Inovasi Teknologi di Balik Proyek Pembacaan Genom

Oleh : Is Helianti Gegap gempita proyek genom manusia mencapai puncaknya pada bulan April 2003 lalu. Selesainya proyek ini menjadi salah satu tonggak sejarah kemajuan bioteknologi & diperkirakan akan menimbulkan revolusi di bidang pengobatan & kesehatan manusia. Pengobatan sistem pesan secara genetis akan melonjak dgn pesat. Penemuan vaksin & disain obat-obatan akan semakin mudah & cepat. Royalti yg didapatkan karena paten juga tentu menggiurkan.

Akan tetapi, ketika cikal bakal proyek genom manusia dimulai tahun 1980-an, para ilmuwan sendiri tidak mengira bahwa mereka akan bisa menyaksikan puncak karya mereka pada tahun 2003 lalu. Ini dikarenakan pada awal-awalnya proyek pembacaan genom manusia bergerak sangat lambat.

1. Sejarah Proyek Genom

Pada tahun 1977, dimulailah pemetaan gen dari genom manusia, yg berhasil memetakan 3 gen manusia. Jika menggunakan metode yg dipakai pada disaat itu, maka buat menyelesaikan proyek genom manusia yg diketahui berukuran 3000 mega base pair akan memakan waktu 3 sampai 4 juta tahun.

Sepuluh tahun kemudian, para ilmuwan berhasil memetakan 12 gen manusia. Mulai tahun 1987 inilah dunia internasional, Amerika khususnya, secara besar-besaran menginvestasikan 200 juta US dolar ( 2 trilyun rupiah) setiap tahun selama 20 tahun buat proyek ini. Dgn investasi raksasa ini, pada tahun 1997, telah dipetakan sekitar 30.000 gen manusia. Berdasarkan perkiraan disaat itu, proyek genom tersebut baru akan dapat diselesaikan sekitar tahun 2047. Akan tetapi, ternyata pada tahun 2001, proyek genom manusia telah mendekati tahap penyelesaian, sehingga Presiden Clinton waktu itu merasa perlu mengumumkannya kepada masyarakat dunia. Proyek ini 100% selesai pada tahun 2003 lalu. Suatu kemajuan yg fantastik.

Sebenarnya, jauh sebelum genom manusia lengkap terbaca, pada tahun 1977 Sanger & koleganya berhasil membaca genom bakteriofage (virus yg menginfeksi bakteri) PhiX174 yg besarnya 5 kilo bp. Delapan belas tahun setelah itu, genom bakteri patogen Haemophilus influenza juga telah berhasil dibaca. Pembacaan genom DNA yg berukuran 1800 kilo base pair ini menandai dimulainya proyek genom mikroba, yg publikasinya banyak tertutupi oleh proyek genom manusia.

Dimulailah babak sejarah baru ilmu mikrobiologi, yaitu era post microbial genomics. Para ilmuwan dimungkinkan buat menganalisa gen-gen yg sesuai dgn tujuan penelitian. Kalangan industri mempergunakan data tersebut buat pencarian biokatalis baru atau disain obat seperti antibiotik & inhibitor. Paradigma molekular biologist bahwa identifikasi satu gen & fungsinya buat satu disertasi mahasiswa doktoral yg dianut selama ini akan menjadi minoritas.

Jay M. Short, direktur PT Diversa, suatu perusahaan yg bergerak dalam bidang kajian mikrobial genomik & komersialisasinya di US mengatakan bahwa, pasca genom manusia, mikroba akan menjadi frontier genomik berikutnya. & memang, ungkapannya tidak berlebihan.

Sampai sekarang, sejak pembacaan genom lengkap dari patogen Haemophilus influenzae pertama kalinya tahun 1995, selama hampir 9 tahun ini terdapat pelonjakan yg drastis. Lebih dari 200 species bakteri & archaea (tidak termasuk virus) yg komplit dibaca & dipublikasikan. Ini belum termasuk sekitar 1000-an genom mikroba yg dibaca oleh perusahaan industri atau komersial yg hasilnya tentu tidak akan menjadi domain publik.

2. Inovasi Teknologi & Investasi

Mengapa genom manusia bisa selesai dibaca jauh lebih cepat dari yg diperkirakan? Mengapa jumlah genom mikroba yg terbaca melonjak sangat pesat?

Perihal ini disebabkan tidak lain, seperti telah disebutkan di atas, oleh investasi besar-besaran dalam inovasi teknologi khususnya percepatan sekuensing. Mari kita urutkan dgn melihat sejarah penemuan sain & inovasi teknologi yg mendukung proyek genom makhluk hidup.

Inovasi teknologi yg menjadi landasan sejarah proyek genom makhluk hidup adalah penemuan metode sekuensing oleh Sanger. Tahun 1977, Frederick Sanger mempublikasikan dalam jurnal ilmiah Nature bahwa dia berhasil membaca　sekitar 5000 base pair genom DNA bakteriofage phiX174 [1].

Buat prestasi yg luar biasa itu dia berhak mendapat Nobel di bidang biokimia. Dapat dikatakan, jerih payah Sanger & koleganya pada waktu itu sangat tak terbayangkan dalam kondisi era post genomic sekarang.

Metode Sanger waktu itu adalah, menjadikan utas tunggal DNA virus sebagai template buat proses polimerisasi utas tunggal DNA pasangannya. Campuran reaksi buat reaksi polimerisasi DNA dibagi menjadi 4 tabung reaksi. Setiap tabung mengandung DNA polimerase, campuran dinukleotida dari 4 jenis basa (dATP, dCTP, dGTP, & dTTP), & salah satunya (misalnya dGTP) dilabeli dgn fosfor radioaktif (32P) isotop, beserta dalam jumlah sedikit masing-masing satu jenis dideoksinukleotida (ddATP, ddCTP, ddGTP, atau ddTTP) sebagai substrat. Dideoksinukleotida ini struktur molekulnya mirip dgn dinukleotida, hanya tak punya gugus OH buat mengikat substrat berikutnya.

Enzim DNA polymerase akan mengkatalis reaksi polimerasi, tapi reaksi akan terhenti jika substrat yg terikat adalah dideoksinukleotida. Sehingga akan terbentuklah fragmen-fragmen yg panjangnya berbeda yg diakhiri dgn ddATP, ddCTP, ddGTP, & ddTTP di masing-masing tabung reaksi. Fragmen-fragmen yg terbentuk ini diseparasi menurut sizenya dgn elektroforesis pada papan gel. Dgn menggunakan autoradiografi buat deteksi radioaktivitas & visualisasi letak fragmen maka akan didapat susunan basa DNA milik pasangan (complementary) dari utas tunggal template DNA.

Dgn metode yg juga disebut dgn metode chain termination ini, disaat itu, satu orang peneliti mengerjakan secara manual dgn resiko terpapar radiasi isotop, hanya mampu membaca 1000 base pair DNA selama satu tahun!

Dalam perkembangan selanjutnya, ilmuwan mulai melakukan otomatisasi
metode Sanger, sehingga sekuensing tidak lagi dilakukan secara manual, & dapat lebih cepat. Lalu berturut-turut ditemukan metode elektroforesis dgn menggunakan pipa rambut (kapiler), yg memungkinkan memisahkan fragmen-fragmen DNA secara lebih rapat namun jelas, & lebih cepat daripada menggunakan papan gel.

Ide elektroforesis secara kapiler lalu diadaptasi oleh perusahaan Molecular Dynamics & Applied Biosystem buat membuat DNA analyzer kapiler. Metode Sanger yg menggunakan radioisotop yg berbahaya buat koktail reaksi sekuensing lambat laun dimodifikasi dgn metode yg memakai substrat dideoksinukleotida yg diberi label fluorescence yg berbeda-beda.

Intensitas fluorescense dapat dideteksi dgn fluorometer yg berintegrasi dgn elektroforesis kapiler. Pada alat ini juga digabungkan komputer buat menganalisa data hasil sekuensing pipa kapiler. Mulai tahun 1998, produk DNA analyzer kapiler dari Applied Biosystem & Molecular Dynamics menguasai pasar dunia.

Dalam banyak proyek pembacaan genom, pembuatan reaksi koktail buat sekuensing, pengumpulan data hasil elektroforesis, & sebagainya dilakukan oleh robot-robot yg dikontrol komputer. Bahkan laboratorium institusi penelitian yg mengerjakan proyek genom manusia adalah laboratorium yg sepi dari orang, karena berisi mesin-mesin ekstraksi DNA & DNA analizer yg hampir kesemuanya digerakkan oleh robot.

Kombinasi dari inovasi teknologi sekuensing, elektroforesis dgn cara kapiler, robotisasi, & otomatisasi inilah yg mempercepat proses sekuensing. Sebagai perbandingan di era post genomic ini, satu laboratorium standard yg mempunyai mesin pembaca DNA (DNA analyzer produk Apllied Biosystem edisi 3730 misalnya) dapat mebaca sekitar 748,800 bp per hari. Dgn asumsi, mesin DNA analyzer standard mempunyai 48 pipa kapiler buat 48 sampel, satu kali running bisa membaca 650 bp dalam waktu satu jam, sehingga didapat 48 dikalikan 650 dikalikan 24.

Jadi, hanya dalam masa hampir tiga dekade terjadi percepatan hampir 300.000 kali. Prestasi dari penerapan inovasi teknologi yg luar biasa. Mungkin beberapa tahun ke depan kita akan mendengar bahwa seluruh genom manusia dari satu sel dapat dibaca hanya dgn bilangan jam!

3. Sumbangan Sains Dasar & Teknologi DNA Rekombinan

Inovasi teknologi percepatan sekuensing tidaklah maju sendirian. Inovasi ini tidak akan ada artinya tanpa teknologi DNA rekombinan yg dapat membuat klon-klon yg berisi pecahan atau fragmen genom DNA dari organisme yg akan dibaca genomnya. Karena itu, sumbangan teknologi DNA rekombinan pada proyek genom makhluk hidup adalah mutlak, & makin membukakan kita tentang betapa pentingnya SDM peneliti di negara kita buat menguasai teknologi ini.

Namun, teknologi DNA rekombinan juga tak akan pernah ada, seandainya misteri struktur DNA tidak dipecahkan oleh Watson & Crick. Mereka berhasil menemukan model struktur DNA yg memang sudah diduga sebagai sumber informasi genetik makhluk hidup yg dapat diwariskan (1953) [2]. Struktur double helix dgn basa yg berpasangan dapat menjelaskan dgn akurat fenomena pewarisan DNA sebagai material genetis.

Selanjutnya tahun 1973, Cohen & Boyer [3] mengumumkan teknologi DNA rekombinan di atas. Yaitu teknologi memotong & menyambung DNA secara in vitro, sehingga memungkinkan buat memasukkan DNA asing yg berasal dari organisme lain pada host. DNA asing ini dapat diwariskan sehingga didapatlah klon E.coli rekombinan. Teknologi inilah yg menjadi dasar pembuatan jutaan klon E. coli yg berisi pecahan fragmen DNA buat proyek genom manusia, & ribuan klon buat proyek genom mikroba.

4. Pasar Bioteknologi di Era Post Genomik

Era post genomic sekarang, memang menjanjikan keuntungan material yg menggiurkan. Setelah genom selesai disekuens, buat proses analisa & identifikasi fungsi gen & sebagainya diperlukan program komputer/software khusus. Makin menumpuknya data genom makhluk hidup, maka program buat mengumpulkan, mensistemasi, melakukan annotasi atau identifikasi fungsi gen, mesti makin canggih. Produk teknologi baru yg dikenal dgn bioinformatics ini mempunyai pasar yg menjanjikan buat komersialisasi software.

Demikian juga permintaan produk teknologi buat diagnostik lainnya yg muncul bersamaan dgn proyek genom seperti DNA chips, DNA microarray, & protein microarray, berada pada kurva naik.
Di tahun depan diramalkan, perusahaan-perusahaan yg bergerak dalam bidang sekuensing & analisa data genomik di negara maju akan bermetamorfosis menjadi perusahaan industri farmasi (farmacogenomik). Karena analisa data genomik menjadi jalan pintas yg cukup handal buat disain & penemuan obat, dibanding dgn cara konvensional yg try and error & time-consuming.
Pasar era post genomik ini pula yg memacu Jepang. Sebagai negara maju yg digolongkan terlambat dalam menguasai teknologi DNA rekombinan, Jepang telah berhasil menunjukkan giginya. Sumbangan Jepang buat proyek genom manusia di tahun-tahun terakhir cukup signifikan.

Dari tahun 1997 sampai sekarang sedikitnya Jepang telah menyumbangkan kepada dunia iptek 12 species mikroba yg genomnya telah selesai dibaca, & beberapa makhluk hidup tingkat tinggi seperti padi & sapi yg sedang dalam proses pembacaan. & memang, pemerintah Jepang tidak tanggung-tanggung dalam mengerahkan investasinya buat penelitian genom yg disebutnya Golden Project. Setidaknya hampir satu trilyun rupiah dikerahkan buat penelitian genom tiap tahunnya. Buat tahun 2010, Jepang menargetkan dapat menyelesaikan 100 mikroba yg genomnya akan selesai dibaca. Walaupun dalam penerapan komersialisasi hasil penelitian, Jepang lebih lambat daripada Amerika Serikat,tapi nampaknya ini hanya soal waktu saja.

5. Kesimpulan

Melihat sejarah perkembangan pembacaan genom, khususnya inovasi teknologi dibaliknya, mungkin sebagai negara berkembang kita bisa belajar beberapa hal. Bahwa, inovasi teknologi sehingga dia dapat diterapkan pada akselerasi penelitian yg terkait erat dgn komersialisasi produk memerlukan investasi dana yg tidak sedikit.

Yg kedua, ternyata perlu kekonsistenan dari para pelaku riset buat terus meneliti & menghasilkan,& juga kemauan & kepedulian pelaku industri buat berinvestasi dalam riset, memanfaatkan, & mengembangkan hasil riset.

Buat yg pertama, tidak bisa tidak, kita berharap banyak dari pemerintah (yg baru) buat lebih memperhatikan investasi di bidang iptek jika ingin iptek menjadi pendukung pembangunan. Buat yg kedua, kiranya kita perlu menunggu bukti dari para peneliti & pelaku industri buat menjadikan hasil riset domestik menjadi tuan rumah di negeri sendiri.



6. Daftar Pustaka

[1] Sanger, Air, Barrell, Brow, Coulson, Fiddes, Hutchison, Slocombe, and Smith (1977). ??ucleotide sequence of bacteriophage phi X174DNA.??Nature 687-695.

[2] Watson and Crick. (1953). ??olecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid.??br> Nature 737-738.

[3] Cohen, Chang, Boyer, Helling (1973). Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro.
Proc Natl Acad Sci U S A 3240-3244.

Tanggapan Biogen Online: Istilah "totipotensi" sangat erat kaitannya dgn sel, sehingga konotasi totipotensi akan selalu mengarah pada istilah "totipotensi sel". Istilah ini banyak disebut dalam kaitannya dgn teknologi kultur jaringan.
Totipotensi sel diartikan sebagai kemampuan sel buat tumbuh beserta berkembang menjadi individu sempurna dgn organ-organ & jaringan-jaringannya.
Matthias Schleiden & Theodor Schwann mengemukan suatu teori yg dikenal sebagai "teori totipotensi sel" (total genetic potential), yg menyatakan bahwa setiap sel hidup mempunyai kemampuan buat bereproduksi, membentuk organ, & berkembang menjadi individu baru yg sempurna/utuh jika ditumbuhkan pada media & lingkungan yg sesuai.

Teori ini selanjutnya dijadikan sebagai dasar dalam memanipulasi sel atau jaringan tanaman menjadi organ atau tanaman utuh secara in vitro (yg sekarang dikenal dgn teknologi kultur jaringan).