TAKE HOME REKAYASA GENETIKA 

soal nomor 1 sebutkan dan jelaskan tahap-tahap kloning gen pada bakteri e. coli misalnya kloning gen insullin dari hewan mamalia sapi

1.1 Prinsip Dasar Rekayasa Genetika

Rekayasa genetika adalah proses mengidentifikasi dan mengisolasi DNA dari suatu sel hidup atau mati dan memasukkannya dalam sel hidup lainnya. Rekayasa genetika merupakan suatu cara memanipulasikan gen untuk menghasilkan makhluk hidup baru dengan sifat yang diinginkan. Rekayasa genetika disebut juga pencangkokan gen atau rekombinasi DNA. Dalam rekayasa genetika digunakan DNA untuk menggabungkan sifat makhluk hidup. Hal itu karena DNA dari setiap makhluk hidup mempunyai struktur yang sama, sehingga dapat direkombinasikan. Selanjutnya DNA tersebut akan mengatur sifat-sifat makhluk hidup secara turun-temurun. Rekayasa Genetika pada mikroba bertujuan untuk meningkatkan efektivitas kerja mikroba tersebut (misalnya mikroba untuk fermentasi, pengikat nitrogen udara, meningkatkan kesuburan tanah, mempercepat proses kompos dan pembuatan makanan ternak, mikroba prebiotik untuk makanan olahan), dan untuk menghasilkan bahan obat-obatan dan kosmetika, serta Pembuatan insulin manusia dari bakteri ( Sel pancreas yang mempu mensekresi Insulin digunting , potongan DNA itu disisipkan ke dalam Plasmid bakteri ) DNA rekombinan yang terbentuk menyatu dengan Plasmid diinjeksikan lagi ke vektor, jika hidup segera di kembangbiaakan.

Prinsip dasar teknologi rekayasa genetika adalah memanipulasi atau melakukan perubahan susunan asam nukleat dari DNA (gen) atau menyelipkan gen baru ke dalam struktur DNA organisme penerima. Gen yang diselipkan dan organisme penerima dapat berasal dari organisme apa saja. Pada proses rekayasa genetika organisme yang sering digunakan adalah bakteriEscherichia coli. Bakteri Escherichia coli dipilih karena paling mudah dipelajari pada taraf molekuler.

Proses Rekayasa Genetika

Pada proses penyisipan gen diperlukan tiga faktor utama yaitu

1.       Vektor, yaitu pembawa gen asing yang akan disisipkan, biasanya berupa plasmid, yaitu lingkaran kecil AND yang terdapat pada bakteri. Plasmid diambil dari bakteri dan disisipi dengan gen asing.

2.       Bakteri, berperan dalam memperbanyak plasmid. Plasmid di dalam tubuh bakteri akan mengalami replikasi atau memperbanyak diri, makin banyak plasmid yang direplikasi makin banyak pula gen asing yang dicopy sehingga terjadi cloning gen.

3.       Enzim, berperan untuk memotong dan menyambung plasmid. Enzim ini disebut enzim endonuklease retriksi, enzim endonuklease retriksi yaitu enzim endonuklease yang dapat memotong ADN pada posisi dengan urutan basa nitrogen tertentu.

1.2 Pembuatan Insulin dan Peranan Mikroorganisme

Insulin pertama kali di ekstraksi dari jaringan pankreas anjing pada tahun 1921 oleh para ahli fisiologi asal kanada Sir Federick Glant Banting dan Charles Hebert Best serta ahli fisiologi asal Inggris John James Richard Macleod. Seorang ahli boikimia James Betram Collip kemudian memproduksi dengan tingkat kemurnian yang cukup baik untuk digunakan sebagai obat pada manusia. Pada tahun 1965 insulin manusia telah berhasil disintesis secara kimia. Insulin merupakan protein manusia pertama yang disintesis secara kimia. Secara tradisional, insulin untuk pengobatan pada manusia diisolasi dari pankreas sapi atau babi. Walaupun insulin hewan secara umum cukup memuaskan tetapi untuk penggunaan pada manusia dapat menimbulkan dua masalah. Pertama, adanya perbedaan kecil dalam asam amino penyusunnya yang dapat menimbulkan efek samping berupa alergi pada beberapa penderita. Kedua, prosedur pemurnian sulit dan cemaran berbahaya asal hewan tidak selalu dapat dihilangkan secara sempurna. Pada tahun 1981 telah terjadi perbaikan secara berarti cara produksi insulin melalui rekayasa genetika. Insulin yang diperoleh dengan cara ini mempunyai struktur mirip dengan insulin manusia. Melalui teknologi DNA rekombinan, insulin diproduksi menggunakan sel mikroba yang tidak patogen. Karena kedua hal tersebut di atas, insulin hasil rekayasa genetika ini mempunyai efek samping yang relatif sangat rendah dibandingkan dengan insulin yang diperoleh dari ekstrak pankreas hewan, tidak menimbulkan efek alergi serta tidak mengandung kontaminan berbahaya. Pembuatan insulin dari bahan berupa makhluk hidup menunjukkan tanda – tanda kekuasaan Allah SWT sesuai firman Allah SWT dalam surat An Nahl ayat 5 yang artinya

“Dan Dia telah menciptakan binatang ternak untuk kamu, padanya ada (bulu) yang menghangatkan dan berbagai – bagai manfaat dan sebahagiannya kamu makan”

Insulin adalah suatu hormon polipetida yang diproduksi dalam sel-sel β kelenjar Langerhaens pankreas. Insulin berperan penting dalam regulasi kadar gula darah (kadar gula darah dijaga 3,5-8,0 mmol/liter). Hormon insulin yang diproduksi oleh tubuh kita dikenal juga sebagai sebutan insulin endogen. Namun, ketika kalenjar pankreas mengalami gangguan sekresi guna memproduksi hormon insulin, disaat inilah tubuh membutuhkan hormon insulin dari luar tubuh, dapat berupa obat buatan manusia atau dikenal juga sebagai sebutan insulin eksogen. Kekurangan insulin dapat menyebabkan penyakit seperti diabetes mellitus tergantung insulin (diabetes tipe 1). Insulin terdiri dari 51 asam amino. Molekul insulin disusun oleh 2 rantai polipeptida A dan B yang dihubungkan dengan ikatan disulfida. Rantai A terdiri dari 21 asam amino dan rantai B terdiri dari 30 asam amino.

Produk hormon insulin manusia dapat dihasilkan dari teknik rekayasa genetika dengan teknologi Plasmid. Insulin adalah hormon yang berfungsi menurunkan kadar gula dalam darah. Hormon ini sangat diperlukan oleh penderita diabetes mellitus karena kelenjar pankreas penderita tidak mampu menghsilkan hormone tersebut. Hormon insulin berfungsi untuk mengubah glukosa dalam darah menjadi glikogen.

Produksi insulin dapat dilakukan dengan cara mentransplantasikan gen-gen pengendali hormon tersebut ke plasmid bakteri. Keberhasilan memindahkan gen insulin manusia ke dalam bakteri sudah dapat diperoleh, yaitu melalui bakteri-bakteri yang tumbuh dengan metode fermentasi. Teknik Plasmid bertujuan untuk membuat hormone dan antibodi. Misal untuk membuat hormon insulin dengan teknik plasmid. Gen /DNA digunting dengan Enzim Endonuklease Restriksi Gen /DNA disambung dengan Enzim Ligase.

Proses Pembuatan Insulin

Gambar di atas adalah rekayasa genetika pada bakteria guna menghasilkan hormon insulin yang penting untung pengendalian gula darah pada penderita diabetes. Tahap-tahapnya adalah sebagai berikut:

1.       Tahap pertama dalam membuat bakteria yang bisa menghasilkan insulin adalah dengan mengisolasi plasmid pada bakteri tersebut yang akan direkayasa. Plasmid adalah materi genetik berupa DNA yang terdapat pada bakteria namun tidak tergantung pada kromosom karena tidak berada di dalam kromosom.

2.       Kemudian plasmid tersebut dipotong dengan menggunakan enzim di tempat tertentu sebagai calon tempat gen baru yang nantinya dapat membuat insulin.

3.       Gen yang dapat mengatur sekresi (pembuatan) insulin diambil dari kromosom yang berasal dari sel manusia.

4.       Gen yang telah dipotong dari kromosom sel manusia itu kemudian ‘direkatkan’ di plasmid tadi tepatnya di tempat bolong yang tersedia setelah dipotong tadi.

5.       Plasmid yang sudah disisipi gen manusia itu kemudian dimasukkan kembali ke dalam bakteria.

6.       Bakteria yang telah mengandung gen manusia itu selanjutnya berkembang biak dan menghasilkan insulin yang dibutuhkan. Dengan begitu diharapkan insulin dapat diproduksi dalam jumlah yang tidak terbatas di pabrik-pabrik.

Insulin bervariasi dari satu organisme ke organisme lainnya, namun hal ini tidak membedakan aktivitasnya. Pada mulanya sumber insulin untuk penggunaan klinis pada manusia diperoleh dari pancreas sapi atau babi. Insulin yang diperoleh dari sumber – sumber tersebut efektif bagi manusia karena indentik dengan insulin manusia. Insulin pada manusia, babi, dan sapi mempunyai perbedaan dalam susunan asam aminonya, tapi aktivitasnya tetap sama.

1.3 Pemberian Insulin Pada Penderita Diabetes Mellitus

Insulin adalah suatu hormon yang secara alami dihasilkan oleh pulau pulau langerhans pankreas. Insulin memungkinkan sel – sel tubuh mengabsorbsi glukosa dari darah untuk digunakan sebagai sumber energy, diubah menjadi molekul lain yang diperlukan, atau untuk disimpan. Insulin juga merupakan sinyal control untama konversi glukosa menjadi glikogen untuk penyimpanan internal di hati dan sel otot.  Bila jumlah insulin yang tersedia tidak mencukupi, sel tidak merespon adanya insulin (tidak sensitif atau resisten), atau bila insulin itu sendiri tidak diproduksi oleh sel – sel beta akibat rusaknya sel –sel beta pada pancreas, maka glukosa tidak dapat dimanfaatkan oleh sel tubuh ataupun disimpan dalam bentuk cadangan makanan dalam hati maupun sel otot. Akibat yang terjadi adalah peningkatan kadar glukosa dalam darah, penurunan sintesis protein, dan gangguan proses – proses metabolisme dalam tubuh. Hormon ini bekerja mengatur kadar glukosa dalam darah dengan cara mempermudah masuknya glukosa ke dalam semua jaringan tubuh. Jika jumlah insulin yang diproduksi tidak memadai, kadar glukosa dalam darah akan meningkat dan sebagai akibatnya glukosa akan di ekskresi dalam urine. Defisiensi insulin dalam manusia menyebabkan penyakit genetik diabetes mellitus jenis I atau disebut IDDM (Insulin Dependent Diabetes Mellitus). Bila tidak diobati penyakit ini akan membahayakan kehamilan, bahkan dapat menyebabkan kematian. Adanya insulin yang dapat membantu mengatur kadar glukosa darah merupakan salah satu tanda kekuasaanNya. Hal ini tercantum dalam firman Allah surat Al furqan ayat 2 yang artinya

“ yang kepunyaanNya lah kerajaan langit dan bumi, dan dia tidak mempunyai anak, dan tidak ada sekutu bagi Nya dalam kekuasaan (Nya), dan dia telah menviptakan segala sesuatu, dan dia menetapkan ukuran – ukurannya dengan serapi – rapinya.”

Pemberian injeksi insulin secara teratur dalam meningkatkan kadar insulin dalam darah penderita dapat meminimumkan komplikasi. Pengobatan ini hanya mungkin dilaksanakan bila insulin tersedia dalam jumlah besar dengan kemurnian dan mutu yang baik. Pemberian insulin kepada penderita diabetes hanya bisa dilakukan dengan cara suntikan, jika diberikan melalui oral insulin akan rusak didalam lambung. Setelah disuntikan, insulin akan diserap kedalam aliran darah dan dibawa ke seluruh tubuh. Disini insulin akan bekerja menormalkan kadar gula darah (blood glucose) dan merubah glucose menjadi energi. Perlu diperhatikan daerah mana saja yang dapat dijadikan tempat menyuntikkan insulin. Bila kadar glukosa darah tinggi, sebaiknya disuntikkan di daerah perut dimana penyerapan akan lebih cepat. Namun bila kondisi kadar glukosa pada darah rendah, hindarilah penyuntikkan pada  daerah perut. Secara urutan, area proses penyerapan paling cepat adalah dari perut, lengan atas dan paha. Insulin akan lebih cepat diserap apabila daerah suntikkan digerak-gerakkan. Penyuntikkan insulin pada satu daerah yang sama dapat mengurangi variasi penyerapan. Penyuntikkan insulin selalu di daerah yang sama dapat merangsang terjadinya perlemakan dan menyebabkan gangguan penyerapan insulin. Daerah suntikkan sebaiknya berjarak 1inchi (+ 2,5cm)  dari daerah sebelumnya. Lakukanlah rotasi di dalam satu daerah selama satu minggu, lalu baru pindah ke daerah yang lain. Kerja insulin dalam tubuh dipengaruhi oleh beberapa faktor di antaranya :

1. Dosis

Semakin tinggi dosisnya maka semakin cepat aksinya.

2. Tempat injeksi

Pada umumnya insulin diberikan dengan injeksi menembus kulit. Pada pemberian intravena aksinya cepat, pad transdermal atau secara subkutan maka pada otot terjadi degradasi insulin 20-25%. Makanya harus diperhitungkan untuk mendapatkan dosis yang tepat. Kebanyakan insulin diinjeksikan pada perut (intrperional). Jarum untuk injeksi insulin kecil sekali dan pendek (0,5-1 cm). Dapat juga menggunakan implant pad dada yang dapat mensuplai insulin sedikit demi sedkit.

3. Kehadiran antibodi insulin

Hal ini terutama pada penggunaan hewan sebagai insulin. Jika digunakan insulin dari luar dikhawatirkan terjadi reaksi antigen antibodi maupun perusakan lain, kecuali pada penderita autoimun.

4. Aktivitas fisik

Semakin banyak aktivitas fisik yang kita lakukan maka kita perlu energi  (dari glukosa) yang semakin besar sehingga tidak perlu aksi insulin yang ekstra untuk mengubah glukosa menjadi glikogen (insulin yang diperlukan semakin sedikit).

Insulin dapat dibedakan atas dasar:

1.       Waktu kerja insulin (onset), yaitu waktu mulai timbulnya efek insulin sejak disuntikan.

2.       Puncak kerja insulin, yaitu waktu tercapainya puncak kerja insulin.

3.       Lama kerja insulin (durasi), yaitu waktu dari timbulnya efek insulin sampai hilangnya efek insulin.

Terdapat 4 buah insulin eksogen yang diproduksi dan dikategorikan berdasarkan puncak dan jangka waktu efeknya. Berikut keterangan jenis insulin eksogen :

1. Insulin Eksogen kerja cepat.

Bentuknya berupa larutan jernih, mempunyai onset cepat dan durasi pendek. Yang termasuk di sini adalah insulin regular (Crystal Zinc Insulin / CZI ). Saat ini dikenal 2 macam insulin CZI, yaitu dalam bentuk asam dan netral. Preparat yang ada antara lain : Actrapid, Velosulin, Semilente. Insulin jenis ini diberikan 30 menit sebelum makan, mencapai puncak setelah 1– 3 macam dan efeknya dapat bertahan samapai 8 jam.

2. Insulin Eksogen  kerja sedang.

Bentuknya terlihat keruh karena berbentuk hablur-hablur kecil, dibuat dengan menambahkan bahan yang dapat memperlama kerja obat dengan cara memperlambat penyerapan insulin kedalam darah. Yang dipakai saat ini adalah Netral Protamine Hegedorn ( NPH ),MonotardÒ, InsulatardÒ. Jenis ini awal kerjanya adalah 1.5 – 2.5 jam. Puncaknya tercapai dalam 4 – 15 jam dan efeknya dapat bertahan sampai dengan 24 jam.

3. Insulin Eksogen campur antara kerja cepat & kerja sedang (Insulin premix)

Yaitu insulin yang mengandung insulin kerja cepat dan insulin kerja sedang. Insulin ini mempunyai onset cepat dan durasi sedang (24 jam). Preparatnya: Mixtard 30 / 40

1.       Insulin Eksogen kerja panjang (lebih dari 24 jam).

Merupakan campuran dari insulin dan protamine, diabsorsi dengan lambat dari tempat penyuntikan sehingga efek yang dirasakan cukup lam, yaitu sekitar 24 – 36 jam. Preparat: Protamine Zinc Insulin ( PZI ), Ultratard.

Karakteristik farmakokinetik: pendek, intermediet dan long-acting sediaan insulin

Kategori	Onset (jam setelah pemberian)	Aktivitas puncak (jam setelah pemberian)	Durasi (jam)
Aksi pendek	0,5-1	2-5	6-8
Aksi menengah	2	4-12	Sampai 24
Aksi lama	4	10-20	Sampai 36

Pemberian insulin:

– short acting              : diberi 0,5-1 jam sebelum maakan

– intermediet acting   : diberi 2 jam sebelum makan

– long acting               : diberi 4 jam sebelum makan

Pemberian preparat insulin perlu diatur seperti di atas supaya saat kadar glukosa dalam tubuh tinggi (mencapai puncak) maka kadar insulin juga sudah tinggi, jadi harus seimbang. jika kadar insulin tinggi kadar glukosa darah rendah maka akan terjadi shock. Jika kadar insulin rendah tetapi kada glukosa darah tinggi maka terjadi kelebihan gula (diabetes).

Kemajuan di bidang bioteknologi yang lain diantaranya adalah sintesis insulin dengan bantuan bakteri yang biasa terdapat di usus besar, namanya Escherichia coli. Teknologi dasar proses ini disebut dengan teknologi plasmid.

Insulin adalah hormon yang mengubah glukosa menjadi glikogen, dan berfungsi mengatur kadar gula darah bersama hormon glukagon. Kekurangan insulin karena cacat genetik pada pankreas, menyebabkan seseorang menderita diabetes melitus (kencing manis) yang berdampak sangat luas terhadap kesehatan, mulai kebutaan hingga impotensi.

Sebelum ditemukan teknik sintesis insulin, hormon ini hanya bisa diperoleh dari ekstraksi pankreas babi atau sapi, dan sangat sedikit insulin bisa diperoleh. Setelah ditemukan teknik sintesis insulin di bidang bioteknologi inilah, harga insulin bisa ditekan dengan sangat drastis sehingga bisa membantu para penderita diabetes melitus.

1.    Pada proses pembuatan insulin ini, langkah pertama adalah mengisolasi plasmid dari E. coli. Plasmid adalah salah satu bahan genetik bakteri yang berupa untaian DNA berbentuk lingkaran kecil. Selain plasmid, bakteri juga memiliki kromosom. Keunikan plasmid ini adalah: ia bisa keluar-masuk ‘tubuh’ bakteri, dan bahkan sering dipertukarkan antar bakteri.

2.    Pada langkah kedua ini plasmid yang telah diisolir dipotong pada segmen tertentu menggunakan enzim restriksi endonuklease. Sementara itu DNA yang di isolasi dari sel pankreas dipotong pada suatu segmen untuk mengambil segmen pengkode insulin. Pemotongan dilakukan dengan enzim yang sama.

3.    DNA kode insulin tersebut disambungkan pada plasmid menggunakan bantuan enzim DNA ligase. Hasilnya adalah kombinasi DNA kode insulin dengan plasmid bakteri yang disebut DNA rekombinan.

4.    DNA rekombinan yang terbentuk disisipkan kembali ke sel bakteri.

5.    Bila bakteri E. coli berbiak, maka akan dihasilkan koloni bakteri yang memiliki DNA rekombinan.

Membuat strain murni DNA rekombinan

Setelah tumbuh membentuk koloni, bakteri yang mengandung DNA rekombinan diidentifikasi menggunakan probe. Probe adalah rantai RNA atau rantai tunggal DNA yang diberi label bahan radioaktif atau bahan fluorescent dan dapat berpasangan dengan basa nitrogen tertentu dari DNA rekombinan. Pada langkah pembuatan insulin ini probe yang digunakan adalah ARNd dari gen pengkode insulin pankreas manusia.

Untuk memilih koloni bakteri mana yang mengandung DNA rekombinan, caranya adalah menempatkan bakteri pada kertas filter lalu disinari dengan ultraviolet. Bakteri yang memiliki DNA rekombinan dan telah diberi probe akan tampak bersinar. Nah, bakteri yang bersinar inilah yang kemudian diisolasi untuk membuat strain murni DNA rekombinan. Dalam metabolismenya, bakteri ini akan memproduksi hormon insulin.