Is Helianti’s Weblog

berbagi ilmu, berbagi semangat, berbagi dunia

Metagenomik, Era Baru Bioteknologi

Posted by ishelianti on June 22, 2008

Kompas Senin, 06 Juni 2005

Oleh: Is Helianti

INOVASI dan daya kreasi para peneliti di dunia ilmiah telah melahirkan banyak perkembangan baru dalam sains dan teknologi, tak terkecuali di bidang biologi. Era pembacaan seluruh rantai DNA (genom) satu spesies makhluk hidup telah menjadi hal “biasa” di negara maju sana. Tak kurang genom dari ratusan spesies mikroba, tikus, padi hingga manusia telah selesai dibaca.

NAMUN, tampaknya babak pembacaan genom satu spesies makhluk hidup telah mencapai titik jenuh bagi sebagian ilmuwan. Sekarang ini, mereka beralih pada tantangan yang lebih besar. Yaitu, membaca seluruh DNA dari suatu ekosistem lengkap (bukan hanya satu organisme), yang diistilahkan dengan metagenom. Ilmu yang mempelajari metagenom ini disebut metagenomik.

Secara detailnya, proyek metagenom ini adalah usaha membaca seluruh DNA dari komunitas mikroba dalam ekosistem kecil, misalnya segenggam tanah, sepuluh mililiter air laut, atau isi perut manusia. Dengan membaca seluruh cetak biru genetik dari seluruh spesies organisme yang ada pada satu ekosistem, ilmuwan berharap dapat mengetahui jenis organisme (mikroba) apa saja yang terdapat dalam ekosistem mikro tersebut, serta bagaimana mereka bekerja bersama.

Tentu saja usaha ini tidaklah mudah. Keanekaragaman mikroba dalam ekosistem mikro sekalipun sangatlah tinggi. Dalam satu gram tanah subur atau satu mililiter air laut misalnya, bisa saja dijumpai ribuan spesies mikroba, yang dari aspek genetik jauh lebih kompleks daripada genom manusia.

Selain dari lingkungan yang subur yang berarti kaya akan kehidupan, para ilmuwan juga mencoba untuk membaca metagenom dari lokasi-lokasi yang sepi dari kehidupan, seperti lingkungan ekstrem di dasar laut dalam atau daerah pertambangan yang penuh kontaminan berbahaya. Hasil penelitian proses pembacaan metagenom dari daerah-daerah ekstrem yang jarang kehidupan ini pun menyatakan bahwa lebih banyak gen baru yang ditemukan daripada dalam genom manusia. Padahal, dalam genom manusia pun, masih lebih dari setengah jumlah gen yang ada, belum kita ketahui fungsinya.

Pro dan kontra

Sampai saat ini, para peneliti umumnya menggunakan approach isolasi satu spesies makhluk hidup (baik itu mikroba, tumbuhan, ataupun hewan), mengidentifikasi, lalu membaca seluruh gen/DNA (genom)-nya untuk mempelajari makhluk hidup tersebut lebih lanjut lagi. Tetapi metagenomik mengambil approach yang bertolak belakang. Metagenomik memulainya dari DNA organisme (apa pun) yang bahkan sama sekali tidak diketahui, lalu setelah itu baru mencoba memecahkan apa sebenarnya organisme-organisme yang ada di situ yang mengandung DNA-DNA tersebut.

Pendekatan yang tidak umum ini di kalangan ahli mikrobiologi sendiri menimbulkan pro dan kontra akan nilai penting dari data ilmiah yang didapat.

Para peneliti yang setuju dengan approach ini antara lain mengatakan bahwa hanya satu persen dari mikroorganisme yang ada di Planet Bumi ini yang bisa ditumbuhkan di laboratorium atau dibiakkan dalam medium artificial. Jadi sisanya, sembilan puluh sembilan persen tidak bisa (atau setidaknya belum bisa) dikulturkan dengan teknologi isolasi dan kultivasi yang ada sekarang ini, atau diistilahkan dengan unculturable. Padahal bisa jadi mikroba yang unculturable ini justru menyimpan gen-gen baru yang dapat diaplikasikan dalam industri ataupun bermanfaat bagi peningkatan kesejahteraan manusia. Oleh karena itu bisa dikatakan, ilmu mikrobiologi sendiri tidak mengetahui sedikit pun tentang yang sembilan puluh sembilan persen ini.

Tetapi, peneliti dimungkinkan untuk mengekstraksi DNA dari sample tanah atau air laut tanpa perlu identifikasi makhluk hidup apa yang menjadi sumber DNA tersebut. Kita memang tidak tahu penampilan, bentuk (morfologi), ataupun karakter dari masing-masing spesies tersebut, namun, kita bisa tahu kode genetiknya.

Demikian menurut Venter, saintis sekaligus pebisnis unggul pemilik perusahaan biotek Celera Genomics yang merupakan salah seorang pionir dalam proyek metagenom ini. Perusahaan Celera Genomics yang dipimpinnya berhasil menepis keraguan dunia akan keberhasilan proyek pembacaan genom manusia, karena sukses membaca genom manusia yang panjangnya 3.000 mega base pair (Mbp) itu dalam waktu tiga tahun!

Tetapi ada juga yang berpendapat bahwa pembacaan metagenom dari mikroekosistem tidaklah punya arti apa-apa. Dr Davies, seorang profesor emeritus mikrobiologi Universitas British Columbia, bahkan mengatakan bahwa membaca sekuens seluruh DNA yang ada di sample tanah hanyalah akan menjadi sampah. Komentar ini mungkin berkaitan dengan pengalaman penelitiannya sendiri. Profesor ini pernah memulai bisnis perusahaan biotek untuk menemukan antibiotik baru dengan mengekstraksi genom DNA dari sampel mikroba tanah yang tidak dapat dikulturkan. Akan tetapi, approach tersebut menemui jalan buntu. Karena produksi antibiotik diregulasi oleh banyak gen. Sehingga tidak dimungkinkan untuk mendapatkan fragmen DNA yang cukup panjang yang mengandung seluruh gen yang diperlukan untuk memproduksi antibiotik dalam satu klon dari pustaka metagenom tersebut.

Menurut rofesor Davies, hasil pembacaan metagenom hanyalah seperti katalog. Metagenom memaparkan semua gen tetapi tidak memberikan informasi informasi apa pun tentang gen apa yang aktif dan gen mana yang tidak, serta bagaimana bakteri-bakteri tersebut berinteraksi satu sama lain. Kita tidak mendapatkan karakter apa pun dari bakteri yang ada, lalu bagaimana kita bisa tahu apa yang mereka lakukan? Demikian argumen profesor ini.

Argumen ini dibantah oleh saintis dari The Institute of Genome Research (TIGER), Dr Gill. Menurut dia, jika kita mendapatkan cetak biru genetik suatu organisme, kita dapat trace back untuk merekonstruksi sistem metabolismenya, walaupun tanpa mengetahui nama organisme tersebut. Jadi, data genom saja itu sudah cukup bernilai.

Informasi cetak biru genetik akan membantu ilmuwan memperkirakan nutrisi apa yang diperlukan oleh organisme sumber DNA tersebut. Sehingga dapat menjadikan mikroba yang bersangkutan yang sebelumnya tidak bisa dikulturkan menjadi mikroba yang dapat diisolasi dan dikultivasi di laboratorium. Dan ketika seluruh gen dalam suatu organisme diketahui, maka dengan teknologi DNA/gen chips akan mudah diketahui gen mana yang aktif atau tidak ketika diberikan stres lingkungan yang berbeda-beda.

Sumber biokatalis baru

Sebenarnya, metagenom walaupun tampak baru dari segi istilah, telah mulai dilakukan sejak tahun 1980-an. Para peneliti saat itu mencoba meneliti gen 16S rRNA dari sampel konsorsium mikroba. Gen ini menjadi penanda spesies suatu makhluk hidup dan dipunyai oleh seluruh makhluk hidup di Planet Bumi ini. Gen ini, meski berasal dari spesies yang berbeda-beda, banyak mempunyai bagian yang conserve atau homolog satu sama lain. Jadi, spesies yang sama mempunyai susunan DNA yang hampir sama, sedangkan semakin dekat kekerabatan dua makhluk hidup, maka akan semakin banyak bagian dari gen ini yang overlap atau homolog.

Dengan menganalisis gen 16S rRNA yang relatif pendek (sekitar 1.500 bp) dari konsorsium bakteri ini, maka saintis mengetahui ada berapa jenis mikroba global. Akan tetapi, kita tidak mendapatkan informasi apa pun tentang bagaimana bakteri itu berfungsi.

Lalu, sejak tahun 1990-an, para saintis mencoba untuk menganalisa gen yang lebih besar dan panjang untuk mencari gen yang sesuai dengan keperluan hidup manusia. Misalnya, gen penyandi enzim fungsional yang bermanfaat untuk industri sebagai biokatalis.

Setelah sampel dari lingkungan didapat, maka total DNA dari sample tersebut diekstraksi, lalu dikloning dengan teknik shotgun cloning. Total DNA ini dipotong secara random dengan enzim pemotong DNA yang spesifik. Fragmen DNA dengan berbagai ukuran ini lalu diligasikan secara random ke dalam DNA vektor dan dimasukkan ke dalam kultur E coli. Dari sini dipilihlah transforman atau klon (E coli yang mengandung insert fragmen DNA) yang fungsional mengekspresikan enzim target.

Perpaduan fragmentasi DNA total dan kloning secara random sehingga menghasilkan ribuan transforman E coli seperti di atas disebut dengan pustaka metagenom. Metode pustaka metagenom ini telah membuahkan hasil seperti dilakukan oleh beberapa saintis. Tanpa harus susah payah mengisolasi satu spesies lalu mengoptimasi kultivasi isolat yang perlu waktu lama, biaya, dan tenaga yang tidak sedikit, beberapa tim peneliti berhasil menemukan gen-gen baru penyandi enzim yang bermanfaat untuk industri, seperti amilase, agarase, amidase, ataupun selulase.

Contoh lainnya, perusahaan Diersa dengan pustaka metagenom berhasil menemukan enzim lipase jenis baru yang dapat memangkas setengah biaya produksi pembuatan obat penurun kolesterol Lipitor.

Menyusun ribuan “puzzle”

Menemukan satu atau beberapa gen sekaligus enzim aktifnya dengan pustaka metagenom seperti di atas mungkin masih relatif sederhana. Sekali kita menemukan gen sekaligus produknya (enzim) yang fungsional dalam klon E coli, lalu kita sekuensing gen itu, persoalan selesai. Namun, jika kita ingin membaca seluruh gen dari mikroba yang ada dalam satu komunitas tentu jauh lebih ruwet lagi.

Setelah seluruh fragmen DNA dari sample kita dapatkan lalu kita kloning secara random, maka tugas berikutnya adalah membaca susunan DNA dari fragmen insert yang terdapat dalam jutaan klon satu per satu. Metode shotgun kloning seperti ini pula yang dipakai untuk membaca genom manusia yang besarnya 3.000 Mbp itu.

Seluruh sekuens dari fragmen-fragmen DNA itu lalu disusun secara berurutan dengan melihat susunan DNA yang overlap (ini dilakukan oleh komputer). Jadi ibaratnya, seperti menyusun puzzle dari serpihan-serpihan kecil untuk membentuk gambar utuh yang besar. Pada proyek genom manusia, pekerjaan ini relatif lebih mudah karena genom itu hanya berasal dari satu spesies walaupun ukurannya sangat besar.

Pada proses pembacaan metagenom mikroba dari lingkungan, proses tentu menjadi tidak sesederhana itu. Karena, mungkin saja segenggam sampel tanah mengandung ribuan spesies mikroba. Jadi, membaca metagenom sampel ini seperti menyambung serpihan-serpihan untuk menyusun ribuan lembar puzzle yang gambarnya berbeda-beda! Secara simulasi dan perhitungan komputer penyusunan ribuan puzzle ini memungkinkan. Meski demikian, banyak pula saintis yang skeptis.

Seperti menjawab keraguan itu, tim dari Universitas California Berkeley sukses membaca metagenom dari komunitas yang lebih kecil. Mereka berhasil membaca seluruh genom mikroba dari sejumput tanah di daerah pertambangan, 400 meter di bawah pertambangan biji besi Iron Mountain, California, di mana daerah tambang ini mengeluarkan limbah asam beracun yang mencemari sekitarnya. Tim ini mengatakan ada tujuh spesies mikroba (entah itu bakteri atau archaea) yang mendiami lokasi ekstrem mematikan itu. Dua di antaranya telah diketahui genomnya secara lengkap.

Selain metagenom dari lingkungan di luar manusia, metagenom di dalam mikro ekosistem tubuh manusia juga sedang diteliti. Beberapa saintis ada yang memfokuskan penelitian untuk membaca metagenom komunitas bakteri yang ada di saluran pencernaan manusia seperti lambung yang juga berkondisi ekstrem (sangat asam). Dari hasil penelitian saat ini, diketahui bahwa perubahan komunitas bakteri dalam saluran pencernaan akan menyebabkan mulas, diare, atau gangguan pencernaan lainnya. Proyek metagenom bakteri penghuni lambung ataupun usus manusia akan bisa memberikan informasi pola populasi bakteri. Dengan demikian diharapkan dapat diperoleh prediksi waktu kritis seseorang akan jatuh sakit sehingga diagnosa dan pengobatan lebih mudah dilakukan.

Walaupun ada keraguan dari beberapa saintis lain tentang nilai pentingnya pembacaan metagenom, saintis prometagenomik jalan terus. Mereka percaya, sebagai makhluk hidup yang menempati biomassa bumi sebesar enam puluh persen di Planet Bumi ini, mikroba adalah maestro kimia paling genius di planet kita. Mikrobalah yang menjadi sumber antibiotik (dan obat-obatan lainnya), enzim, gen pembunuh serangga yang dimanfaatkan dalam tanaman transgenik, dan sebagainya. Mikroba pula yang memainkan peran penting dalam siklus lingkungan, seperti mengubah gas nitrogen di udara menjadi bentuk yang dapat diserap tanaman, pemasok separuh oksigen Bumi, juga menguraikan toksik dan polutan. Mikroba pulalah yang berperan besar dalam membantu hidup manusia mengelola zat gizi yang dimakannya. Karena itu, proyek metagenom mikroba pasti menjanjikan sesuatu yang istimewa.

Rasanya sudah tak sabar melihat perkembangan sains dan teknologi berikutnya berkat proyek metagenom ini.

Dr Is Helianti MSc Peneliti rekayasa genetik dan enzim pada Pusat Teknologi Bioindustri, BPPT

Advertisements

One Response to “Metagenomik, Era Baru Bioteknologi”

  1. angga said

    terima kasih atas pencerahannya.

    saya boleh minta tolong tidak???
    saya ingin tahu kira kira bagaimana prosedur kerja atau mekanisme proses pembuatan vaksin DNA berbasis bioteknologi.

    terima kasih

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

 
%d bloggers like this: