beda kecepatannya. Karena pada akhir proses elektroforesis komponen tersebut terpisah-pisah, mereka dapat mengisolasi dan mengidentifikasi setiap komponen tersebut.
Elektroforesis Gel Kanji
Starch Gel Electrophoresis. Image from http://www.terrapub.co.jp
Starch Gel Electrophoresis. Image from http://www.terrapub.co.jp
Selanjutnya teknik elektroforesis dikembangkan untuk memisahkan biomolekul yang lebih besar. Tahun 1955 Smithies mendemonstrasikan bahwa gel yang terbuat dari larutan kanji dapat digunakan untuk memisahkan protein-protein serum manusia. Caranya yaitu dengan menuangkan larutan kanji panas ke dalam cetakan plastik, setelah dibiarkan mendingin kanji tersebut akan membentuk gel yang padat namun rapuh. Gel kanji berperan sebagai fasa diam (stationary phase) menggantikan kertas saring Whatman pada teknik terdahulu.
Ternyata elektroforesis gel yang diperkenalkan Smithies memicu para ilmuwan untuk menemukan bahan kimia lain yang dapat digunakan sebagai bahan gel yang lebih baik, seperti agarosa dan polimer akrilamida. Dan penemuan elektroforesis gel kanji di awal karir Smithies membawanya menerima hadiah nobel bidang kedokteran tahun 2007.
Polyacrilamide Gel Electrophoresis (PAGE)
Polyacrylamide Gel Electrophoresis (PAGE). Image from www.siumed.edu
Polyacrylamide Gel Electrophoresis (PAGE). Image from www.siumed.edu
Teknik elektroforesis gel makin berkembang dan disempurnakan, hingga 12 tahun kemudian ditemukan gel poliakrilamida (PAGE = Polyacrilamide Gel Electrophoresis) yang terbentuk melalui proses polimerisasi akrilamida dan bis-akrilamida. PAGE ini sanggup memisahkan campuran DNA/RNA atau protein dengan ukuran lebih besar.
Meskipun aplikasi elektroforesis makin berkembang luas, namun ternyata teknik ini masih menyerah jika digunakan untuk memisahkan DNA dengan ukuran yang super besar, misalnya DNA kromosom. Campuran DNA kromosom tidak dapat dipisahkan meskipun ukuran mereka berbeda-beda.
Pulse-Field Gel Electrophoresis (PFGE)
Skema Pulsed Field Gel Electrophoresis (PFGE)
Skema Pulsed Field Gel Electrophoresis (PFGE)
Pertengahan 1980-an, Schwartz dan Cantor membeberkan ide cerdasnya untuk memisahkan campuran DNA berukuran super besar menggunakan teknik yang dinamakan Pulse-field Gradient Gel Electrophoresis (PFGE), yang menggunakan pulsa-pulsa pendek medan listrik tegak lurus yang arahnya berganti-ganti. Teknik PFGE kini digunakan secara luas oleh para ahli biologi dalam studi genotyping berskala masif, juga analisa epidemiologi molekular pada patogen.
Keempat teknik di atas merupakan pintu masuk bagi penelitian-penelitian lainnya dalam bidang biologi molekular yang kini berkembang sangat pesat. Sulit dibayangkan sebuah laboratorium biologi molekular dapat menghasilkan sesuatu tanpa teknik elektroforesis. Tanpa elektroforesis, DNA/RNA yang sedang kita teliti akan bercampur dengan kontaminan yang tidak kita inginkan, sulit pula membayangkan cara mengetahui ukuran DNA/RNA/protein yang lebih praktis selain dengan elektroforesis, bahkan teknik DNA sequencing modern sekalipun sangat bergantung pada teknik elektroforesis ini. Terima kasih kepada Markham dan Smith yang telah mencoba meneteskan RNA hidrolisat pada selembar kertas saring dan memisahkannya dengan arus listrik.
Sumber:
- Finkelstein, 2007, Nature Milestones; DNA Technologies, Nature Publishing Group.
- http://dukeresearch.blogspot.com/2009/04/flipping-through-chronicles-of-nobel.html
Istilah pencarian terpopuler untuk artikel ini:
