modul bioteknologi tanaman
TRANSCRIPT
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
1/79
LEMBAGA KAJIAN DAN PENGEMBANGAN PENDIDIKAN
(LKPP)
LAPORAN MODUL PEMBELAJARAN BERBASIS SCL
Judul :
Aplikasi Konsep Teknologi DNA Rekombinan
pada Transfer Genetik Tanaman
Oleh :
Ir. Rinaldi Sjahril, MAgr., PhD.
Dibiayai oleh Dana DIPA Universitas Hasanuddinsesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Pekerjaan
Nomor: 469/H4.23/PM.05/2008 Tanggal 04 Januari 2008
JURUSAN BUDIDAYA TANAMAN
FAKULTAS PERTANIAN
UNIVERSITAS HASANUDDIN
FEBRUARI 2008
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
2/79
ii
LEMBAGA KAJIAN DAN PENGEMBANGAN PENDIDIKAN
Lantai Dasar Gedung Perpustakaan Universitas Hasanuddin
HALAMAN PENGESAHAN
LAPORAN MODUL PEMBELAJARANPROGRAM TRANSFORMASI DARI TEACHING KELEARNING
UNIVERSITAS HASANUDDIN 2008
Judul : Aplikasi Konsep Teknologi DNA Rekombinanpada Transfer genetik Tanaman
Nama Lengkap : Ir. Rinaldi Sjahril, MAgr., PhDNIP : 132 126 029Pangkat/Golongan : Asisten Ahli / IIIbTelp. / HP Pengusul : (0411) 589900/ 08194140992Jadwal Waktu Kegiatan : 1 (satu) bulan
Mulai 04 Januari 2008 s/d 04 Februari 2008
Biaya yang diusulkan : Rp. 4.000.000,- ( Empat juta rupiah)Dibiayai oleh Dana DIPA Universitas Hasanuddinsesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan PekerjaanNomor: 469/H4.23/PM.05/2008 Tanggal 04
Januari 2008
Makassar, 04 Februari 2008Mengetahui :Fakultas PertanianUniversitas HasanuddinDekan, Pembuat Modul
(Prof. Dr. Ir. Mursalim) (Ir. Rinaldi Sjahril, MAgr., PhD)NIP. 131 657 135 NIP. 132 126 029
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
3/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
4/79
iv
RINGKASAN
Bioteknologi secara sempit didefinisikan sebagai penerapan prinsip-prinsip
dasar biologi, biokimia, serta rekayasa untuk mengubah dan mendapatkan nilai
tambah dari suatu organisme atau bagian dari organisme melalui pemanfaatan
agensia biologis. Bioteknologi modern ditandai dengan penggunaan teknik biologi
molekuler sehingga rekayasa yang dilakukan dapat jauh lebih terarah sehingga hasil
yang diperoleh dapat lebih atau sepenuhnya dikendalikan.
Sel merupakan bahan dasar penyusun utama makhluk hidup. Sel juga
mengandung materi informasi genetik serta dapat menggandakan diri. Yang
membedakan antara sel prokariotik dengan sel eukariotik adalah pada sel prokaritotik
tidak memiliki membran nukleus dan sistem endomembran (organel-organel
bermembran). Sel tersusun atas dinding sel, membran plasma, sitoplasma, serta
organel-organel sel yang memiliki fungsi masing-masing.
Dalam bioteknologi, rekayasa dapat dilakukan hingga pada aras DNA yang
merupakan bahan informasi genetik. Struktur primer dari DNA terdiri atas, Gula
berkarbon lima (Pentosa), Basa organik heterosiklik (Purin dan Pirimidin), dan Gugus
fosfat bermuatan negatif yang terikat dalam ikatan fosfodiester. RNA dan DNA
mempunyai struktur primer yang mirip. Keduanya terdiri atas suatu rantai lurus dari
nukleotida purin dan pirimidin yang terikat satu sama lain dengan ikatan fosfodiester
dari posisi 3 ke posisi 5. Pada keduanya ditemukan adenin, guanin dan sitosin.
Dalam RNA, urasil menggantikan timin. Gula yang terdapat pada RNA adalah
Ribosa. Molekul RNA berupa single-stranded.
Ekspresi genetik merupakan proses penerjemahan informasi genetik (dalam
bentuk urutan basa) menjadi protein, dan lebih jauh lagi: karakter. Ada tiga proses
dasar yang tercakup dalam dogma inti yaitu replikasi DNA, Transkripsi DNAmenjadi RNA, dan Translasi RNA menjadi protein atau polipeptida. Proses ekspresi
gen merupakan aspek fundamental dalam setiap organisme hidup.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
5/79
v
Teknologi DNA rekombinaan merupakan kumpulan teknik atau metode yang
digunakan untuk menggabungkan molekul-molekul DNA secara in vitro. Tahapan
dasar dalam melakukan rekombinasi DNA secara in vitro adalah Isolasi molekul
DNA, pemotongan DNA menggunakan enzim endonuklease restriksi, penyambungan
molekul-molekul DNA menggunakan enzim DNA ligase ke dalam suatu molekul
DNA vektor, transformasi sel inang dengan DNA rekombinaan dalam sel inang,
analisis dan konfirmasi keberadaan DNA rekombinaan dalam sel inang, dan
karakterisasi fungsional gen yang diklon.
Dalam rekombinasi DNA maka dibutuhkan berbagai enzim untuk memotong
dan menyambung DNA. Enzim endonuklease restriksi atau enzim restriksi
merupakan enzim yang diproduksi oleh mikroba yang dapat memotong DNA utas
ganda, sedangkan enzim ligase merupakan enzim yang digunakan untuk
menyambung potongan-potongan fragmen DNA. Transfer DNA ke dalam bakteri
dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu, konjugasi, tarnsformasi, dan transduksi.
DNA yang masuk ke dalam sel bakteri kemudian dapat berintegrasi dengan DNA
atau kromosom bakteri sehingga terbentuk kromosom rekombinaan. Amplifikasi
(perbanyakan) sekuens DNA dapat dilakukan dengan metode PCR (Polymerase chain
reaction). Amplifikasi DNA ini dilakukan dengan menggunakan enzim DNA
polimerase, dNTP (dinukleotida triphosphat) oligonukleotida primer, dan DNA
template (DNA cetakan).
Transfer gen dapat dilakukan baik dengan teknik transformasi protoplas
maupun transformasi sel atau jaringan tanaman. Terdapat berbagai metode transfer
gen diantaranya yaitu: Penggunaan A. tumefaciens, biolistik gun, elektroporasi, dan
oenggunaan senyawa kimia. Analisis DNA rekombinaan di dalam sel yang
tertransformasi dapat dilakukan dengan:Analisis restriksi DNA, hibridisasi dengan
pelacak DNA, analisis ekspresi gen asing yang diklon, amplifikasi DNA denganPCR, dan penentuan urutan nukleotida.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
6/79
vi
PETA KEDUDUKAN MODUL
Pendahuluan, definisi, sejarah, klasifikasi danruang lingkup bioteknologi
Struktur dan komponen biomolekuler sel, strukturdan organisasi bahan genetik: kromosom, DNA,RNA, Plasmid, Genom
Perubahan konstitusi genetik, replikasi DNA danEkspresi Genetik
Metode transfer gen
Uji Kompetensi dan Remedial
Teknik kultur in vitro, mutasi, rekombinasi, transposisi,metabolit sekunder
- Hibridisasi somatik (Bila waktu tidak
mencukupi maka dibahas padamatakuliah pembiakan in vitro)
Aplikasi Konsep Teknologi DNARekombinan pada TransfergenetikTanaman
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
7/79
vii
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ................................................................................ i
HALAMAN PENGESAHAN .................................................................. ii
KATA PENGANTAR ............................................................................. iii
RINGKASAN .......................................................................................... iv
PETA KEDUDUKAN MODUL ............................................................. vi
DAFTAR ISI ............................................................................................ vii
MODUL I.................................................................................................. 1
MODUL II ................................................................................................ 6
MODUL III ............................................................................................... 23
MODUL IV............................................................................................... 48
MODUL V ................................................................................................ 63
LAMPIRAN : RANCANGAN PEMBELAJARAN BERBASIS SCL
Mata Kuliah : Bioteknologi Tanaman
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
8/79
viii
LAMPIRAN
RANCANGAN PEMBELAJARAN MATA KULIAH
RANCANGAN PEMBELAJARAN BERBASIS KBK
MATA KULIAH : BIOTEKNOLOGI TANAMAN (206 G113)
Kompetensi Utama : Mengerti dan memahami sains dasar genetika DNA danbioteknologi (Nomor 1) serta menjelaskan danmerekayasa teknik-teknik yang ada dalam bioteknologitanaman, ekstraksi dan isolasi DNA dan menguraikanlangkah-langkah teknik PCR, transformasi genetiktanaman serta Pro dan Kontra. (Nomor 4)
Kompensi Pendukung : Kemampuan dalam penguasaan bahasa Inggris (Nomor6); Kemampuan dalam penguasaan software dan internet(Nomor 7); Kemampuan bekerjasama, baik sebagaipimpinan maupun sebagai anggota dalam tim kerja(Nomor 8); serta Kemampuan mengevaluasipermasalahan lingkungan dari sudut pandangbioteknologi (Nomor 11).
Kompetensi lainnya : Kemampuan mengembangkan diri berdasarkanpengetahuan dan pengalaman yang diperoleh selama
menempuh studi
Minggu
ke:Materi Pembelajaran
Bentuk
Pembelajaran
(Metode SCL)
Kompetensi Akhir Se
Pembelajaran
1-2 Pendahuluan, sejarah singkatdan pengertian dasar
1.Penjelasan KontrakPembelajaran
2.Kuliah & Diskusi3.Kajian Pustaka
Mengetahui pengertian,perkembangan dan peranBioteknologi dalam pertaniaMenyusun poster tentang Prpembuatan pupuk atau pestialami serta mekanisme reak
3-5 Struktur dan komponenbiomolekuler sel, strukturdan organisasi bahan
Kuliah & TugasKajian Pustaka +Kerja Kelompok +
Menyusun poster yangmenjelaskan keanekaragamamolekul dalam sel melalui p
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
9/79
ix
genetik: kromosom, DNA,RNA, Plasmid, Genom
Presentasi(CollaborativeLearning)
pengenalan biomolekuler sestruktur, sifat kimia dan perDNA/RNA sebagai bahan gpada organisme Eukariotik d
Prokariotik
6 - 8 Perubahan konstitusi genetik,replikasi DNA dan EkspresiGenetik
Kuliah + Kerjakelompok & Tutorial
Menyusun portfolio tentangKonstitusi genetik tanaman
melalui pemahaman terhaddogma genetik, kode genetekspresi genetik
Dogma genetik dan kode gEkspresi genetik, Mutasi,
mutagenesis, RekombinasiTransposisi, Replikasi,
Transkripsi dan Translasi DSomaklonal vs GametokloInteraksi genetik tanaman
lingkungan
9-10 Teknik kultur in vitro,mutasi, rekombinasi,transposisi, metabolitsekunder, Hibridisasisomatik
Kuliah & Diskusi +Tugas KajianPustaka (CooperativeLearning)
Menemukan paling sedikit 1contoh aplikasi pada setiap pbahasan yang menjelaskan tteknik Bioteknologi Tanamarekayasa genetika untuktransformasi genetika tanam
prospek pengembangan tanamelalui bioteknologi
11 - 15 Konsep Teknologi DNARekombinan danAplikasinya pada Transfergenetik Tanaman
Kuliah & Diskusi +Kerja kelompok;Presentasi(CollaborativeLearning) danProject BasedLearning untukPraktikum.
Menyusun presentasi oral daposter yang memuat langkahlangkah proses:Identifikasi dan isolasi DN
hingga kloning gen. AmpliDNA dengan PCR, Pemotdan Penyambungan DNA dengan mekanisme kerja e
enzim nuklease dan endonrestriksi; Vektor dalam klogen pada tanaman; PemindDNA ke vektor (plasmid/bakteriophage/hibrid);Transformasi ke sel inang Analisis DNA rekombinan
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
10/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
11/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
12/79
xii
BAB II. PEMBAHASAN
A. Definisi
Bioteknologi secara sempit didefinisikan sebagai penerapan prinsip-prinsip
dasar biologi, biokimia, serta rekayasa untuk mengubah dan mendapatkan nilai
tambah dari suatu organisme atau bagian dari organisme melalui pemanfaatan
agensia biologis. Sedangkan dalam arti luas bioteknologi dapat didefinisikan sebagai
teknologi untuk mendayagunakan organisme hidup atau bagian dari organisme untuk
menghasilkan atau memodifikasi produk-produk tertentu, serta untuk perbaikan dan
pemuliaan mikroorganisme, tanaman, atau hewan.
B. Klasifikasi, dan ruang lingkup Bioteknologi.
Bioteknologi dapat diklasifikasikan menjadi bioteknologi konvensional dan
bioteknologi modern. Bioteknologi modern ditandai dengan penggunaan teknik
biologi molekuler sehingga rekayasa yang dilakukan dapat jauh lebih terarah
sehingga hasil yang diperoleh dapat lebih atau sepenuhnya dikendalikan. Dalam
biologi konvensional, agensia biologis yang digunakan masih apa adanya sehingga
hasil yang diperoleh belum sepenuhnya dapat dikemdalikan.
Bioteknologi sebagai ilmu multidisiplin dalam kajian dan penerapannya
memiliki ruang lingkup yang luas. Banyak bidang ilmu yang terkait, di antaranya
adalah :
1. Biologi (Mikrobiologi dan Biologi Sel Molekuler)
2. Biokimia (Kimia)
3. Genetika (Genetika Molekuler)
4. Rekayasa Genetik
5. Rekayasa Bioproses6. Teknologi Enzim
7. Teknologi Pangan dan Fermentasi
8. Teknik Komputerisasi ( Teknik Bioinformatika)
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
13/79
xiii
C. Sejarah Perkembangan Bioteknologi
Bioteknologi secara umum telah dikenal sejak ribuan tahun yang lalu.
Penggunaan mikrobia untuk fermentasi dalam pembuatan minuman beralkohol
misalnya telah dilakukan sejak 30 abad sebelum masehi. Namun Sejarah
Bioteknologi modern dimulai ketika ditemukan kembali kemampuan bakteri
Streptococcus pneumoniae yang telah kehilangan virulensinya yaitu dengan
mencampurkannya dengan bakteri yang virulen, Avery dkk (1944) telah
membuktikan bahwa pada tingkat organogenesis yang paling rendah pun terjadi
transaksi genetik (Brown 1991).
Selanjutnya diketahui konstruksi plasmid, penyisipan gen antar organisme
yang menghasilkan DNA rekombinan. adanya bakteri tanah Agrobacterium
tumafaciens yang dapat mentransfer gen secara alami dan akhirnya didapat
mekanisme transfer gen antar tanaman maka muncullah tanaman transgenik (Maniatis
dkk, 1982) Tanaman transgenik, yaitu tanaman yang sudah disusupi oleh DNA asing
sebagai pembawa sifat yang diinginkan.
D.Aplikasi Penerapan Bioteknologi dalam Bidang Pertanian
Bioteknologi telah diterapkan secara luas dalam bidang pertanian, antara lain
yaitu:
a. Pupuk Hayati (biofertiliser) yaitu suatu bahan yang berasal dari jasad hidup,khususnya mikrobia yang digunakan untuk meningkatkan kuantitas dan
kualitas produksi tanaman.
b. Kultur in vitro, yaitu pembiakan tanaman dengan menggunakan bagiantanaman yang ditumbuhkan pada media bernutrisi dalam kondisi aseptik.
Kultur in vitro memungkinkan perbanyakan tanaman secara massal dalam
waktu yang singkat.c. Teknologi DNA Rekombinaan, pengembangan tanaman transgenik, misalnya
galur tanaman transgenik yang membawa gen cry dari Bacillus thuringiensis
untuk pengendalian hama.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
14/79
xiv
Kelebihan dan kekurangan bioteknologi modern
Kelebihan dan kekurangn Bioteknologi modern antara lain:
- perbaikan sifat genetik dapat dilakukan secara sangat terarah- dapat mengatasi kendala ketidaksesuaian genetik- dapat memeperpendek jangka waktu pengembangan galur tanaman baru- relatif mahal dan memerlukan kecanggihan teknologi- pengaruh jangka panjang belum diketahui
E. Latihan dan Tugas
Untuk memantapkan pemahaman anda mengenai definisi, sejarah, ,
klasifikasi, ruang lingkup, aplikasi, dan kelebihan maupun kekurangan Bioteknologi
maka anda perlu mengerjakan tugas di bawah ini:
1. Buatlah definisi mengenai Bioteknologi dengan menggunakan kata-kata andasendiri!
2. Jelaskan dengan contoh bagaimana kemajuan berbagai disiplin ilmu lain dapatmenunjang kemajuan di bidang Bioteknologi!
3. Jelaskan keuntungan dan kelemahan penerapan Bioteknologi Modern!4.
Susunlah poster tentang proses pembuatan pupuk atau pestisida alami sertamekanisme reaksinya.
F. Indikator Penilaian
Kemampuan menyelesaikan latihan, ketepatan konsep dengan contoh,
kejelasan uraian,kemutakhiran tugas pustaka, ketuntasan gagasan pada poster dari
model yang dipilih, kreativitas, kerja sama tim pada presentasi.
BAB III. PENUTUP
Rangkuman
Bioteknologi didefinisikan sebagai penerapan prinsip-prinsip dasar biologi,
biokimia, serta rekayasa untuk mengubah dan mendapatkan nilai tambah dari suatu
organisme atau bagian dari organisme melalui pemanfaatan agensia biologis.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
15/79
xv
Bioteknologi diklasifikasikan menjadi bioteknologi konvensional dan bioteknologi
modern. Bioteknologi konvensional telag dimulai berabad-abad yang lalu, namun
bioteknologi modern sendiri ditandai dengan penemuan Avery (1944) yang
menemukan terjadinya transaksi genetic pada tingkat oeganogenesis yang paling
rendah. Contoh aplikasi bioteknologi pertanian yaitu penggunaan biofertiliser, kultur
in vitro, dan tanaman transgenik.
DAFTAR PUSTAKA
1. George, E.F. dan P.D. Sherrington, 1984. Plant Propagation by Tissue Culture.Handbook and Directory of Commercial Laboratories. Einstein Press, UK
2. Hari Hartiko, 1995. DNA Rekombinan. PAU Bioteknologi, Universitas GadjahMada. Yogayakarta3. Mantell, S.H., J.A. Mattheus dan R.A. McKee, 1985. Principles of Plant
Biotechnology. Blackwell Scientific Publication. Oxford, London4. Nasir, 2001. Bioteknologi Pertanian. PT. Grafindo Jakarta.5. Prentio, S., 1984. Biotechnology, A New Revolution. Gurge Brazller Inc. New
York.6. Soemartono, Nasrullah dan Hari Hartiko, 1992. Genetika Kuantitatif dan
Bioteknologi. Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.7. Wattimena, G.A1992. Bioteknologi Tanaman. Departemen Pendidikan dan
Kebudayaan, Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi. PAU Bioteknologi, IPB.
Bogor8. Yusuf, M., 1998. Genetika Molekular. Program Studi Bioteknologi, IPB. Bogor9. Yuwono TriWibowo, 2006. Bioteknologi Pertanian. Seri Pertanian. Gadjah
Mada University Press.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
16/79
xvi
MODUL II
STRUKTUR DAN KOMPONEN BIOMOLEKULER
BAB I. PENDAHULUAN
A. Latar BelakangBioteknologi modern ditandai dengan manipulasi atau rekayasa jasad hidup pada
aras molekuler. Inti sel dengan DNA yang dikandungnya menjadi objek rekayasa
yang substansial. Pemahaman mengenai sel sebagai unit terkecil penyusun makhluk
hidup yang masih dapat berdiri sendiri serta komponen-komponennya merupakan
dasar penting bagi bioteknologi.
B. Ruang Lingkup Isi
Modul ini membahas mengenai pengertian dan komponen penyusun sel,
struktur DNA dan RNA, perbedaan antara DNA prokariotik dengan eukariotik serta
definisi DNA supercoil, topoisomerase, nukleosom, histon, eukromatin dan heterokromatin,
serta pengenalan secara garis besar DNA Virus dan RNA Virus.
C. Kaitan Modul
Modul ini merupakan modul pertama yang memberikan pemahaman bagi
mahasiswa mengenai sel, dan komponen penyusunnya, serta DNA dan RNA
organisme prokariotik dan eukariotik .
D. Sasaran Pembelajaran Modul
Mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan mengenai pengertian dan
komponen penyusun sel, struktur DNA dan RNA, mengetahui perbedaan antara DNAprokariotik dengan eukariotik serta definisi DNA supercoil, topoisomerase, nukleosom,
histon, eukromatin dan heterokromatin, serta mengenal secara garis besar DNA Virus dan
RNA Virus.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
17/79
xvii
BAB II. PEMBAHASAN
A. SELPengertian Sel
Sel merupakan bahan dasar penyusun utama makhluk hidup. Sel membentuk
rangka atau struktur tubuh makhluk hidup, mengambil nutrisi dari makanan
kemudian mengkonversi nutrisi tersebut menjadi energi dan melaksanak spesifikasi
fungsi. Sel juga mengandung materi informasi genetik serta dapat menggandakan
diri. Yang membedakan antara sel prokariotik dengan sel eukariotik adalah pada sel
prokaritotik tidak memiliki membran nukleus dan sistem endomembran (organel-
organel bermembran).
Sel terdiri atas beberapa bagian, beberapa bagian ini disebut organel yang
mempunyai fungsi tertentu di dalam sel.
gambar 1. Sel tumbuhan
Fungsi berbagai komponen struktur sel
1. Dinding selDinding sel pada sel muda terbuat dari zat pektin sedang pada sel dewasa
terbentuk dari bahan selulosa. Dinding sel pada tumbuhan berfungsi untuk
memberi bentuk pada sel tumbuhan.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
18/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
19/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
20/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
21/79
xxi
Gambar 2. Rumus bangun dari sepotong untaian DNA
Struktur Sekunder DNA
Bentuk B
DNA mempunyai struktur sekunder yang memanjang. Bila susunan basanyadiperiksa, konsentrasi adenin akan selalu sama dengan konsentrasi timin ; sedangkan
konsentrasi guanin akan selalu sama dengan konsentrasi sitosin. Jadi jumlah
keseluruhan Purin (A+G) sama dengan jumlah keseluruhan Pirimidin (C+T), ratio
Purin : Pirimidin = 1. Dengan menggunakan keterangan tentang kandungan dasar ini,
disertai data hasil penelitian dengan menggunakan difraksi sinar-X, Watson and
Crick mengajukan suatu model struktur sekunder DNA yang dilukiskan sebagai
berikut ;
Gambar 3. DNA dalam bentuk B Watson-Crick
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
22/79
xxii
Struktur tersebut dinamakan bentuk B dari DNA. Dalam bentuk ini, dua
untaian lurus DNA saling membelit bersama-sama, membentuk suatu heliks berganda
berputar ke kanan. Kedua untaian DNA tadi berjalan dalam arah yang berlawanan.
Struktur seperti ini disebut sebagai anti paralel. Ada perulangan jarak sebesar 34
dengan 10 pasang basa untuk tiap putaran heliks. Ikatan hidrogen merupakan salah
satu kekuatan utama yang mempertahankan bentuk Heliks DNA. Residu adenin
membentuk dua ikatan hidrogen dengan timin. Guanin membentuk tiga ikatan
hidrogen dengan sitosin. Bentuk B dari DNA juga mempunyai dua alur, yaitu alur
besar dan kecil. Protein-protein yang berhubungan dengan fungsi DNA yang khas ,
misalnya replikasi atau reparasi, dapat berada dalam alur-alur ini.
Bentuk A
Bentuk B adalah bentuk utama dari DNA di dalam sel. Bentuk A
terjadi bila bentuk B mengalami dehidrasi. Bentuk ini lebih padat, tiap
putaran terdiri atas 11 residu basa. Pada bentuk A ini, basa berada dalam
kedudukan 13o sampai 19o dari possisi tegak lurus. Selain itu alur yang
terbentuk pun berubah, Alur kecil menjadi sangat dangkal, sedangkan alur
besar menjadi sangat dalam. Perubahan ini mengakibatkan interaksi khas
antara protein dengan DNA menjadi tidak mungkin.
Bentuk ZBentuk DNA yang secara nisbi masih baru ialah bentuk Z (dari zig-
zag). Bentuk Z merupakan heliks berputar ke kiri. Dan tiap putaran terdiri
atas 12 residu basa. Pada mulanya bentuk ini ditemukan pada suatu polimer
sintetik yang tersusun dari perulangan residu G dan C. Kemudian ternyata
bahwa bentuk Z juga ditemukan pada sejumlah spesies. Bentuk Z ini
dimantapkan oleh metilasi basa-basa yang ada di daalm DNA tersebut, suatu
peristia yang terjadi pada gen inaktif.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
23/79
xxiii
Gambar 4. Bentuk A dan Z dari suatu DNA
Denaturasi
Berbagai Keadaan yang menyebabkan denaturasiStruktur Primer tidaklah berubah pada denaturasi. Struktur sekunder
dari DNA akan mantap bila ikatan hidrogen tidak tergangu. Bila ikatan ikatan
ini terganggu maka kedua untaian DNA akan terpisah. Adapun keadaan yang
dapat menyebabkan terjadinya hal terebut adalah Kenaikan suhu, pH yang
berbeda dari pH alamiah, dan adanya senyawa-senyawa yang dapat
memutuskan ikatan hidrogen antar untaian tadi, atau yang dapat menyisipkan
dirinya diantara basa.Struktur DNA akan mantap pada rentangan pH 4-10, diluar dari itu
dapat terjadi protonisasi atau ionisasi atom-atom nitrogen atau atom oksigen
yang membentuk ikatan hidrogen sehingga menyebabkan denaturasi. Selain
itu senyawa-senyawa semisal urea dan formida dapat pula mengganggu ikatan
hidrogen sedangkan senyawa dengan cincin aromatik yang datar dan
besar,semisal senyawa etidium bromida dan berbagai zat warna golongan
akridin, dapat menyisipkan dirinya antara dua basa DNA sehingga
menimbulkan denaturasi.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
24/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
25/79
xxv
C. PERBEDAAN ANTARA KROMOSOM PROARIOTIK DAN EUKARIOTIKKromosom Prokariotik
Kromosom prokariotik, atau nukleoid, adalah suatu bentuk B dari DNA
yang merupakan molekul dengan lingkaran tertutup (sirkular). Hampir semua spesiesbakteri mempunyai kromosom berbentuk sirkular. Bentuk sirkular memberikan
perlindungan bagi DNA dari aksi-aksi enzim endonuklease (yang memotong ujung-
ujung DNA). Struktur tersier dari DNA prokariotik akan terbentuk apabila DNA
terpuntir sebelum lingkaran itu tertutup. Gelung tambahan yang terbentuk dinamakan
supercoiling.
Gambar 5. Proses terbentuknya struktur supercoil
Supercoil adalah bentuk penggulungan DNA. Bentuk supercoil ditemukan
pada tahun 1963 oleh Jerome Vinegrad dengan mengisolasi virus Polyoma. Dimana
Bentuk supercoil merupakan isomer topologi dari bentuk relaks. Enzim yang
berperan dalam pembentukannya adalah enzim topoisomerase yang bekerja
mengatur perubahan topologi DNA dengan cara meningkatkan atau menurunkan
jumlah pilinan pada heliks ganda. Enzim ini, dengan bantuan energi yang diperoleh
dari hidrolisis ATP akan memecah ikatan fosfodiester yang membentuk tulang
punggung kedua DNA, menyisipkan suatu gelungan, dan kembali menyegel tulang
punggung tadi. Perbedaan bentuk molekul ini dapat dengan jelas terlihat dengan
menggunakan teknik elektroforesis.Kromosom Eukariotik
DNA inti sel eukariotik mempunyai struktur kromosom yang lebih rumit lagi.
Semua kromosom inti eukariot berbentuk linier. Bila dilihat dengan mikroskop
elektron, kromosom inti sel eukariotik yang diekastraksi dengan larutan garam
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
26/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
27/79
xxvii
mencolok serta perubahan densitas pengapungan dalam keadaan terdenaturasi. Oleh
karena RNA hanyalah suatu salinan belaka dari seuntai DNA, maka jumlah A dari
suatu RNA tidaklah sama dengan U, begitu pula jumlah G tidaklah sama dengan C.
Gambar 6. Rumus bangun dari sepotong untaian RNA
Tiga tipe RNA Utama Dalam Sel
Genetika molekular klasik mengajarkan adanya tiga tipe RNA yang terlibat
dalam proses sintesis protein:
1. RNA-kurir (messenger-RNA, mRNA),
2. RNA-ribosom(ribosomal-RNA, rRNA),
3. RNA-transfer (transfer-RNA, tRNA).
Pada akhir abad ke-20 dan awal abad ke-21 diketahui bahwa RNA hadir dalam
berbagai macam bentuk dan terlibat dalam proses pascatranslasi. Dalam pengaturan
ekspresi genetik orang sekarang mengenal RNA-mikro (miRNA) yang terlibat dalam
"peredaman gen" atau gene silencing dan small-interfering RNA (siRNA) yang
terlibat dalam proses pertahanan terhadap serangan virus. Messenger RNA
mRNA adalah RNA yang paling beragam diantara berbagai RNA utama.
mRNA merupakan RNA terpanjang. Selain, itu mRNA mempunyai konsentrasi yang
paling rendah dan yang paling tidak stabil. Biasanya mRNA mengandung 5% dari
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
28/79
xxviii
seluruh RNA yang terdapat di dalam sitoplasma sel eukariotik. Pada prokariot, suatu
mRNA tunggal dapat mengandung informasi untuk beberapa protein yang berbeda.
mRNA serupa itu disebut sebagai pesan polisistronik. Pada eukariot, tiap mRNA
matang menyandikan satu, dan hanya satu itu saja polipeptida dan karena itu pula
dikatakan bersifat monosistronik.
Ribosomal-RNASel mengandung rRNA lebih dari yang lain. rRNA adalah bentuk RNA yang
paling mantap. Ia membentuk kompleks dengan protein dan disebut ribosom. rRNA
berupa pita tunggal, tidak bercabang dan fleksibel. rRNA berfungsi sebagai mesin
perakit dalam sintesis protein.
Transfer-RNA
Kira-kira 15% RNA sitoplasma dari suatu sel eukariotik adalah tRNA. tRNA
merupaka RNA terkecil, hanya mengandung 75-100 nukleotida. Paling sedikit ada 20
macam tRNA yang berbeda di dalam semua sel, yang masing-masing berpautan
dengan satu asam amino yang secara alamiah ditemukan di dalam molekul protein.
Mekipun beraneka ragam, semua tRNA ini mempunyai ciri umum yang sama yaitu
mempunyai daerah yang menjadi akseptor asam amino. Daerah-daerah yang
bervariasi perlu untuk mengikat berbagai macam asam amino yang berbeda. Selain
itu juga untuk mengenali kodon yang tepat pada mRNA.
E. DNA dan RNA VIRUSBerlawanan dengan sel-sel eukariotik normal, virus hanya mengandung asam
nukleat dan sejumlah kecil enzim essential, yang dikelilingi oleh suatu mantel yang
terutama tersusun dari protein. Bahan genetik dari virus dapat berupa DNA dan RNA,
dalam bentuk untaian tunggal atau ganda, melingkar ataupun lurus. Masing-maing
bentuk ini memerlukan suatu cara penggandaan dan penyalinan sedikit berbeda.Meskipun begitu, untuk penerjemahan dan pengubahan protein yang telah dibentuk
menjadi bentuk lain yang berfungsi, virus sama sekali tergantung kepada enzim yang
tersedia dalam sel yang diinfeksinya.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
29/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
30/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
31/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
32/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
33/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
34/79
xxxiv
D. Sasaran Pembelajaran Modul
Mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan konstitusi genetik tanaman
melalui pemahaman terhadap dogma genetik, kode genetik dan ekspresi genetik.
BAB II. PEMBAHASAN
A. Pengertian Eskpresi Genetik
Ekspresi genetik merupakan proses penerjemahan informasi genetik (dalam
bentuk urutan basa) menjadi protein, dan lebih jauh lagi: karakter. Proses ekspresi
genetik mengikuti tahapan yang sama untuk semua bentuk kehidupan, dan disebut
dogma inti (central dogma) dalam genetika. Ada tiga proses dasar yang tercakup
dalam dogma inti yaitu replikasi DNA, Transkripsi DNA menjadi RNA, dan
Translasi RNA menjadi protein atau polipeptida. Proses ekspresi gen merupakan
aspek fundamental dalam setiap organisme hidup. Proses ini diduga dikontrol oleh
suatu mekanisme yang ada pada aliran informasi genetik. Pada awalnya para ilmuwan
menduga bahwa protein merupakan satu-satunya molekul yang berperan dalam
meregulasi ekspresi gen pada manusia dan organisme kompleks lainnya (eukariot),
seperti halnya pada organisme tingkat rendah atau mikroorganisme (prokariot).
Gambar 1. Proses penerjemahan informasi genetik menjadi asam amino
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
35/79
xxxv
F. MODEL REPLIKASI DNAModel Konservatif
Sebelum mekanisme replikasi DNA dapat dibuktikan secara eksperimental
oleh Matthew Messelson dan Franklin Stahl pada tahun 1958, ada tiga hipotesis yang
berkembang mengenai mekanisme replikasi DNA. Salah satunya adalah model
replikasi secara konservatif. Menurut model konservatif, molekul DNA untai ganda
induk akan tetap bergabung sedangkan kedua untaian DNA anakan terdiri atas
molekul hasil sintesis baru. Dengan kata lain, molekul awal tetap terpelihara dan
molekul baru semua disusun dari bahan baru.
Model Dispersif
Pada model replikasi DNA secara dispersif dinyatakan bahwa molekul DNA
induk akan mengalami fragmentasi sehingga DNA anakan akan terdiri atas campuran
molekul lama (berasal dari DNA induk dan molekul hasil sintesis baru.
Model Semi konservatif
Pada model replikasi DNA secara semi konservatif, Watson dan Crick dalam
hipotesisnya mengemukakan bahwa setiap molekul untai ganda DNA anakan terdiri
atas satu untai tunggal DNA induk dan satu untai tunggal lainnya merupakan untai
tunggal DNA hasil sintesis baru. Dengan kata lain, bahwa dalam pembentukan DNA
baru, yang disintesis tidak kedua utas tetapi hanya satu, sedang utas yang lainnya
berasal dari molekul DNA terdahulu.
Replikasi DNA mengikuti pola semi konservatif terbukti secara empiris pada
tahun 1958 oleh eksperimen yang dilakukan oleh Matthew Messelson dan Franklin
Stahl dengan menggunakan bakteri Escherichia coli untuk mengetahui mekanisme
replikasi DNA. Hasil Eksperimen tersebut membuktikan bahwa replikasi DNA
mengikuti pola semi konservatif. Meskipun demikian, bukti-bukti baru menunjukkanadanya penyimpangan dari teori replikasi semacam ini. Diketahui bahwamekanisme
replikasi DNA pada virus tertentu, misalnya virus x 174, yang genomnya berupa
DNA untai tunggal, melibatkan tahapan proses repliasi DNA dengan mekanisme
yang berbeda yaitu model konservatif.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
36/79
xxxvi
Gambar 2. Tiga Hipotesis mengenai replikasi DNA
G. TIGA PROSES DASAR DALAM CENTRAL DOGMA PADA EKSPRESIGENETIK
Materi genetik, DNA selalu dalam keadaan aktif. Aktivitas ini berhubungan
dengan ekspresi gen dan juga aktivitas tambahan seperti replikasi, perbaikan dan
rekombinasi. Ekspresi gen berkaitan dengan proses transkripsi dan translasi untuk
mensintesis protein. Sedangkan proses replikasi, perbaikan dan rekombinasi berkaitandengan perbanyakan terarah terhadap DNA yang ada pada makhluk hidup.
Proses penyimpanan dan pemindahan informasi genetik dinyatakan dalam dalil
disebut dogma sentral oleh Francis Crick dan George Gamov pada tahun 1957.
Prinsip dogma sentral adalah DNA menjadi penentu jenis RNA, kemudian jenis RNA
menentukan macam protein yang disintesis.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
37/79
xxxvii
Dogma ini berlaku universal dan menyatakan bahwa sekali informasi telah
diteruskan menjadi protein, maka tidak dapat dikembalikan lagi menjadi bentuk
asalnya. Aliran informasi dari asam nukleat ke asam nukleat memang
memungkinkan, tetapi aliran informasi dari protein ke asam nukleat atau protein ke
protein tidak memungkinkan. Dimana tahap-tahap yang terjadi pada ekspresi genetik
dan faktor-faktor yang terlibat dapat digambarkan seperti berikut;
Gambar 3. Proses aliran informasi genetik menjadi protein beserta tahap-tahap dan
faktor-faktor yang terlibat
Replikasi DNA
Salah satu tahapan penting dalam proses pertumbuhan jasad hidup adalah
proses perbanyakan bahan genetik. Proses perbanyakan bahan genetik dikenal
sebagai proses replikasi. Pada replikasi DNA, rantai DNA baru dibentuk berdasarkan
urutan nukleotida pada DNA yang digandakan. Replikasi merupakan proses
pelipatgandaan DNA. Replikasi DNA adalah proses penggandaan molekul DNA
untai ganda. Pada sel, replikasi DNA terjadi sebelum pembelahan sel. Prokariota
terus-menerus melakukan replikasi DNA. Pada eukariota, waktu terjadinya replikasi
DNA sangatlah diatur, yaitu pada fase S daur sel, sebelum mitosis atau meiosis I.
Penggandaan tersebut memanfaatkan enzim DNA polimerase yang membantu
pembentukan ikatan antara nukleotida-nukleotida penyusun polimer DNA. Proses
replikasi DNA dapat pula dilakukan in vitro dalam proses yang disebut reaksi
berantai polimerase (PCR).
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
38/79
xxxviii
Tahapan-tahapan dalam proses replikasi
Inisiasi, DNA dalam sel-sel eukaryotik memiliki ARCs (autonomouslyreplicating sequence) yang berperan sebagai asal muasal replikasi dan mereka
saling berlawanan dari asal bakterial (ori). ARCs terdiri atas 11 pasangan
landasan rentetan tambah dua atau tiga rentetan nucleotida pendek tambahan
dengan 100 hingga 200 pasangan landasan sepanjang area DNA. Grup utama
dari enam protein, secara kolektif dikenal dikenal sebagai ORC (Origin
Recognition Complex), mengikat asal muasal replikasi, menandai replikasi
DNA dengan tepat pada saat waktu yang sesuai melalui siklus sel.Pengenalan
situs awal replikasi, oleh suatu protein komponen polymerase DnaA yang
dihasilkan oleg gen dnaA.
Terbentuknya Garpu replikasi. Garpu replikasi atau cabang replikasi(replication fork) ialah struktur yang terbentuk ketika DNA bereplikasi. Garpu
replikasi ini dibentuk akibat enzim helikase yang memutus ikatan-ikatan
hidrogen yang menyatukan kedua untaian DNA, membuat terbukanya untaian
ganda tersebut menjadi dua cabang yang masing-masing terdiri dari sebuah
untaian tunggal DNA. Masing-masing cabang tersebut menjadi "cetakan" untuk
pembentukan dua untaian DNA baru berdasarkan urutan nukleotidakomplementernya. DNA polimerase membentuk untaian DNA baru dengan
memperpanjang oligonukleotida (RNA) yang dibentuk oleh enzim primase dan
disebut primer.
Pemanjangan Untaian DNA. DNA polimerase membentuk untaian DNA barudengan menambahkan nukleotidadalam hal ini, deoksiribonukleotidake
ujung 3'-hidroksil bebas nukleotida rantai DNA yang sedang tumbuh. Dengan
kata lain, rantai DNA baru (DNA "anak") disintesis dari arah 5'3', sedangkanDNA polimerase bergerak pada DNA "induk" dengan arah 3'5'. Namun
demikian, salah satu untaian DNA induk pada garpu replikasi berorientasi
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
39/79
xxxix
3'5', sementara untaian lainnya berorientasi 5'3', dan helikase bergerak
membuka untaian rangkap DNA dengan arah 5'3'. Oleh karena itu, replikasi
harus berlangsung pada kedua arah berlawanan tersebut
Pembentukan Leading strand. Pada replikasi DNA, untaian pengawal(leading strand) ialah untaian DNA yang disintesis dengan arah 5'3' secara
berkesinambungan. Pada untaian ini, DNA polimerase mampu membentuk
DNA menggunakan ujung 3'-OH bebas dari sebuah primer RNA dan sintesis
DNA berlangsung secara berkesinambungan, searah dengan arah pergerakan
garpu replikasi.
Pembentukan Lagging strand. Lagging strand ialah untaian DNA yangterletak pada sisi yang berseberangan dengan leading strand pada garpu
replikasi. Untaian ini disintesis dalam segmen-segmen yang disebut fragmen
Okazaki. Panjang fragmen okazaki mencapai sekitar 2.000 nukleotides panjang
dalam sel-sel bakterial dan sekitar 200 panjang nukelotides dalam sel-sel
eukaryotic. Pada untaian ini, primase membentuk primer RNA. DNA
polimerase dengan demikian dapat menggunakan gugus OH 3' bebas pada
primer RNA tersebut untuk mensintesis DNA dengan arah 5'3'. Fragmen
primer RNA tersebut lalu disingkirkan (misalnya dengan RNase H dan DNA
Polimerase I) dan deoksiribonukleotida baru ditambahkan untuk mengisi celah
yang tadinya ditempati oleh RNA. DNA ligase lalu menyambungkan fragmen-
fragmen Okazaki tersebut sehingga sintesis lagging strand menjadi lengkap.
DNA polymerases tidak mampu mengisi ikatan covalent yang hilang. Celah
yang tersisa direkat oleh DNA ligase. Enzim ini mengkatalis pembentukan
ikatan phosphodiester antara 3 OH dari salah satu helaian dari 5-P dari
halaian yang lain.DNA ligase diaktifkan oleh AMP (adenosine monophosphate)sebagai cofactor (faktor pengendali). Dalam E.coli, AMP dibawa dari
nucleotide NAD+. Dalam sel-sel eukaryotik, AMP ditandai dari ATP. Ligase-
ligase tidak dilibatkan dalam pemanjangan rantai; melainkan, mereka berperan
pemasang enzim-enzim untuk perekatan celah melalui molekul DNA.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
40/79
xl
Modifikasi Post-Replikasi DNA, Setelah DNA direplikasikan, dua helaiantersintesis terbaru dipasangkan ke modifikasi enzimatik. Perubahan-perubahan
ini biasanya melibatkan penambahan molekul-molekul tertentu untuk
mekhususkan titik-titk sepanjang helix ganda. Pada cara ini, tags sel, atau label-
label, DNA, sehingga ini bisa membedakan material genetiknya sendiri dari
berbagai DNA asing yang mungkin bisa masuk ke dalam sel. Modifikasi post-
replikasi DNA mungkin juga mempengaruhi cara molekul diikat.DNA
merupakan faktor utama modifikasi dengan penambahan kelompok methyl ke
beberapa adenine dan residu-residu cytosine. Grup methyl ditambahkan oleh
DNA methylasess setelah nucleotides telah digabungkan dengan DNA
polymerases. Penambahan methyl ke cytosine membentuk 5-methylcytosinedan methylasi dari adenine membentuk 6-methyladine. Methyladine lebih
umum daripada methylcytosine dalam sel-sel bakterial, di mana dalam sel-sel
eukaryotik, grup methyl paling banyak ditambahkan ke cytosine. Methylase
muncul hanya pada beberapa rentetan nucleotide khusus. Dalam sel-sel
eukaryotik, sebagai contoh, methylasi secara umum muncul pada saat cytosine
berdampingan ke guanine di sisi 3-OH (5 P-CG-3OH).Pola methylasi bersifat
spesifik untuk spesies yang diberikan, berperan seperti tanda tangan untuk DNA
spesies tersebut. Hal ini patut diperhatikan karena grup methy melindungi DNA
melawan perlawanan enzim-emzim tertentu disebut restriction endonucleases
Oleh karena itu DNA asing melalui sebuah sel dicerna dengan restriction
endonucleases. Dalam sel tertentu, restriction endonucleases bisa memotong
DNA di titik khusus tertentu di mana DNA methylase menambah sebuah grup
methyl. Pola methylasi melindungi DNA dari cernaan oleh sel yang memiliki
endonucleases tapi tidak melawan pembatasan enzim-enzim yang diproduksi
sel-sel spesies yang lain. Pembatasan ini menyederhanakan pertukaran DNAantar sel dari spesies yang diproduksi sel-sel spesies yang berbeda. Methylasi
DNA pada titik-titik tertentu mungkin akan berakhir pada konversi terdekat dari
B-DNA ke bentuk-bentuk Z-DNA. Dalam bentuk B-DNA, grup-grup
hydropholic methyl dari alur utama, menghasilkan pengaturan yang tepat..
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
41/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
42/79
xlii
Komponen-komponen Penting dalam Replikasi
1. DNA cetakan, yaitu molekul DNA yang akan direplikasi2. Molekul nukleotida ; dATP, dTTP, dCPT, Dgtp3. Enzim DNA Polimerase, enzim utama yang mengkatalis proses
polimemerisasi nukleotida menjadi untaian DNA. Lima tipe DNA
polymerases antara lain , , , , dan , yang diidentifikasi dalam
sel-sel eukaryotic. , , dan pada DNA polymerases berfungsi
dalam replikasi DNA melalui nucleus. DNA polymerases berfungsi
dalam replikasi mitochondrial DNA, dan bentuk muncul dilibatkan
dalam pemasangan DNA. DNA polymerases I, II dan III, merupakan
DNA polymerase pada Prokaryotik.
4. Enzim primase, enzim yang mengkatalisis sintesis primer untukmemulai replikasi DNA.
5. Enzim Helikase, enzim pembuka ikatanuntaian DNA induk. Enzimlain yang juga berperan dalam proses tersebut adalah enzim girase.
6. Protein SSB (Single Strand Binding protein). Molekul yangmenstabilkan molekul DNA yang terbuka.
7. Enzim DNA ligase, suatu enzim yang berfungsi untuk menyambungfragmen-fragmen DNA.
Transkripsi DNA Menjadi RNA
Proses trankripsi pada dasarnya adalah sintesis suatu molekul RNA. Molekul
RNA adalah suatu polimer yang terbentuk dari berbagai gugus ribonukleotid. RNA
polimerase adalah suatu enzim yang bertugas mengenali tempat tertentu pada rantai
DNA yang menentukan mulainya transkripsi. Transkripsi adalah proses penyimpanan
informasi dalam DNA digunakan untuk menandai sintesis RNA. Transkripsi sama
dalam beberapa cara ke replikasi DNA tapi ada beberapa perbedaan utama antara
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
43/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
44/79
xliv
mengekspresi informasi. Lalu RNA dilibatkan sebagai pembawa informasi genetik
bersama sel. Transkripsi DNA berakhir dalam produksi tiga kelas dari RNA:rRNA,
tRNA, dan mRNA.
Proses transkripsi dilakukan oleh enzim RNA polimerase. Pada organisme
prokaryot, hanya ada satu macam RNA polimerase yang melakukan transkripsi gen
rRNA, gen yang mengkode protein, dan gen yang mengkode tRNA. Pada organisme
eukaryot , ada 3 macam RNA polimerase yaitu RNA polimerase I (menyalin gen
yang mengkode rRNA), RNA polymerase II (menyalin semua gen pengkode protein),
RNA polymerase III (menyalin gen yang mengkode tRNA dan rRNA berukuran 5S).
Urutan DNA yang akan ditranskripsi adalah gen yang akan diekspresikan. Gen yang
lengkap terdiri atas tiga bagian utama, yaitu; (1) daerah pengendali (regulatory
region) yang secara umum disebut promoter, (2) bagian structural, (3) terminator.
Promoter adalah bagian yang berperanan dalam mengendalikan proses transkripsi
dan terletak pada ujung 5. Bagian structural adalah bagian gen yang terletak
sebelah hilir (downstream) dari promoter. Bagian inilah yang mengandung urutan
DNA spesifik (kode-kode genetic) yang akan ditranskripsi. Terminator adalah
bagian gen yang terletak di sebelah hilir dari bagian structural yang berperan dalam
pengakhiran (terminasi) proses transkripsi.
Adapun tahapan tahapan dari transkripsi (sintesis RNA) adalah sebagai
berikut :
Inisiasi Transkripsi, DNA mengandung rentetan khusus nucleotide, dikenalsebagai pomoter regions, yang berperan sebagai penanda untuk inisiasi
transkripsi. Area pendukung DNA adalah lokasi di mana RNA polymerase
mengikat untuk transkripsi. Keaktifan promoter region mengkhususkan [1]
lokasi inisiasi transkripsi, dan [2] di mana dari dua helaian DNA bakteria
berfungsi sebagai sense strand untuk transkripsi di area tersebut.
Pembentukan open promoter kompleks, Pada tahap ini RNA polymerase IIakan mengenali daerah regulator element dari gen yang akan ditranskripsi.
Kemudian RNA polymerase ini akan menempel (binding) di daerah promoter
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
45/79
xlv
spesifik dari gene yang akan disintesis proteinnya, daerah promoter ini
merupakan daerah consesus sequences, pada urutan -10 dan -35 dari titik
inisiasi (+1) yang mengandung urutan TATA-Box sebagai basal promoter.
Setelah itu, polimerase ini akan membuka titik inisiasi (kodon ATG) dari gene
tersebut dan mengkopi semua informasi secara utuh baik daerah exon maupun
intron, dalam bentuk molekul immature mRNA (messenger RNA). Kemudian
immature mRNA ini diolah pada proses splicing dengan menggunakan
smallnuclearRNA (snRNA) complex yang akan memotong hanya daerah
intron, dan semua exon akan disambungkan menjadi satu urutan gen utuh
tanpa non-coding area dan disebut sebagai mature mRNA.
Pemanjangan selama proses transkripsi, Ketiga kawasan penting promotersyang berdampak pada bagaimana berfungsi dan efisiensi dari transkripsi
adalah kawasan konsensus -35, rententan konsensus Pribnow -10, dan lokasi
inisiasi. Rentetan konsesus -35 merupakan lokasi pengenalan inisial antara
RNA polymerase dan DNA, dan rentetan konsensus Pribnow -10 merupakan
pusat dari kawasan DNA yang tidak diikat. Inisiasi transkripsi mungkin juga
mempengaruhi inisiasi dan betapa cepatnya RNA polymerase meninggalkan
lokasi promoter. Semua fitur-fitur ini memiliki sebuah pengaruh kepadatingkat efisiensi RNA polymerase untuk transkripsi.
Penambahan dari rentetan nucleotide pada tiga kawasan penting juga
dipengaruhi oleh kemampuan memisahkan helaian-helaian DNA. Pemisahan
helaian secara langsung dipengaruhi oleh komposisi nucleotide (kawasan AT-
rich lebih mudah dipisahkan daripada kawasan GC-rich) dan dengan tingkatan
supercoiling dari helix ganda.
Tingkat kecepatan polymerisasi RNA selama transkripsi mungkin tidak akanberjalan lancar, penambahan berkelanjutan atas ribonucleotides. Di dalam
operons yang mengandung sebuah area attenuator, terdapat lokasi khusus
sepanjang DNA yang menyebabkan RNA polymerase berhenti atau diam
sejenak sampai kondisi-kondisi tertentu dipertemukan. Jika kondisi terpenuhi,
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
46/79
xlvi
RNA polymerase bisa memproses dengan pemanjangan. Jika kondisi tidak
terpenuhi, RNA polymerase menghentikan transkripsi.
Terminasi, Setelah terjadi proses pemanjangan untaian RNA hasil sintesis,selanjutnya diikuti dengan pengakhiran (terminasi) transkripsi yang ditandai
dengan pelepasan RNA polymerase dari sense strand DNA yang
ditranskripsi. Ada beberapa lokasi terminasi khusus yang berperan sebagai
sebuah sinyal untuk menghentikan transkripsi.
gambar 6 . Grafik tahapan transkripsi
Tranlasi RNA menjadi protein atau polipeptida
Translasi adalah proses penerjemahan kode-kode genetic (kodon) yang ada
pada molekul mRNA urutan-urutan asam amino. Hanya molekul mRNA yang
ditranslasi, sedangkan rRNA dan tRNA tidak ditranslasi. Pembacaan dari sebuah
molekul mRNA mulai dari sebuah titik permulaan yang tepat. Codon pertama yang
dibaca adalah AUG, yang memberi tanda asam amino methionine. Dalam sel-sel
bakterial, codon AUG memberi tanda methionine (Met) ketika muncul di mana pun
dalam molekul mRNA. Pada beberapa bakteria, codon AUG bertindak sebagaiinisiator codon yang mengkhususkan f-Met untuk memulai rantai polypeptide,
meskipun ketika GUC muncul pada posis internal dalam molekul mRNA, memberi
kode untuk valine. Baik itu Met atau f-Met merupakan bagian pertama dari asam
amino dalam semua rantai peptide ketika mereka disintesiskan secara inisial, terminal
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
47/79
xlvii
asam amino bisa dimodifikasi secara enzimatis kemudian. Deformylase bisa
memindahkan grup formyl dari formylmethionine, dan methionine amino peptidase
bisa memindahkan methionine dari amino terminus dari peptide. Olehkarena itu,
tidak semua polypeptides dalam mikroorganisme memiliki f-Met pada ujung terminal
amino mereka.
Bagian pangkal codon menentukan reading frame (rentetan tiga-nucleotide)
untuk bagian selebihnya dari molekul mRNA , sebab, landasan-landasan nucleotide
dibaca tiga pada satu waktu sepanjang rentai berkelanjutan dari nucleotides,
mengubah posisi kerangka membaca dengan memasukan atau menghapus landasan
nucleotide tunggal dalam sebuah gen bisa mempengaruhi secara dramatis rentetan
asam amino dari protein yang bisa diproduksinya.
Karena terjemahan bisa dimulai secara teoritis dengan berbagai nucleotide
melalui triplet codons, terdapat tiga kerangka membaca potensial dalam berbagai
kawasan di DNA. Sebuah protein diterjemahkan dengan kerangka yang mulai dengan
codon inisiasi AUG, memperluas melalui satu seri codon-codon yang
mengkhususkan asam amino, dan berakhir ketika terminasi codon dicapai.
Sebuah kerangka membaca yang mengandung codon-codon yang secara
eksklusif mengkode asam amino disebut open reading frame (ORF). Kerangka
membaca yang terkunci tidak bisa dibaca menjadi protein karena kehadiran terminasi
codon-codon. Deteksi dari sebuah ORF, yang bisa dilakukan dengan menguji rentetan
nucleotide diterjemahkan menjadi sebuah protein. Melacak database dari rentetan
nucleotide yang telah ditunjuk untuk memberi kode protein-protein yang dikenali bisa
membantu mengidentifikasi fungsi dari kerangka membaca terbuka. Homologies
tinggi ditemukan sepanjang spesies-spesies untuk rentetan nucleotides yang telah
melibatkan dan mengode protein-protein dengan fungsi-fungsi identik.
Beberapa protein dibutuhkan sebagai faktor-faktor inisiasi untuk memulaiproses terjemahan. Dalam sel-sel bakterial, tiga faktor inisiasi, IF1, IF2 dan IF3
dibutuhkan. Sedikit informasi yang diketahui mengenai faktor-faktor inisiasi
eukaryotik 4D (eIF4D). Dalam sel-sel eukaryotik, paling tidak sembilan faktor-faktor
inisiasi eukaryotik (eIF1 ke eIF6) dibutuhkan untuk memulai sintesis protein.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
48/79
xlviii
Translasi berlansung di dalam ribosom. Pada organisme prokaryot, translasi
sudah dimulai sebelum transkripsi (sintesis mRNA) selesai dilakukan. Dengan
demikian proses transkripsi dan translasi pada prokaryot berlangsung secara hampir
serentak. Sebaliknya pada eukaryot, proses translasi baru dapat berlangsung jika
proses transkripsi (sintesis mRNA yang matang) sudah selesai dilakukan. Dalam
proses translasi diperlukan molekul tRNA yang berfungsi membawa asam amino
spesifik. Terdapat 1 sampai 6 t-RNA untuk masing-masing asam amino dari 20 asam
amino yang dikenal pembentuk protein. Ribosom mengkatalisis pembentukan ikatan
peptida di antara dua asam amino yangberdekatan.Terdapat sekitar 20 macam tRNA
yang masing-masing membawa asam amino spesifik, karena di alam terdapat 20
asam amino yang menyusun protein alami.
Gambar 7. Struktur molekul 20 asam amino
Sintesis protein terdiri atas 3 tahap, inisiasi, elongasi, dan terminasi. Pada
tahap inisiasi, dibentuklah kompleks inisiasi untuk kemudian memulai sintesis dan
berikatan dengan start kodon pada mRNA . Suatu bagian dari rantai mRNA yang
menjadi tempat mulainya translasi adalah Ribosome Binding Sites (RBS) atau sekuen
Shine Dalgarno. Proses translasi dimulai dari menempelnya ribosom pada RBS.
Setelah subunit 30S dari ribosom menempel pada RBS. Subunit itu bergerak
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
49/79
xlix
sepanjang mRNA hingga mencapai kodon awal (kodon AUG). Selama elongasi asam
amino membentuk ikatan kovalen secara berurutan mengikuti gerakan ribosom
sepanjang mRNA. Terminasi sintesis potein terjadi jika ribosom sampai kepada
kodon nonsens (UAA, UGA, UAG). Peptida selanjutnya terlepas dari ikatan tRNA
dan ribosom berdisosiasi menjadi sub unitnya. Translasi adalah penerjemahan kodon
pada mRNA menjadi suatu polipetida.
Kode genetika adalah triplet, karena masing-masing kode terbentuk dari tiga
nukleotida yang disebut kodon. Kodon terdiri dari tiga dari empat kemungkinan
nukleotida (A, U, C dan G). Ini berarti akan terdapat 43 = 64 kodon. Keenam puluh
empat kodon ini dikenal oleh t RNA kecuali tiga yang disebut kodon nonsens.
Gambar 8. Kode genetic
Marshall Nirenberg dan Gobin Khorana berjasa dalam hal menemukan
kode genetika ini. Dan kode genetika ini berlalu universal untuk semua organisme
dari bakteri sampai manusia.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
50/79
l
Ciri-ciri kode genetic adalah sebagai berikut ;
1) Kode genetic adalah triplet. Setiap kodon mRNA yang mengkode asam aminodalam rantai polipeptida mengandung tiga nukleotida.
2) Kode genetic adalah kode yang bebas koma, mRNA dibaca terus, tiganukleotida (satu kodon) pada satu waktu, tanpa melompati nukleotida yang
lain.
3) Kode genetic tidak tumpang tindih. mRNA dibaca dalam kelompok berurutantiga nukleotida (triplet). Artinya tiada satu basa tunggal pun yang dapat
mengambil bagian dalam pembentukan lebih dari satu kodon.
4) Kode genetic bersifat degenerasi pengecualian (AUG, metionin dan UGG,triptofan), lebih dari satu kodon mengkode untuk beberapa asam amino.
5) Kode genetic mempunyai signal mulai dan signal berhenti. Signal mulai dansignal berhenti untuk sintesis protein berada dalam kode genetic ini.
6) Kode genetic dapat mempunyai dua arti, yaitu kodon yang sama dapatmemperinci lebih dari satu asam amino. Ex: Kodon UUU kode untuk
phenylalanin tetapi bila ada streptomisin dapat pula merupakan kode untukisoleusin, leusin atau serin.
Perubahan Pasca Penerjemahan (Mutasi)
Telah diketahui betapa penambahan sebuah basa saja sudah cukup untuk
mengacaukan pembacaan pesan genetic. Penambahan dua basa ataupun penghapusan
satu atau dua basa mempunyai akibat yang sama. Perubahan seperti itu dinamakan
mutasi pergeseran bingkai (frameshift mutation). Hanya penambahan atau
penghapusan pergandaan dari tiga basa yang menyebabkan pembacaan bingkai secaranisbi tidak berubah.
Perubahan satu basa saja mungkin tidak menimbulkan perubahan pada protein
yang dihasilkan, mungkin terjadi protein yang aktif sebagian saja atau bahkan protein
yang tidak aktif sama sekali, atau bahkan tidak terbentuk protein sama sekali.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
51/79
li
Penggantian satu poromidin dengan pirimidin yang lain (misalnya C dengan T) atau
satu purin dengan yang lain (G dengan A) disebut mutasi transisional. Penggantian
suatu purin dengan suatu pirimidin atau sebaliknya disebut mutasi transversional.
Karena terjadi degenerasi sandi, hasilnya mungkin tidak ada perubahan dalam
molekul protein yang terbentuk (mutasi diam). Mutasi jenis ini hanya dapat dilacak
dengan menyelidiki urutan basa mRNA atau gen.
Suatu missense mutation mengganti suatu asam amino dengan asam amino
yang lain. Bila asam amino pengganti mirip, mungkin terjadi suatu protein yang
masih berfungsi. Bila asam amino pengganti berbeda sekali, protein yang dihasilkan
mungkin tidak aktif sama sekali.
Kemungkinan ketiga ialah tidak terbentuk protein sama sekali. Hal ini dapat
terjadi misalnya bila mutasi mengganti kodon suatu asam amino dengan suatu kodon
yang mengisyaratkan penghentian sintesis. Peristiwa ini disebut mutasi nonsens
(nonsense mutation).
Beberapa prokariot dan eukariot mengandung tRNA yang telah berubah yang
dapat menyisipkan suatu asam amino pada suatu tempat yang telah menglami mutasi
nonsense ataupun pada tempat yang biasanya mengandung kodon untuk
menghentikan sintesis. Ini disebut mutasi supresor. Pada dasarnya, tRNA supresor
ini salah dalam membaca sandi. Lagi pula untuk menekan suatu mutasi nonsense,
beberapa tRNA membalikkan efek dari missense dan bahkan mutasi pergeseran
bingkai. Yang terakhir ini terjadi bila suatu tRNA membaca empat basa, bukannya
tiga basa, sebagai kodon.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
52/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
53/79
liii
protein represor yang dikode oleh genlaktose yaitu suatu protein yang tersusun atas
empat polipeptida yang identik menempel pada daerah operator ( Lac O ), yang
terletak disebelah hilir dari promoter, yang menyebabkan RNA polimerase tidak
dapat melakukan transkripsi gen-gen struktural lac Z, lac Y dan lac A, sehingga
operon lactosa mengalami represi, dan terjadi terus menerus selama tidak ada laktosa,
sehingga energi seluler dapat dihemat. Induksi operon laktosa terjadi jika ada laktosa
di dalam sel laktosa yang berada dalam medim pertubuhan sel diangkut ke dalam sel
dengan meggunakan enzim permiase galaktosidase. Enzim tersebut mengangkut
laktosa ke dalam sel,juga adanya enzim -galaktosidase di dalam sel yang terbatas
jumlahnya, maka meskipun belum ada induksi sepeuhnya dapat mengubah laktosa
menjadi allolaktosa ( mempunyai ikatan
-1.6 Allolaktosa yang merupakan induser
untuk mengaktifkan operon laktosa. Sedang laktosa adalah disakarida glukosa-
gaktosa yang terikat melalui ikatan -1,4. Pada waktu ditranskripsi, operon lac akan
menghasilkan satu mRNA yang membawa kode-kode genetik untuk tiga macam
polipeptida yang berbeda (oleh karena itu disebut mRNA polisistronik).
Gambar 9. Ekspresi gen pada prokaryotic
Regulasi Gen Pada Organisme Eukaryotik
Pada organisme eukaryot, satu gen struktural yang mengkode suatu protein
akan dikendalikan ekspresinya oleh satu promotor yang spesifik sehingga mRNA
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
54/79
liv
yang dihasilkan berupa mRNA yang monosistronik. Molekul mRNA semacam ini
hanya membawa rangkaian kode genetik untuk satu macam protein. Pada tahun 1941
George W. Beadle dan Edward L. Tatum mengemukakan konsep yang dikenal
sebagai teori satu gen - satu enzim. Akan tetapi penelitian penelitian menunjukkan
bahwa banyak protein atau enzim yang molekul lengkap semua polipeptidanya dapat
dikode oleh lebih dari satu gen struktural. Sebagai contoh, molekul hemoglobin yang
lengkap dikode oleh dua gen. Oleh karena itu sekarang dikenal teori satu gen- satu
polipeptida.
Perbedaan lain antara regulasi gen pada prokaryot dan eukaryot terletak pada
organisasi bagian struktural gen-gen yang mengkode protein. Pada prokaryot, semua
urutan nukleotida ditranskripsi menjadi mRNA. Selanjutnya, semua urutan nukleotida
mRNA mulai urutan kodon awal (ATG) sampai kodon sebelum urutan kodon
terminasi (TAA,TAG, atau TGA) ditranslasi menjadi urutan asam-asam amino.
Sebaliknya, pada banyak gen eukaryot seringkali terdapat urutan-urutan nukleotida
(kodon) yang tidak diketemukan terjemahannya dalam urutan asam amino. Pada
organisme eukaryotik dikenal adanya bagian gen struktural yang disebut intron
(intervening squences). Intron adalah bagian struktural yang pada awalnya
ditranskripsi tetapi selanjutnya mengalami pemotongan sehingga transkrip mRNA
yang sudah matang tidak lagi mengandung urutan tersebut. Oleh karena itu, bagian
yang hilang dari mRNA tersebut tidak akan ditranslasi menjadi urutan asam amino.
Sebaliknya, bagian gen struktural yang ditranskripsi menjadi mRNA disebut exon.
Gambar 10. Skema pemrosesan mRNA pada organisme Eukaryot.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
55/79
lv
Dalam proses transkripsi gen eukaryotik, exon-exon akan ditranskripsi.
Setelah terjadi pmotongan intron, selanjutnyaexon-exon disambung (disebut sebagai
proses splicing) menjadi molekul mRNA yang matang. Molekul mRNA yang matang
inilah (tidak mengandung intron lagi) yang selanjutnya akan ditranslasi menjadi
urutan asam amino.
Gambar 11. Skema ekspresi genetic pada organisme Eukaryot.
D. Tugas dan LatihanUntuk memantapkan pemahaman anda mengenai topik ini maka anda
diharapkan mengerjakan tugas dan latihan di bawah ini
1. Jelaskan mengenai dogma sentral
2. Jelaskan secara singkat urutan hingga suatu informasi genetik dapat diekspresikan!
3. Jelaskan secara singkat perbedaan regulasi gen organisme prokariot dan eukariot!
4. Plihlah salah satu topik di bawah ini kemudian susunlan portofolia berkaitandengan topik tersebut!
Konstitusi genetik tanaman melalui pemahaman terhadap dogma genetik, kodegenetik & ekspresi genetik
Dogma genetik dan kode genetikEkspresi genetikMutasi, mutagenesis, Rekombinasi, Transposisi
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
56/79
lvi
Replikasi, Transkripsi dan Translasi DNASomaklonal vs GametoklonalInteraksi genetik tanaman dan lingkungan
F. Indikator Penilaian
Kemampuan menyelesaikan latihan, ketepatan konsep dengan contoh,
kejelasan uraian,kemutakhiran tugas pustaka, ketuntasan gagasan pada portofolio
berdasarkan topik yang dipilih, kreativitas, kerja sama tim pada presentasi.
BAB III. PENUTUPRangkuman
Ekspresi genetik merupakan proses penerjemahan informasi genetik (dalam
bentuk urutan basa) menjadi protein, dan lebih jauh lagi: karakter. Ada tiga proses
dasar yang tercakup dalam dogma inti yaitu replikasi DNA, Transkripsi DNA
menjadi RNA, dan Translasi RNA menjadi protein atau polipeptida. Proses ekspresi
gen merupakan aspek fundamental dalam setiap organisme hidup.
Proses perbanyakan bahan genetik dikenal sebagai proses replikasi. Pada
replikasi DNA, rantai DNA baru dibentuk berdasarkan urutan nukleotida pada DNA
yang digandakan. Proses trankripsi pada dasarnya adalah sintesis suatu molekul
RNA, Transkripsi adalah proses penyimpanan informasi dalam DNA digunakan
untuk menandai sintesis RNA. Translasi adalah proses penerjemahan kode-kode
genetic (kodon) yang ada pada molekul mRNA urutan-urutan asam amino. Hanya
molekul mRNA yang ditranslasi, sedangkan rRNA dan tRNA tidak ditranslasi.
Pada umumnya, gen yang mengkode protein pada prokaryot berupa gen
dengan kopi tunggal (single copy), sedangkan gen yang mengkode tRNA dan rRNAberupa gen dengan jumlah kopi banyak (multiple copies). Pada organisme eukaryot,
satu gen struktural yang mengkode suatu protein akan dikendalikan ekspresinya oleh
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
57/79
lvii
satu promotor yang spesifik sehingga mRNA yang dihasilkan berupa mRNA yang
monosistronik. Molekul mRNA semacam ini hanya membawa rangkaian kode
genetik untuk satu macam protein.
DAFTAR PUSTAKA
1. http: //id.Wikipedia.org/DNA/
2. Molecular biology of the cell, 4th edition, The Benyamin/Cummings Publishing
Co.inc)
3. PPT Bahan Ajar Gene Expression Protein Synthesis). www. Brawijaya.Ac.id
4. PPT Bahan Ajar Dna Sebagai Bahan Genetik, UGM. http//ghr.nlm.nih.gov/
5. Schumm E. Dorothy.1992. Essential ofBiochemistry. Department of Physiologica
Chemistry. F.A.Davis company. Ohio
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
58/79
lviii
MODUL IV
Aplikasi Konsep Teknologi DNA Rekombinan pada Transfer genetik
Tanaman
BAB I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Bioteknologi telah memainkan peranan penting dalam peningkatan produksi
tanaman dalam beberapa dasawarsa terakhir. Paradigma pengembangan pertanian
saat ini terus berkembang ke arah penerapan bioteknologi modern yang
memungkinkan manipulasi genetik pada tanaman dapat dilakukan secara sangat
terarah. Salah satu teknik bioteknologi modern yang memungkinkan dilakukannya
manipulasi genetik secara terarah yaitu teknologi DNA rekombinan. Pada prinsipnya
teknologi DNA rekombinan merupakan suatu teknik untuk menggabungkan molekul-
molekul DNA secara in vitro, teknik ini memungkinkan terjadinya penggabungan
DNA antara organisme yang hubungan kekerabatannya sangat jauh.
Pengembangan dan penerapan teknologi DNA rekombinan memiliki dampak
yang sangat besar dalam bidang pertanian. Berbagai tanaman dengan sifat-sifat
fisiologis yang lebih baik maupun resistensi yang lebih tinggi terhadap hama dan
penyakit telah dihasilkan melalui pemanfaatan teknologi ini. Melihat besarnya
implikasi teknik ini dan prospek pengembangannya di masa depan maka pengetahuan
mengenai aplikasi konsep teknologi DNA rekombinan pada transfer genetik tanaman
sangat penting dipahami.
B. Ruang Lingkup Isi
Modul ini membahas mengenai Pengenalan teknik DNA rekombinan,
identifikasi, isolasi, dan amplifikasi DNA dengan PCR, DNA vektor, dan berbagai
metode transfer gen ke tanaman.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
59/79
lix
C. Kaitan Modul
Modul ini merupakan modul keempat setelah mahasiswa memahami modul-
modul sebelumnya yang meliputi struktur dan komponen biomolekuler sel,
perubahan konstitusi genetik, replikasi DNA, dan ekspresi genetik.
D. Sasaran Pembelajaran Modul
Setelah mempelajari modul ini, mahasiswa diharapkan dapat menjelaskan
mengenai teknologi rekombinan dan berbagai dampak yang ditimbulkan. Mengetahui
tahapan identifikasi, isolasi, dan amplifikasi DNA beserta metode yang
digunakan.Mengetahui berbagai DNA vektor dan proses introduksi DNA asing ke
dalam tanaman target. Mengetahui berbagai metode transfer gen ke tanaman.
BAB II. PEMBAHASAN
A. Pengenalan teknologi DNA rekombinan
Teknologi DNA rekombinaan merupakan kumpulan teknik atau metode yang
digunakan untuk menggabungkan molekul-molekul DNA secara in vitro. Teknologi
DNA rekombinaan ini juga dikenal sebagai rekayasa genetik atau genetic
engineering.
Konsep mengenai teknologi DNA rekombinaan didasarkan pada mekanisme
seksual yang terdapat pada bakteri. Mekanisme seksual pada bakteri ditemukan oleh
Ledersberg dan Tatum pada tahun 1946. Mekanisme seksual pada bakteri tidak
bersifat reproduktif atau menghasilkan anak. Mekanisme ini memungkinkan
terjadinya pertukaran DNA atau gen dari satu sel ke sel lainnya, sehingga dapatterbentuk kombinasi gen-gen yang berasal dari dua sel yang berbeda.
Tahapan dasar dalam melakukan rekombinasi DNA secara in vitro adalah
sebagai berikut:
1. Isolasi molekul DNA
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
60/79
lx
2. Pemotongan DNA menggunakan enzim endonuklease restriksi
3. Penyambungan molekul-molekul DNA menggunakan enzim DNA ligase
ke dalam suatu molekul DNA vektor.
4. Transformasi sel inang dengan DNA rekombinaan dalam sel inang
5. Analisis dan konfirmasi keberadaan DNA rekombinaan dalam sel inang
6. Karakterisasi fungsional gen yang diklon.
B. Isolasi DNA
DNA merupakan material genetik yang terdapat dalam sel oleh karena itu
langkah pertama dalam mengisolasi DNA yaitu memecahkan dinding sel. Dinding sel
dapat dipecahkan dengan memberikan perlakuan baik fisik, kimia, ataupun gabungan
dari keduanya.
- Perlakuan FisikSel dapat dipecahkan secara fisik dengan menggunakan alat
sonikator(sonicator). Pada prinsipnya alat ini menghasilkan suara dengan
frekuensi ultra tinggi sehingga dapat memecahkan dinding sel.
- Perlakuan KimiawiSecara kimiawi pemecahan dinding sel dapat dilakukan dengan menggunakan
enzim. Enzim yang dapat digunakan untuk pemecahan dinding sel yaitu
enzim lisozim.
Enzim Restriksi
Enzim endonuklease restriksi atau enzim restriksi merupakan enzim yang
diproduksi oleh mikroba yang dapat memotong DNA utas ganda. Enzim ini pertama
kali ditemukan oleh Werner Arber dan Hamilton Smith pada tahun 1960. Bakteri
secara alami menghasilkan enzim restriksi untuk menghancurkan DNA fage yangmenginfeksinya.
Enzim restriksi mengenal dan memotong DNA pada sekuens spesifik yang
panjangnya 4 sampai dengan 6 pasang basa. Enzim restriksi memotong pada bagian
tertentu , bagian DNA yang dipotong oleh enzim ini disebut sebagai sekuens
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
61/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
62/79
lxii
Enzim Ligase
Enzim ligase merupakan enzim yang digunakan untuk menyambung
potongan-potongan fragmen DNA. Enzim yang sering digunakan untuk menyambung
DNA adalah enzim yang genomnya berasal dari genom virus (bakteriofag) T4
sehingga disebut T4 DNA ligase. Enzim ini mampu menyambung DNA yang
ujungnya kohesif maupun runcing. Hal ini berbeda dari enzim ligase yang genomnya
berasal dari genom bakteri Escheria coli. Enzim yang diperoleh dari bakteri Ecoli
hanya mampu menyambung DNA ujung kohesif. Selain itu, T4 DNA ligase juga
mampu menyambung molekul DNA dengan RNA sedangkan enzim dari Ecoli tidak
dapat melakukan hal tersebut. Hal inilah yang menyebabkan enzim T4 DNA Ligase
lebih sering digunakan untuk kloning DNA.
Penyambungan ujung-ujung DNA yang kohesif lebih mudah dilakukan
dibandingkan DNA berujung tumpul. Penyambungan DNA dilakukan dengan
mencampur dua macam molekul DNA yang akan disambung dengan emzim DNA
ligase. Campuran ini kemudian diinkubasikan pada suhu 12 C 15 C selama
semalam. Untuk menyambung DNA yang mempunyai ujung-ujung yang tidak sama
karena berasal dari hasil pemotongan oleh enzim restriksi yang berbeda dilakukan
beberapa modifikasi,antara lain (a) penambanhan adaptor atau penyambung (linker),
(b) pembentukan akar homopolimer pada ujung DNA, (c) pengisian ujung-ujung
DNA kohesif, (d) penghilangan ujung DNA kohesif.
Adaptor adalah suatu molekul oligonukleotida sintetik yang urutan
oligonukleotidanya dirancang sedemikian rupa sehingga masing-masing ujung
adaptor bersifat komplementer dengan masing-masing ujung DNA yang akan
disambung.
Linker adalah molekul oligonukleotida sintetik yang dapat mengalamipenyambungan sendiri (self ligation). Linker dapat membentuk molekul untai ganda
berujung tumpul tetapi mempunyai urutan nukleotida yang dikenali oleh enzim
restriksi tertentu. Linker digunakan untuk menyambung DNA berujung tumpul,
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
63/79
lxiii
sehingga DNA berujung tumpul dapat mempunyai sisi pengenalan oleh enzsim
reztriksi tertentu.
Ekor homopolimer merupakan molekul deoksiribonukleotida yang terdiri atas
satu macam nukleotida dan ditambahkan pada ujung 3 suatu molekul DNA untai
tunggal atau ganda sehingga DNA tersebut dapat membentuk rekombinaan dengan
DNA lain yang mempunyai ekor homopolimer yang komplementer. Penambahan
ekor homopolimer dilakukan dengan menggunakan enzim calf thymus terminal
deoxynucleotidyl transferase.
C. VEKTOR DNA
Vektor DNA atau DNA vektor adalah molekul DNA yang secara khusus
dirancang untuk membawa molekul DNA asing yang akan dimasukkan ke dalam
jasad target. DNA vektor memiliki komponen viatal ayng meliputi ori (origin of
replication, titik awla replikasi), sisi penyisipan fragmen DNA asing, penanda
genetik, sinyal transkripsi dan translasi.
1. Titik awal replikasiTitik awal replikasi (ori) adalah suatu urtan nukleotiada pada vektor yang
digunakan untuk mengawali proses replikasi DNA vektor tersebut. Replikasi
suatu DNA vektor untuk memperthankan keberadaan vektor tersebut di dalam
sel.
2. Sisi penyisipan fragmen DNA asingSisi penyisipan fragmen DNA asing adalah sekuens DNA pada vektor yang
dapat dipotong oleh suatu enzim restriksi tertentu sehingga dapat digunakan
untuk menyisipkan fragmen DNA asing yang diklon. Sisi penyisipan tersebut
sering disebut sebagai sisi kloning (clonning site) yang dapat terdiri atas
beberapa urutan nukleotida khusus yang dapat dipotong oleh beberapa macamenzim restriksi yang berbeda.
3. Penanda genetik (genetic marker)Penanda gnetik adalah suatu gen tertentu pada vektor yang dapat digunakan
untuk menentukan koloni sel yang memebawa DNA vektor atau DNA
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
64/79
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
65/79
lxv
jumlah jenis, dan jumlah tiap jenis (copy) plasmid bervariasi antar sel bahkan antar
sel dalam satu spesies bakteri.
Gambar 1. Vektor DNA plasmid
Vektor DNA plasmid merupakan vektor yang paling umum digunakan untuk
kloning DNA. Struktur dasar vektor ini berasal dari DNA plasmid yang secara alami
ditemukan di dalam beberapa jasad prokaryot dan eukaryot. Plasmid yang digunakan
sebagai vektor pada umumnya merupakan hasil modifikasi plasmid alami dengan
cara menambahkan komponen-komponen genetik dari berbagai sumber, misalnya sisi
kloning, ori tambahan, promoter,. Terminator transkripsi serta penanda genetik.
Vektor yang berupa plasmid umumnya berukuran kecil yaitu sekitar 2-8 kb meskipun
ada juga yang berukuran sekitar 12 kb. Hal inilah yang menyebabkan vektor plasmid
hanya dapat digunakan untuk membawa fragmen DNA asing yang berukuran kecil
maksimum sampai mencapai sekitar 3-5 kb. Vektor DNA plasmid secara umum dapat
dikelompokkan menjadi (a) vektor untuk amplifikasi fragmen DNA asing (b) vektor
ekspresi (c) vektor ulang-alik (shuttle vector).
Vektor untuk amplifikasi merupakan vektor plasmid yang biasanya digunakanhanya untuk memperbanyak fragmen DNA asing yang disisipkan ke dalam plasmid
tersebut. Vektor ekspresi adalah kelompok vektor yang selain dapat digunakan untuk
memperbanyak gen yang disisipkan juga dapat mengekspresikan gen yang disisipkan
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
66/79
lxvi
tersebut. Beberapa vektor ekspresi juga dapat dimasukkan ke dalam vektor ulang-
alik. Vektor ulang-alik (shuttle vector) adalah vektor yang dapat direplikasikan pada
sel prokaryot dan eukaryot. Vektor ini digunakan untuk mengekspresikan gen asing
di dalam sel eukaryot, namun sebelumnya gen asing yang diklon tersebut
diperbanyak terlebih dahulu di dalam sel prokaryot.
D. Transfer DNA
Transfer DNA ke dalam bakteri dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu,
konjugasi, tarnsformasi, dan transduksi. DNA yang masuk ke dalam sel bakteri
kemudian dapat berintegrasi dengan DNA atau kromosom bakteri sehingga terbentuk
kromosom rekombinaan.
Konjugasi merupakan perpindahan DNA dari satu sel ke dalam sel bakteri lain
mnelalui kontak fisik antara kedua sel. Sela donor (jantan) memasukkan sebagian
DNA nya ke dalam sel resepien (sel betina). Transfer DNA berlangsung melalui pili
seks yang dimiliki oleh sel jantan. Sel betina tidak memiliki pili seks. DNA dari sel
jantan berpindak ke dalam sel betina secara replikatif. Oleh karena itu setelah
konjugasi, sel jantan tidak kehilangan DNA. Setelah konjugasi selesai kedua sel akan
berpisah kembali dan jumlah sel tidak bertambah. Setelah konjugasi tidak dihasilkan
anak. Oleh karena itu proses konjugasi ini disebut juga sebagai proses seksual yang
tidak reproduktif.
Transformasi merupakan pengambilan DNA oleh bakteri dari lingkungan di
sekelilingnya. DNA yang berada di sekitar bakteri (DNA asing) dapat berupa
potongan DNA atau fragmen DNA ysng berasal dari bakteri lainnya atau dari
organiosme lainnya. Masuknya DNA dari lingkungan ke dalam sel bakteri dapat
terjadi secara alami. Fenomena transformasi ini diamati oleh Griffith (1928), dan
kelompok Averry (1944). Griffith (1928) telah menemukan bahwa strain bakteri yangtidak virulen (strain yang penampilan koloninya kasar) dapat berubah sifatnya
menjadi strain yang virulen (penampilan koloninya halus) . Perubahan sifat ini
disebabkan karena strain yang tidak virulen menjadi strain yang virulen. Perubahan
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
67/79
lxvii
sifat ini disebabkan karena strai yang tidak virulen dicampur dengan strain virulen
yang telah dimatikan.
Avery, McCleod, dan McCarty (1944) menemukan bahwa perubahan sifat
atau transformasi dari bakteri avirulen menjadi virulen disebabkan oleh adanya DNA
dari sel bakteri virulen yang masuk ke dalam sel bakteri avirulen . Berdasarkan
mekanisme transformasi alami ini maka dapat dilakukan mekanisme transformasi
buatan. Dengan perlakuan tertentu kita dapat memasukkan potongan DNA ke dalam
sel bakteri. Pada prinsipnya ahal ,ini sangat sederhana yaitu
mencampurkan sel-sel bakteri hidup dengan potongan DNA tertentu di dalam tabung
reaksi. Beberapa waktu kemudian kita dapat menyeleksi sel-sel bakteri yang sudah
mengandung potongan DNA tertentu tersebut.
Transduksi adalah cara pemindahan DNA dari satu sel ke sel lain melalui
perantaraan fage. Beberapa jenis virus berkembang biak di dalam sel bakteri. Virus-
virus yang inangnya adalah bakteri disebut bakteriofage atau fage. Pada waktu fage
menginfeksi bakteri, fage memasukkan DNA nya ke dalam bakteri. DNA fage ini
kemudian bereplikasi di dalam sel bakteri atau berintegrasi dengan kromosom
bakteri. Pada waktu DNA fage dikemas di dalam pembungkusnya untuk membentuk
partikel-partikel fage baru, DNA fage tersebut dapat membawa sebagian dari DNA
baktei yang menjadi inangnya. Selanjutnya bila fage menginfeksi bakteri lainnya
maka fage akan memasukkan DNA nya yang mengandung sebagian dari DNA
bakteri inangnya sebelumnya. Dengan demikian fage tidak hanya memasukkan DNA
nya sendiri ke dalam sel bakteri yang diseranganya tetapi juga memasukkan DNA
dari sel bakteri lainnya yang ikut terbawa pada DNA fage. Hal ini berarti secara
alami fage memindahkan DNA dari satu sel bakteri ke sel bakteri lainnya.
E. Amplifikasi DNA Dengan Teknik PCR
Amplifikasi (perbanyakan) sekuens DNA dapat dilakukan dengan metode
PCR (Polymerase chain reaction). Amplifikasi DNA ini dilakukan dengan
menggunakan enzim DNA polimerase, dNTP (dinukleotida triphosphat)
oligonukleotida primer, dan DNA template (DNA cetakan).
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
68/79
lxviii
Enzim DNA polimeraseEnzim DNA polimerase adalah enzim yang mengkatalisis reaksi polimerisasi
nukleotida menjadi untaian DNA. Dalam teknik PCR biasanya digunakan enzim
DNA polimerase yang berasal dari bakteri termotoleran yang berasal dari laut, yaitu
Thermus aquaticus, enzim tersebut disebut Taq DNA polymerase. Enzim ini memiliki
kelebihan yaitu dapt tahan terhadap suhu yang sangat tinggi, yaitu mencapai suhu 95-
100 C.
Suhu setinggi itu diperlukan sebab untuk menyalin urutan basa DNA cetakan
dalam metode PCR. Maka DNA cetakan harus didenaturasi (dipisahkan ikatan antarauntaiannya) dengan perlakuan panas. Saat ini telah dikembangkan banyak DNA
polimerase termotoleran lain yang dikembangkan untuk PCR, misalnya Tth DNA
polymerase, dan Pwo DNA polymerase.
dNTP (dinukleotida triphosphat)Molekul dNTP (yaitu dATP, dTTP, dCTP, dan dGTP) diperlukan dalm teknik
PCR sebagai bahan dasar untuk membuat untaian DNA karena molekul DNA disusun
oleh keempat nukleotida tersebut.
Oligonukleotida primerOligonukleotida primer adalah molekul nukleotida berukuran pendek (sekitar
10-30 basa nukleotida) yang diperlukan dalam mengawali proses sintesis DNA.
Proses sintesis DNA baik secara in vivo maupun in vitro memerlukan molekul
primer. Urutan basa nukleotida pada primer ditentukan agar dapat menempel
(komplementer) pada bagian molekul DNA cetakan yang akan disalin atau
diamplifikasi. Molekul primer dapat dibuat dengan cara sintesis kimiawi.
Molekul DNA cetakanMolekul DNA cetakan merupakan molekul DNA yang urutan nukleotidanya
akan disalin. DNA cetakan diisolasi dari sel dan selanjutnya digunakan sebagai
cetakan yang akan dibaca oleh enzim DNA polimerase untuk membuat salinan urutan
nukleotidanya.
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
69/79
lxix
PCR dilakukan dengan mencampurkan keempat komponen tersebut di dalam
tabung Eppendorf kemudian dimasukkan ke dalam thermocycler. Volume total
campuran reaksi yang diperlukan biasanya berkisar antara 25-100 mikroliter.
Thermocycler adalah alat yang dapat diatur untuk membuat suatu siklus perubahan
suhu yang diperlukan dalam proses amplifikasi DNA. Tahap pertama suhu alat diatur
sehingga mencapai 95-100 C selama bebrapa menit (biasanya sekitar 5 menit). Pada
saat ini, molekul DNA cetakan mengalami denaturasi sehingga kedua untaiannya
terpisah. Pemisahan untaian ini diperlukan agar nukleotida primer dapat menempel,
karena primer tidak akan dapat menempel pada DNA cetakan yang masih dalam
bentuk untaian ganda (double stranded).
Setelah beberapa menit pada suhu denaturasi, suhu alat diturunkan sehingga
mencapai suhu yang sesuai untuk penempelan primer (primer annealing) pada DNA
cetakan. Biasanya suhu yang diperlukan adalah sekitar 50-60 C, tetapi suhu yang
tepat harus ditemukan secara empiris tergantung pada urutan basa nukleotida primer
yang digunakan. Pada suhu yang tepat, molekul primer akan menempel pada daerah
DNA yang komplementer. Sebagai contoh, jika urutan nukleotida primer adalah
GATCTTCG, maka primer tersebut akan menempel pada daerah DNA cetakan yang
mempunyai urutan CTAGAAGC. Molekul primer yang menempel tersebut berfungsi
sebagai molekul awal dalam proses polimerasi DNA. Nukleotida-nukleotida baru
akan ditempelkan di ujung primer tersebut sesuai dengan urutan nukleotida pada
DNA cetakan.
Proses penempelan primer biasanya memerlukan waktu beberapa menit
sekitar 2-3 menit, selanjutnya suhu alat dinaikkan ke suhu yang optimum untuk
aktivitas polimerisasi DNA oleh DNA polimerisasi. Jika digunakan Taq DNA
polymerase maka biasanya suhu dinaikkan menjadi 72 C. Pada suhu inilah terjadi
proses polimerisasi (sintesis) DNA baru dengan adanya aktivitas DNA polimerase,dNTP, primer, dan DNA cetakan. Proses polimerisasi biasanya berlangsung selam 2-
5 menit.
Setelah proses polimerisasi, kemudian dilakukan lagi siklus seperti semula,
yaitu dengan menaikkan suhu menjadi 95-100 c (denaturasi) kemudian diturunkan
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
70/79
lxx
menjadi 50-60 C (penempelan primer) , dan kemudian dinaikkan lagi menjadi 72 C
(polimerisasi). Siklus perubahan semacam ini dilakukan berulang-ulang sekitar 25-35
kali. Dengan demikian dalam proses PCR terjadi sintesis DNA secara berulang-ulang
sekitar 25-35 kali. Dengan demikian dalam proses PCR terjadi sintesis DNA secara
berulang-ulang sehingga diperoleh molekul DNA baru dengan jumlah yang jauh
berlipat ganda dibanding denagn molekul DNA cetakannya. Inilah yang disebut
sebagai proses reaksi berantai polimerase atau PCR. Dengan teknik ini dimungkinkan
mengamplifikasi suatu fragmen DNA denagn cepat dalam jumlah yang banyak.
Selain itu amplifikasi juga dapat diarahkan hanya pada bagian-bagian tertentu suatu
gen sehingga dapat dikembangkan untuk tujuan rekayasa struktur suatu gen atau
protein.
F. TRANSFORMASI SEL INANG
Setelah menyisipkan DNA asing ke dalam DNA vektor, selanjutnya DNA
rekombinan tersebut dimasukkan ke dalam sel inang yang sesuai. Proses ini disebut
sebagai transfomasi. Berdasarkan tujuan transformasi tersebut, secara umum sel inang
dapat dibedakan menjadi 2 kelompok, yaitu:
1. Sel inang sementara ( temporer), sel yang digunakan hanya untukmemperbanyak jumlah sel DNA rekombinan, biasanya digunakan baktei E.
Coli karena mudah dac cepat pertumbuhannya.
2. Sel inang tetap, sel inang yang digunakan untuk mengekspresikan gen asingyang diklon tersebut
G. Latihan dan Tugas
Untuk memantapkan pemahaman anda mengenai materi dalam modul ini
maka anda perlu mengerjakan tugas di bawah ini1. Jelaskan secara singkat tahapan dasar dalam melakukan rekombinasi DNA secara
in vitro!
2. Jelaskan secara singkat berbagai mekanisme perpindahan material genetik pada
bakteri!
-
7/23/2019 Modul Bioteknologi Tanaman
71/79
lxxi
3. Jelaskan secara singkat urutan siklus amplifikasi DNA dengan menggunakan PCR!
4. Susunlah sebuah poster mengenai salah satu materi pada modul ini kemudian
presentasikan secara oral!
H. Indikator Penilaian
Kemampuan menyelesaikan latihan, ketepatan konsep dgn contoh, kejelasan
uraian,kemutakhiran tugas pustaka, ketuntasan gagasan pada poster dari model yang
dipilih, kreativitas, kerja sama tim pada presentasi.
BAB III. PENUTUP
Rangkuman
Teknologi DNA rekombinaan merupakan kumpulan teknik atau metode yang
digunakan untuk menggabungkan molekul-molekul DNA secara in vitro. Tahapan
dasar dalam melakukan rekombinasi DNA secara in vitro adalah Isolasi molekul
DNA, pemotongan DNA menggunakan enzim endonuklease restriksi, penyambungan
molekul-molekul DNA menggunakan enzim DNA ligase ke dalam suatu molekul
DNA vektor, transformasi sel inang dengan DNA rekombinaan dalam sel inang,
analisis dan