BAB I Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Bioteknologi adalah teknologi pemanfaat mikroba atau produk mikroba yang bertujuan menghasikan bahan atau jasa tertentu. Secara istilah bioteknologi terdiri dari bio (hidup), teknos (penerapan), dan logos (ilmu), dapat didefinisikan ilmu yang menerapkan prinsip – prinsip biologi. Bioteknologi adalah teknologi yang berbasis pada organisme hidup, bioteknologi merupakan usaha terpadu dari berbagai disiplin ilmu seperti biokimia, mikrobiologi, teknik kimia, dan genetika, yang kemudian mengkristal menjadi suatu disiplin ilmu yang baru, dan Bioteknologi Farmasi adalah teknologi yang berbasis organisme hidup menghasilkan produk – produk farmasi dalam jumlah besar yang sangat diperlukan dalam dunia kedokteran Salah satu bidang dalam Ilmu Bioteknologi adalah Proteomik dan Genomik. Dalam makalah ini akan dibahas mengenai pengertian proteomic dan genomic, pemisahan protei, analisis protein, interaksi protein, perkembangan proteomic dan genomic serta aplikasi Proteomik dan Genomik dalam bidang farmasi. 1.2 Tujuan Untuk Mengetahui Pengertian dari Proteomik dan Genomik 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB I
Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
Bioteknologi adalah teknologi pemanfaat mikroba atau produk mikroba yang bertujuan
menghasikan bahan atau jasa tertentu. Secara istilah bioteknologi terdiri dari bio (hidup), teknos
(penerapan), dan logos (ilmu), dapat didefinisikan ilmu yang menerapkan prinsip – prinsip
biologi.
Bioteknologi adalah teknologi yang berbasis pada organisme hidup, bioteknologi
merupakan usaha terpadu dari berbagai disiplin ilmu seperti biokimia, mikrobiologi, teknik
kimia, dan genetika, yang kemudian mengkristal menjadi suatu disiplin ilmu yang baru, dan
Bioteknologi Farmasi adalah teknologi yang berbasis organisme hidup menghasilkan produk –
produk farmasi dalam jumlah besar yang sangat diperlukan dalam dunia kedokteran
Salah satu bidang dalam Ilmu Bioteknologi adalah Proteomik dan Genomik. Dalam
makalah ini akan dibahas mengenai pengertian proteomic dan genomic, pemisahan protei,
analisis protein, interaksi protein, perkembangan proteomic dan genomic serta aplikasi
Proteomik dan Genomik dalam bidang farmasi.
1.2 Tujuan
Untuk Mengetahui Pengertian dari Proteomik dan Genomik
Untuk Mengetahui Manfaat Proteomik dan Genomik dalam bidang Farmasi
1.3 Manfaat
Makalah ini diharapkan mampu menambah wawasan mahasiswa Farmasi UIN Sarif
Hidayatullah Jakarta dalam ilmu Bioteknologi khususnya dalam bidang Proteomik dan Genomik
serta pemanfaatannya dalam bidang Farmasi.
1
BAB II
ISI
2.1 Proteomik
Proteomik adalah studi skala besar protein, khususnya struktur dan fungsi. Protein adalah
bagian penting dari organisme hidup, karena mereka adalah komponen utama dari jalur
metabolisme fisiologis sel. Istilah "proteomik" pertama kali diciptakan pada tahun 1997 untuk
membuat analogi dengan genomik, penelitian gen. Kata "proteome" adalah campuran dari
"protein" dan "genom", dan diciptakan oleh Marc Wilkins pada tahun 1994 ketika bekerja pada
konsep sebagai mahasiswa PhD.
Proteome adalah komplemen seluruh protein, Sekarang diketahui bahwa mRNA tidak selalu
diterjemahkan menjadi protein, dan jumlah protein yang dihasilkan untuk suatu jumlah tertentu
tergantung pada mRNA gen itu ditranskripsi dari dan pada keadaan fisiologis saat ini sel.
Proteomika menegaskan kehadiran protein dan menyediakan ukuran langsung dari jumlah ini.
Para ilmuwan sangat tertarik di proteomik karena memberikan pemahaman yang lebih baik dari
suatu organisme dari genomik. Pertama, tingkat transkripsi gen hanya memberikan perkiraan
kasar dari tingkat ekspresi menjadi protein.
2.1.1 Pemisahan Protein
Alat pemisahan yang baik terdiri dari dua dimensi gel elektroforesis, yang diciptakan
pada tahun 1970. Sehebat-hebatnya teknik yang ada, tidak akan dapat memisahkan semua
puluhan ribu protein dalam proteome manusia. Rata-rata gel 2-D dapat memisahkan hanya
sekitar 2000 protein sedangkan menggunakan gel yang terbaik hanya bisa memisahkan
sekitar 11000 protein. Masalah ini diperparah oleh kenyataan bahwa kinerja 2-D
elektroforesis tidak dapat diprediksi. Masalah lainnya membran protein terlalu hidrofobik
untuk larut dalam buffer yang digunakan dalam 2D elektroforesis, sehingga tidak bisa
dilihat sama sekali. Akhirnya, banyak protein dalam jumlah kecil seperti dalam sel tidak
dapat dideteksi oleh gel 2-D. Sebagian besar masalah ini sulit dipecahkan namun ilmuwan
telah berusaha menangani masalah resolusi gel 2D dengan menganalisis kompartemen
2
selular yang berbeda secara terpisah misalnya mereka dapat memulai dengan inti atau
bahkan subcompartment seperti nucleolus atau perakitan protein seperti kompleks pori
nuklir. Penelitian proteomic saat ini mengharuskan protein untuk dipisahkan dalam skala
besar. Alat terbaik yang tersedia untuk pemisahan protein adalah 2-D elektroforesis.
2.1.2 Analisis Protein
Setelah protein dipisahkan dan dihitung, bagaimana mereka dianalisis? protein harus
diidentifikasi dan metode terbaik yang tersedia sekarang ini seperti: setiap lokasi yang
dipotong dari gel dan dibelah menjadi peptida dengan bantuan enzim proteolitik. Peptida ini
kemudian dapat diidentifikasi dengan spektrometri massa.
Gambar diatas menggambarkan teknik yang popular dikenal dengan matrixassisted
laser yang waktu desorpsi-ionisasi rumit dari time of flight (MALDI-TOF) sistem
spektrometri massa. Dalam prosedur ini peptida ditempatkan pada matriks, yang
menyebabkan peptida membentuk cystals. maka peptida pada matriks terionisasi dengan
sinar laser dan peningkatan tegangan pada matriks digunakan untuk menembak ion menuju
detektor. dengan asumsi semua ion hanya memiliki satu biaya, waktu untuk membuat ion
mencapai detektor tergantung pada massanya. Massa yg tinggi, semakin lama waktu time of
flight dari ion. Dalam spektrometer massa MALDI-TOF, ion-ion juga dapat dibelokkan
dengan reflektor elektrostatik yang juga memfokuskan sinar ion. sehingga kita dapat
menentukan massa dari ion untuk mencapai detektor kedua dengan presisi yang tinggi dan
3
massa ini dapat mengungkapkan komposisi kimia yang tepat dari peptida. jika seluruh
urutan genom diketahui, kita tahu apa yang dibutuhkan protein, komputer dapat
memberikan informasi dari spektrometer massa untuk mencocokkan setiap tempat di gel 2D
dengan salah satu gen dalam genom, oleh karena itu dapat memprediksi urutan seluruh
protein. Namun dengan mengetahui urutan protein tidak selalu memberi informasi tentang
aktivitas protein, sehingga penelitian lebih lanjut akan diperlukan untuk menentukan
aktivitas pada protein.
2.1.3 Interaksi Protein
Kebanyakan protein bekerja dengan protein lain untuk menghasilkan suatu fungsi
biologis, misalnya pada jalur transduksi sinyal. Banyak protein lain dari kompleks
multiprotein besar berperan pada tugas spesifik, misal :
Ribosom à sintesis protein
Proteasom à degradasi protein
Beberapa teknik yang digunakan untuk analisa interaksi protein :
Analisis dua hibrid ragi
Merupakan analisa tidak langsung menggunakan aktifasi gen reporter untuk
mwngamati interaksi antara dua bagian aktifator transkripsi kimerik, namun
teknik ini sering gagal untuk mendeteksi interaksi yang diketahui.
Protein microarrays
Protein microarrays dibuat dengan protin yang ditotolkan pada dua sisi
berdampingan dan diperiksa dengan antibody α-GST (baris 1 dan 3)
Antibody α-GST dideteksi dengan fluoresens untuk menghasilkan titik merah.
Intensitas fluoresens merah mengindikasikan jumlah protein di tiap titik.
4
Pada pemeriksaan baris ke 2 dan 4 dipasangkan dengan biotin yang dideteksi
dengan streptavidin untuk tandas fluoresens hijau.
Hasilnya kalmodulin, protein yang terlibat pada banyak proses yang
membutuhkan kalsium dan Liposom.
Kromatografi imunoafinitas diikuti spektrometri massa
Langkah-langkahnya :
Memilih protein umpan yang mampu berinteraksi dengan protein yang lain.
Protein umpan mewakili beberapa kelas yang berbeda, yakni protein kinase,
protein fosfatase, dan protein yang berpartisipasi pada respon kerusakan
DNA.
Pemurnian kompleks protein yang mengandung protein umpan dari ekstrak
sel menggunakan kromatografi imunoaktifitas.
Pemisahan protein di dalam kompleks menggunakan SDS-PAGE
Identifikasi protein. Protein dipotong dari gel dan dicerna dengan tripsin,
peptida yang dihasilkan dianalisis dengan spektrometri massa.
5
Gambar 1. Skema Kromatografi Imunoafinitas
2.2 Genomik
Tubuh kita terdiri dari sekitar seratus, juta, juta sel (100.000.000.000.000). Masing-masing
sel memiliki satu set lengkap instruksi tentang bagaimana membuat sel-sel kita, komponen dan
komponen milik komponen mereka. Instruksi ini disebut genom. Masing-masing dari
kitamemiliki dua genom. Kita mendapatkan satu salinan genom dari masing-masing orang tua
kita. Sebuah sel sperma (dari ayah) hanya memiliki satu salinan genom dan sel telur (dari ibu)
juga hanya memiliki hanya satu salinan. Genom di setiap sperma atau sel telur adalah campuran
dari genom ayah atau ibu. Pada saat pembuahan, sel sperma dan sel telur bergabung bersama
untuk membuat sel yang berisi dua genom. Telur yang telah dibuahi kemudian memiliki satu set
lengkap instruksi untuk membuat manusia baru.
Studi tentang seluruh genome dari suatu organisme. Genome sendiri adalah keseluruhan
informasi bahan genetik atau material yang diwariskan dari tetuanya kepada keturunannya yang
ada pada suatu organism disebut Genomik. Genom kita terbuat dari bahan kimia yang disebut
6
DNA. Surat-surat DNA berdiri untuk asam deoksiribonukleat tapi itu tidak benar-benar penting.
Yang penting adalah bentuk unik dari DNA. DNA berbentuk seperti tangga memutar.
Bayangkan sebuah tangga yang terbuat dari karet. Jika Anda memegang bagian bawah tangga
dengan tegas dan memutar tutupnya, bentuk yang akan Anda ciptakan adalah bentuk yang sama
dengan DNA yang Anda miliki. Peneliti menyebut bentuk ini 'double helix'. DNA ditemukan
pada tahun 1869 oleh Johann Friedrich Miescher, seorang ahli Biokimia dari Swiss yang bekerja
di Tübingen, Germany. Miescher pertama kali mengekstrak dari sel-sel darah putih dan
memperoleh campuran antara DNA dan protein-protein kromosom. Ekstrak berikutnya yang
diperoleh adalah asam nukleat murni dari sperma ikan salmon. Uji kimiawi DNA tersebut
menunjukkan bahwa DNA yang ditemukan Miescher bersifat asam dan banyak mengandung
fosfor.
2.2.1 Materi Genetik (DNA dan RNA)
Asam Nukleat
Adalah polimer nukleotida yang berperanan dalam penyimpanan serta pemindahan
informasi genetik . Satu unit monomer terdiri dari ketiga komponen dinamakan nukleotida
terdiri atas tiga bagian yaitu :
1. Basa nitrogen : cincin purin atau pirimidin
Yaitu basa nitrogen yang terikat pada atom C no 1 suatu molekul gula (ribosa atau
deoksiribosa) melalui ikatan N-glikosidik. Ada dua macam basa nitrogen yang
menyusun asam nukleat yaitu:
Basa purin terdiri dari adenin (A) dan guanine (G)
Basa pirimidin terdiri dari Thymine (T), cytosine (C ) dan Uracil (U).
2. Molekul gula dengan 5 atom C (pentosa)
Basa DNA gulanya adalah gula pentosa yaitu 2-deoksirobosa dan pada RNA
gulanya adalah ribosa. Perbedaan anatar kedua bentuk gula tersebut yaitu panda atom
7
C no 2.Pada DNA atom C no 2 berikatan dengan atom H, sedangkan panda RNA
atom C no 2 berikatan dengan OH.
3. Gugus fosfat
Dua gugus gula terhubung dengan fosfat melalui ikatan fosfodiester antara atom
karbon ketiga pada cincin satu gula dan atom karbon kelima pada gula lainnya. .
Gugus fosfat inilah yang menyebabkan asam nukleat bermuatan negatif kuat.
Tiga tahun sebelum Miescher menemukan DNA, Gregor Mendel telah
mempublikasikan hasil percobaan perkawinan kacang ercis dan menghipotesiskan bahwa
pewarisan genetik dikendalikan oleh unit factors, materi yang oleh para ahli genetika
sekarang disebut gen.
Gen adalah unit molekul DNA atau RNA dengan panjang minimum tertentu yang
membawa informasi mengenai urutan asam amino yang lengkap suatu protein, atau yang
menentukan struktur lengkap suatu molekul rRNA (RNA ribosom) atau tRNA (transfer
RNA). Secara keseluruhan kumpulan gen-gen yang terdapat di dalam setiap sel individu
organisme disebut sebagai genom. Dengan perkataan lain, genom suatu organisme adalah
kumpulan semua gen yang dimiliki oleh organisme tersebut pada setiap selny.
8
Semua makhluk hidup memiliki DNA, dikemas ke dalam sel mereka. Dalam
organisme kecil seperti bakteri, DNA melingkar ke dalam bungkusan kecil yang melingkar.
Pada tumbuhan dan hewan, DNA erat dikemas ke dalam bundel, melilit rangka protein. Jika
kita melihat DNA di bawah mikroskop, kadang-kadang kita bisa melihat bundel protein ini
dan DNA, yang disebut kromosom. Jumlah DNA dan jumlah kromosom dalam sel
organisme tergantung pada spesies asalnya. Manusia memiliki 46 kromosom (23 pasang),
tetapi ikan mas memiliki 104 kromosom (52 pasang), sedangkan kacang kedelai memiliki
12 kromosom (6 pasang).
Tabel. Jumlah kromosom pada genom beberapa spesies organisme eukariot :
Spesies organisme Jumlah kromosom haploid (n)
Eukariot sederhana
Saccharomyces cerevisiae 16
Neurospora crassa 7
Chlamydomonas reinhardtii 17
Tumbuhan
Zea mays 10
Triticum aestivum 21
Lycopersicon esculentum 12
Vicia faba 6
Sequoia sempivirens 11
Arabidopsis thaliana 5
Hewan avertebrata
Drosophila melanogaster 4
Anopheles culicifacies 3
Asterias forbesi 18
Caenorhabditis elegans 6
Mytilus edulis 14
9
Vertebrate
Esox lucius 25
Xenopus laevis 17
Gallus domesticus 39
Mus musculus 20
Felis domesticus 36
Pan tryglodites 24
Homo sapiens 23
2.2.2 Genom Manusia
Genom manusia meliputi genom kromosom (informasi genetik yang terdapat di
dalam inti sel) dan genom mitokondrial (informasi genetik yang ada di luar inti sel atau
berada di sitoplasma).
2.2.3 Genom Inti
Istilah genom inti (nuclear genome) pada eukariota mengacu pada informasi genetik
berupa kromosom, di dalam inti sel. Genom inti pada manusia terdiri dari 3.200.000.000
nukleotida dari DNA. Genom inti tersusun dari 24 kromosom yang terdiri dari 22 autosom
dan 2 kromosom sex yaitu X dan Y
10
2.2.4 Genom Mitokondria
Genom mitokondria merupakan molekul DNA yang berbentuk sirkuler tertutup dan
berada pada matriks mitokondria (organel yang memproduksi energi). Genom mitokondria
berukuran 16.569 pasang basa dan ukurannya lebih kecil daripada genom inti (lihat gambar)
Genom mitokondria
(mtDNA) terkemas lebih tertutup daripada genom inti, kecil dan kompak, serta tidak
mempunyai intron. Genom mitokondria mempunyai 37 gen. Tiga belas (13) gen mengkode
protein dalam respirasi kompleks, komponen biokimia penting dari mitokondria penghasil
energi. Dua puluh empat (24) gen yang lain mengkode molekul RNA non-coding (22 tRNA
dan 2 rRNA) yang dibutuhkan dalam ekspresi genom mitokondria.
2.2.5 Organisasi Genom Mitokondria
Sebagian besar eukariot mempunyai genom mitokondria. Genom manusia bervariasi
ukurannya dan kompleks, tidak bergantung kekompleksitasan organismenya. Semua organel
genom merupakan molekul DNA sirkuler. Setiap genom mitokondria manusia berisi sekitar
10 molekul yang serupa, ada 8000 per sel dan tidak mempunyai intron. Genom mitokondria
berisi gen pengkode rRNA non-coding dan beberapa komponen protein rantai respirasi,
11
yang merupakan biokimia penting mitokondria.Genom yang lain juga mengkode tRNA,
protein ribosomal, dan protein yang terlibat dalam transkripsi, translasi dan transport protein
lain ke dalam mitokondria dari sitoplasma.
2.2.6 Kode DNA
Protein adalah blok bangunan untuk sebagian besar tubuh Anda. Dengan cara yang
sama bahwa dinding yang sebagian besar terbuat dari batu bata, tubuh Anda sebagian besar
terbuat dari protein. Kita berbicara tentang gen yang memiliki karakteristik yang berbeda.
Misalnya, jika Anda mendengar tentang 'gen untuk warna mata', itu berarti bahwa gen kode
untuk pigmen protein dalam iris masing-masing mata kita. Gen bisa datang dalam versi
yang berbeda. Beberapa orang versi kode untuk protein yang membuat mata mereka terlihat
biru sedangkan versi orang lain membuat protein yang membuat mata mereka tampak
coklat. Penyusun protein adalah asam amino. Untuk membangun protein kita perlu
membangun rantai panjang asam amino. Ada 20 jenis asam amino, sehingga ada banyak
rantai protein yang berbeda yang bias kita bangun. Ahli biologi memberikan asam amino
kode huruf, seperti untuk DNA. Ini jauh lebih mudah daripada menuliskan seluruh nama
setiap waktu. Sebagai contoh, M adalah metionin, L adalah leusin, F adalah fenilalanin
(karena P adalah prolin). Kode DNA menggunakan kelompok tiga 'huruf' untuk membuat
makna. Ini berarti bahwa ketika sel membaca instruksi dikodekan dalam urutan DNA untuk
membuat protein, sel membacanya tiga huruf pada suatu waktu. Sebagian kelompok tiga
huruf - yang dikenal sebagai triplet atau kodon - kode untuk asam amino.
Karena ada
empat huruf DNA yang berbeda (A, G, C dan T), ada 4 x 4 x 4 = 64 kombinasi yang
12
berbeda yang dapat digunakan. Namun, karena hanya ada 20 jenis asam amino,
beberapadari 64 kodon ini mengkode asam amino yang sama. Beberapa dari 64 kodon ini
tidak mengkode untuk salah satu asam amino. Sebaliknya mereka memberikan tanda baca
dan tata bahasa, seperti di mana sel harus memulai dan berhenti membaca urutan.
2.3 Perkembangan Proteomik dan Genomik
Sejak awal abad ke-21, dunia kedokteran telah mengalami banyak revolusi, khususnya pada
aspek epidemiologi molekular. Salah satu penemuan yang menjadi tonggak kemajuan ilmu
medis adalah genomik. Genomik merupakan salah satu teknik biologi molekular yang
dikembangkan dari teori ekspresi, regulasi, dan struktur gen dalam tubuh manusia.
Awal genomika dimulai tahun 1977 dengan penelitian sekuensing DNA pertama kali oleh
Fred Sanger, Walter Gilbert, dan Allan Maxamyang bekerja secara terpisah. Tim Sanger berhasil
melakukan sekuensing seluruh genom Bakteriofag Φ-X174.
Kemudian penelitian genomika berlanjut di tahun - tahun berikutnya dengan penelitian
diantaranya tahun 1983 Perbanyakan (amplifikasi) DNA dapat dilakukan dengan mudah setelah
Kary Banks Mullis menemukan Reaksi Berantai Polymerase (PCR); Tahun 1985 Alec Jeffreys
menemukan teknik sidik jari genetik; Tahun 1989 Sekuensing pertama kali terhadap gen manusia
pengkode protein CFTR penyebab cystic fibrosis; Tahun 1989 Peletakan landasan statistika yang
kuat bagi analisis lokus sifat kuantitatif (analisis QTL) ; Tahun 1995 Sekuensing genom
Haemophilus influenzae, yang menjadi sekuensing genom pertama terhadap organisme yang
hidup bebas; Tahun 1996 Sekuensing pertama terhadap eukariota: khamir Saccharomyces
cerevisiae; Tahun 1998 Hasil sekuensing pertama terhadap eukariota multiselular, nematoda
Caenorhabditis elegans, diumumkan; Tahun 2001 Draf awal urutan genom manusia dirilis
bersamaan dengan mulainya Human Genome Project; Tahun 2003 Proyek Genom Manusia
(Human Genome Project) menyelesaikan 99% pekerjaannya pada tanggal (14 April) dengan
akurasi 99.99% [1]
Seiring berjalannya waktu, genomik dirasa masih kurang mampu menjawab proses
kompleks dalam tubuh manusia yang terdiri atas kurang lebih 100.000 gen. Setiap gen dapat