BERBAGAI CARA PEMINDAHAN GEN KE DALAM ORGANISME

            Bab ini menjelaskan prinsip perpindahan DNA dari satu organisme ke organisme lain secara alamiah yaitu transformasi, konjugasi, transduksi, persilangan dan perpindahan DNA Agrobacterium ke tanaman inang atau terjadinya perpindahan DNA akibat rekayasa yang dilakukan  manusia seperti fusi protoplas, dengan bantuan Agrobacterium, dengan bantuan elektroporasi, dan dengan bantuan mikroprojektil.

Sasaran belajar bab ini adalah: 1) menjelaskan dan menggambarkan transformasi; 2) menjelaskan dan menggambarkan konjugasi; 3) menjelaskan dan menggambarkan transduksi; 4) menjelaskan dan menggambarkan persilangan; 5) menjelaskan dan menggambarkan fusi protoplas; 6) menjelaskan dan menggambarkan perpindahan gen dengan bantuan Agrobacterium sp.; 7) menjelaskan dan menggambarkan perpindahan gen dengan elektroporasi; 8) menjelaskan dan menggambarkan perpindahan gen dengan mikroprojektil. 

6.1.  Transformasi

Transformasi adalah proses perpindahan DNA bebas ke dalam suatu sel penerima (Gambar 6.1).  Di alam proses ini hanya dapat terjadi dengan frequensi yang sangat rendah dan hanya dapat terjadi dari DNA bebas ke bakteri yang kompeten.   Proses ini sekarang digunakan untuk koning DNA dengan cara membuat sel inang yang kompeten yaitu membuat dinding sel dan membrane sel sel inang mudah dimasuki DNA bebas dan membuat sel inang yang tidak memiliki enzim restriksi atau DNase yang akan menghancurkan DNA bebas yang masuk kedalam sel tersebut.     DNA bebas bisa berupa potongan DNA atau plasmid.

6.2.  Konjugasi

Konjugasi adalah proses perpindahan DNA dari bakteri donor ke bakteri penerima melalui tabung yang terbentuk saat kedua bakteri berhubungan (Gambar 6.2).  Di alam proses ini terjadi dengan frequensi yang sangat kecil dan hanya terjadi pada sel yang cocok secara sex.  Proses ini kadang juga disebut sebagai ‘mating’.  Material genetik yang dapat dipindahkan bisa berupa plasmid atau sebagian dari DNA kromosom.

pilus terbentuk dan DNA pindah

6.3.  Transduksi

Transduksi adalah proses perpindahan dan menyatunya DNA asing ke dalam kromosom sel penerima  akibat infeksi virus cacat yaitu virus yang tidak bisa menyebabkan sel inang lisis (Gambar 6.3).  Proses ini terjadi karena virus yang telah menginfeksi suatu sel dan berkembang biak di dalam sel tersebut beberapa partikel virus mengandung DNA dari sel yang diinfeksi.  Jika partikel virus yang mengandung DNA asing ini menginfeksi sel lain,  maka DNA yang terbawa dapat pindah dan terintegrasi pada kromosom sel ini.

6.4. Persilangan

Persilangan adalah proses bersatunya sel gamet jantan (sperma) dengan sel gamet betina (ovum).   Zigot yang dihasilkan akan memiliki kromosom 2n, karena gamet jantan maupun betina mengandung n kromosom (Gambar 6.4.).     Fenotipe organisme hasil per-kembangan zigot sangat tergantung pada gen-gen yang ada.  Suatu karakter dapat di-kendalikan oleh gen tunggal atau beberapa gen.  Contoh karakter yang dikendalikan oleh gen tunggal adalah warna biji, sedangkan contoh karakter yang dikendalikan oleh banyak gen adalah warna kulit manusia.   

Misalkan induk jantan dan betina berbeda pada 2 karakter yang masing-masing dikendalikan oleh sebuah gen tunggal.   Jika alel dominan disimbulkan dengan A dan B sedang alel resesif disimbulkan dengan a dan b; genotipe induk jantan adalah aabb sedangkan genotipe induk betina adalah AaBb maka  genotipe turunan  F1  adalah AaBb, Aabb, aaBb, dan aabb.  fenotipe yang tampak juga akan 4 fenotipe (Tabel 6.1). 

Tabel 6.1.  Genotipe F1 hasil persilangan induk jantan bergenotipe aabb dan induk betina bergenotipe AaBb.

	Gamet betina
	AB	Ab	aB	Ab
Gamet jantan	Genotipe F1
Ab	AaBb	Aabb	aaBb	aabb

6.5.  Fusi protoplas

Fusi protoplas dilakukan karena persilangan konvensional hanya terjadi antar organisme yang sama sekerabat.  Tahapan fusi protoplas adalah: 1) isolasi protoplas, 2) fusi protoplas, penggabungan material genetik, dan 4) menumbuhkan protoplas menjadi organisme sempurna.   Pada bab ini hanya akan dijelaskan dan digambarkan secara singkat fusi protoplas.   

Protoplas adalah sel yang telah dihilangkan dinding selnya.  dinding sel suatu organisme dihilangkan dengan menggunakan beberapa enzim yang dapat melisis component dinding sel agar tidak merusak membrane sel.  Saat perlakuan dengan enzim, kondisi larutan harus sesuai agar protoplas tidak rusak.  Pada kondisi larutan isotonik sel tanpa dinding sel akan tetap hidup sedangkan pada kondisi hipotonik maupun hipertonik protoplas akan mati.   Dua sel protoplas yang berbeda  dapat bersatu menjadi sel baru dengan lebih dari satu inti.  Inti yang lebih dari satu bisa menyatu juga dan terjadilah rekombinasi  antara gen-gen dari kedua genom  (Gambar 6.5.)

Gambar 6.5.  Fusi protoplas Keterangan:  Dua protoplas berdekatan (a); akibat goncangan kedua protoplas saling menempel (b); hilangnya membran sel yang saling bersinggungan (c); kedua sel saling fusi (d); sel dengan dua inti terbentuk (e); kedua inti bergabung sehingga terbentuk protoplas dengan satu inti (f)

6.6.  Perpindahan DNA dengan bantuan Agrobacterium sp.

            Genus Agrobacterium adalah kelompok bakteri gram negative berflagela yang dapat menyebabkan tumor pada beberapa tanaman tertentu.  Dua species yang telah dipelajari dengan baik adalah Agrobacterium tumefaciens penyebab penyakit ‘crown gall’ dan Agrobacterium rhizogenes penyebab penyakit akar rambut.  Pertumbuhan jaringan pada daerah crown gall dan akar rambut mirip dengan pertumbuhan sel tumor.    Sel-sel tersebut akan tetap membelah diri walaupun bakteri Agrobacterium tidak ada didalam sel tersebut.  Jadi bakteri Agrobacterium berfungsi hanya menginduksi terjadinya pertumbuh-an jaringan seperti tumor sedangkan keberadAan bakteri tersebut tidak diperlukan lagi se-telah tumor terjadi.  Pengamatan yang detail mendapatkan bahwa Agrobacterium yang bisa menyebabkan penyakit memiliki plasmid yang disebut ‘tumor inducing plasmid’ (Ti-Plasmid) atau ‘root hair inducing plasmid’ (Ri-plasmid).  Setelah bakteri menginfeksi sel tanaman,  bakteri tersebut mentransfer sebagian DNA bagian dari plasmidnya (disebut T-DNA) kepada sel tanaman, selanjutnya T-DNA terintegrasi pada kromosom sel tanaman (Gambar 6.6).   T-DNA mengandung  informasi genetik untuk pembentukan tumor (oncogenes) dan beberapa modifikasi asam amino  yang disebut senyawa opines (opine synthesis genes) yang diperlukan oleh bakteri Agrobacterium sebagai sumber carbon dan nitrogen (Gambar 6.7). 

Gambar 6.7.  Ti-plamid

Kemampuan bakteri Agrobacterium untuk mentransfer T-DNA kedalam sel tanaman dan T-DNA tersebut terintegrasi pada kromosom tanaman, saat ini digunakan sebagai alat untuk memasukkan dan mengintegrasikan gen yang diinginkan manusia untuk terekspresi di tanaman. Hal ini dimungkinkan dengan memodifikasi T-DNA Agrobacterium  sehingga sel  tanaman yang terinfeksi tidak menjadi sel tumor yaitu dengan menghilangkan oncogenes  dan menambahkan gen yang dikehendaki pada T-DNA (Gambar 6.8a.)  atau menambahkan plasmid yang mengandung gen yang dikehendaki ke dalam sel Agrobacterium yang telah dimodifikasi Ti-plasmidnya (Gambar 6.8b.).  Kelemahan utama transfer gen dengan bantuan Agrobacterium adalah  keterbatasan tanaman yang dapat diinfeksi oleh  Agrobacterium.   Hanya beberapa tanaman dikotil yang secara alami dapat diinfeksi oleh bakteri ini. 

6.7.  Elektroporasi

Elektroporasi adalah metode transfer gen menggunakan suatu alat yang menghasilkan kejutan listrik sangat kuat untuk melubangi sementara protoplas yang ada dalam tabung elektroporasi.    Saat protoplas berlubang DNA bebas yang ada disekitarnya masuk dan terintegrasi pada kromosom protoplas (Gambar 6.9.). 

Beberapa istilah lain yang sama adalah elektroinjeksi, elektroinfeksi dan elektrotransfeksi.  Keberhasilan transfer gen dengan elektroporasi cukup baik yaitu mendekati 1 persen dari sel protoplas yang hidup.  Hanya ada satu kendala utama yaitu menumbuhkan protoplas menjadi sel atau organisme sempurna.

6.8.  Mikroprojektil

Metode transfer gen dengan mikroprojektil yang  sering juga disebut dengan bombardemen atau shotgun adalah suatu metode transfen gen menggunakan bantuan suatu alat yang dapat menghasilkan tekanan yang kuat untuk melontarkan partikel-partikel ultra-mikro yang telah dilapisi gen yang akan ditransfer pada sel-sel suatu organisme (Gambar 6.10.).

Keunggulan metode ini dibandingkan dengan elektroporasi adalah digunakannya sel utuh atau jaringan tanpa perlu dihilangkan dinding selnya, sehingga lebih mudah menumbuhkan sel tersebut menjadi organisme sempurna.   Keunggulan metode ini dibandingkan dengan metode transfer gen dengan bantuan Agrobacterium adalah tidak ada kendala jenis sel yang digunakan.  Metode ini dapat digunakan untuk mentrasfer gen pada sel tanaman dikotil maupun monokotil.

6.9.  Ringkasan

DNA dapat pindah dari satu sel ke sel lain yang sesuai secara alami dengan cara transformasi, konjugasi, transduksi, persilangan atau akibat infeksi Agrobacterium.  Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan ilmuwan dapat memindahkan DNA dari satu sel  ke sel lain dengan berbagai metode seperti fusi protoplas, elektroporasi, mikro-projektil maupun dengan bantuan Agrobacterium yang sudah dimodifikasi.   Semua ini dilakukan untuk memperoleh organisme dengan karakter yang diinginkan.

6.10.  Daftar acuan

Alberts, B., D. Bray, J. Lewis,  M. Raff, K Roberts, and J. D. Watson.  1989.  Molecular Biology of the Cell (2^nd Ed.).  Garland Pub. Inc., New York.

Bhojwani, S. S., and M. K. Razdan. 1996.  Plant Tissue Culture: Theory and Practice, a Revised Edition.  Elsevier, Amsterdam.

 Brock, T. D. and M. T. Madigan.  1991.  Biology of Microorganisms (6^th Ed.).  Prentice-Hall Inc, Englewood Cliffs. New Jersey.

Murray, D. R. (Ed.).  1991.  Advanced Methods in Plant Breeding and Biotechnology.  CAB,  Wallingford, Oxon, UK

Suzuki, D. T.,  A. J. F. Griffiths, J. H. Miller, and R. C. Lewontin.   1986.  An Introduction to Genetic Analysis.  (3^rd Ed.).  Freeman and Co. New York.