Bioteknologi
A. Perkembangan Bioteknologi
Penerapan bioteknologi sudah dilakukan orang sejak dulu, misalnya dalam pembuatan makanan fermentasi dan pembuatan obat. Makanan dan minuman hasil fermentasi, seperti tempe, tape, bir, yoghurt, dan cuka. Dengan bioteknologi dihasilkan obat-obatan, seperti vaksin hepatitis, antibiotik, dan hormon insulin. Tahun 1797, Edward Jenne menggunakan mikroorganisme hidup untuk menghasilkan
vaksin penyakit cacar. Saat ini, bioteknologi dapat digunakan untuk mendeteksi penyakit pada seseorang secara dini. Bioteknologi dibagi menjadi dua macam, yaitu bioteknologi sederhana (konvensional) dan bioteknologi modern. Dalam bioteknologi, manusia memanfaatkan sel hewan dan sel tumbuhan atau mikroorganisme, misalnya jamur, bakteri, dan kapang. Penerapan bioteknologi didukung oleh berbagai ilmu, seperti mikrobiologi (cabang biologi yang mempelajari mikroba atau jasad renik), biologi sel (mempelajari sel), genetika (cabang biologi yang mempelajari sifat-sifat keturunan), dan biokimia (cabang ilmu kimia yang mempelajari aspek kimia pada makhluk hidup).
1. Bioteknologi Konvensional
Bioteknologi konvensional merupakan bioteknologi yang menggunakan organisme atau mikroba untuk menghasilkan suatu senyawa kimia atau produk dengan aktivitas-aktivitas mikroba dan belum menggunakan enzim.
Ciri-ciri bioteknologi konvensional adalah:
a) Dikenal sejak awal peradaban manusia.
b) Menggunakan secara langsung hasil yang diproduksi organisme atau mikroorganisme berupa senyawa kimia atau bahan pangan tertentu yang bermanfaat bagi manusia.
c) Peralatan yang digunakan sederhana.
d) Pemanfaatan mikroorganisme terbatas.
2. Bioteknologi Modern
Bioteknologi modern merupakan bioteknologi yang memanfaatkan biologi molekuler dan sel untuk menghasilkan produk yang bermanfaat bagi manusia. Penerapan bioteknologi modern berdasarkan pada rekayasa genetika dan rekayasa biokimia. Rekayasa genetika adalah teknik pengambilan gen
tertentu untuk menghasilkan organisme yang memiliki keunggulan secara genetik. Sedangkan, rekayasa biokimia seperti penggunaan tangki reaktor untuk pertumbuhan mikroorganisme untuk proses biologis tertentu supaya tidak terkontaminasi mikroorganisme lain.
Ciri-ciri bioteknologi modern adalah:
a) Mulai berkembang sejak ditemukan DNA.
b) Organisme atau mikroorganisme digunakan untuk memperbaiki serta meningkatkan kinerja genetik suatu organisme yang bermanfaat bagi manusia.
c) Peralatan yang digunakan sudah modern.
d) Pemanfaatan mikroorganisme ditambah dengan teknologi modern.
B. Peranan Mikroorganisme dalam Bioteknologi
Penerapan bioteknologi dalam kehidupan, biasanya menggunakan mikroorganisme. Mikroorganisme memiliki peranan yang sangat penting dalam pengembangan bioteknologi di berbagai bidang kehidupan. Peranan mikroorganisme dalam berteknologi adalah sebagai berikut.
1. Penghasil Makanan atau Minuman
Mikroorganisme dapat dimanfaatkan untuk membuat tempe, oncom, makanan, tuak, cuka, dan kecap. Saat ini, pembuatan bahan makanan tersebut dikembangkan secara ilmiah dengan menggunakan teknologi yang lebih maju sehingga menghasilkan produk yang berkualitas, seperti bir, anggur, yoghurt, roti, keju, dan nata de coco. Proses pembuatan tempe masih perlu ditingkatkan dengan berbagai
penelitian karena tempe memiliki kandungan zat gizi tinggi, terutama protein nabati dan memiliki beberapa khasiat antara lain menurunkan kolesterol darah. Beberapa jamur juga dapat digunakan menghasilkan zat warna, misalnya jamur Neurospora sitophila sebagai penghasil warna merah dan orange, digunakan untuk membuat oncom. Bahan pewarna yang alami untuk makanan lebih aman dibandingkan pewarna sintetik karena pada umumnya pewarna sintetik dapat menyebabkan keracunan.
Contoh mikroorganisme yang berperan dalam pembuatan produk makanan, antara lain:
a. Rhizopus oligospurus (pembuatan tempe)
b. Acetobacter xylinum (pembuatan nata de coco)
c. Saccharomyces cerevisiae (pembuatan roti dan tapai)
d. Penecilium camemberti dan Penecillium requeforti (keju)
e. Aspergillus wentii (pembuatan kecap)
f. Lactobacillus bulgaricus (keju dan yoghurt)
2. Penghasil Protein Sel Tunggal (PST)
Mikroorganisme, seperti ganggang, jamur, maupun bakteri, dapat menghasilkan protein. Protein ini berada di dalam sel, bukan merupakan bahan yang disekresikan oleh sel.
a. Kelebihan PST
PST sangat menguntungkan karena dapat digunakan sebagai sumber protein. Hal ini disebabkan karena:
1) Secara umum, organisme dapat membelah diri dengan cepat.
2) Tidak memerlukan lahan yang terlalu luas.
3) Dapat hidup di tempat limbah buangan, seperti selulosa, limbah minyak bumi, atau limbah organik yang lain.
4) Mikroorganisme fotosintetik seperti ganggang dapat memanfaatkan energi cahaya untuk digunakan sebagai penghasil PST. Contoh protein sel tunggal adalah Spirulina dan Chorella.
b. Kekurangan PST
Ada beberapa kekurangan PST, antara lain:
1) PST mempunyai dinding sel yang terdiri atas selulosa, khususnya ganggang, sedangkan manusia tidak dapat mencerna selulosa.
2) PST yang dihasilkan kurang menarik, seperti jeli.
3) Kandungan asam nukleat (DNA dan RNA) dari PST cukup tinggi dan sulit dicerna serta dapat menimbulkan asam urat.
3. Penghasil Zat-Zat Organik
Beberapa mikroorganisme dapat menghasilkan zat-zat organik, seperti etanol, asam cuka, asam sitrat, aseton, dan gliserol. Zat-zat organik itu dapat digunakan untuk berbagai keperluan, misalnya sebagai bahan minuman. Untuk menghasilkan etanol (alkohol) dibutuhkan sel-sel ragi dengan bahan baku karbohidrat, seperti singkong dan beras. Adapun proses pembuatannya sering disebut dengan istilah fermentasi (proses peragian). Proses ini berlangsung secara anaerobik dan menghasilkan karbon dioksida dalam bentuk gelembung udara.
4. Penghasil Obat
Berbagai macam mikroorganisme bermanfaat sebagai penghasil obat-obatan, contohnya Penicillium menghasilkan zat antibiotik yang mematikan mikroorganisme lain, disebut penisilin. Penisilin sangat penting karena dapat memberantas berbagai penyakit infeksi. Namun, ada beberapa jenis bakteri
yang kebal terhadap penisilin karena dapat menghasilkan enzim yang dapat menghambat kerja penisilin.
5. Pemisahan Logam dari Bijihnya
Bakteri kemolitotrof merupakan salah satu bakteri yang mampu memisahkan logam dari bijihnya. Bakteri ini hidup dari zat-zat anorganik, seperti besi dan belerang, dan memperoleh energi dari pemecahan bahan kimia tersebut. Energi tersebut digunakan untuk sintesis karbon dioksida dan air menjadi zat-zat organik. Proses sintesis ini dikenal dengan sebutan kemosintesis. Salah satu contoh bakteri pemisah logam ini adalah bakteri Thiobacillus ferooxidans yang digunakan untuk mengekstraksi tembaga dari bijih tembaga. Bakteri ini tumbuh subur dalam suasana asam dan tanpa zat organik.
Proses pemisahannya sebagai berikut:
1) Bijih logam tembaga berkualitas rendah yang dikenal sebagai larutan peluluh, ditimbun. Disinilah banyak ditemukan bakteri.
2) Kemudian, ke dalam larutan itu ditambahkan larutan asam sulfat sehingga terjadi reaksi antara tembaga dan asam sulfat membentuk tembaga sulfat (CuSO4).
3) Setelah itu, logam besi ditambahkan ke dalam larutan tersebut sehingga besi akan bereaksi dengan tembaga sulfat untuk melepaskan tembaga tersebut.
4) Melalui proses tersebut diperoleh tembaga murni yang telah terpisah dari bijihnya. Seluruh proses itu dibantu oleh bakteri Thiobacillus ferrooxidans.
6. Penghasil Energi
Saat ini, persediaan bahan bakar makin menipis. Oleh karena itu, para ahli berusaha mencari solusi untuk menyelesaikan masalah energi melalui bioteknologi sehingga dapat diperoleh energi yang aman dan tersedia secara lestari. Salah satu energi yang dikembangkan melalui bioteknologi saat ini adalah biogas. Biogas merupakan gas metana yang diproduksi oleh mikroorganisme di dalam
medium kotoran ternak. Kotoran ternak dicerna oleh mikroorganisme menjadi gas metana yang kemudian dialirkan ke rumah-rumah sebagai penghasil energi. Sedangkan, limbahnya dapat digunakan sebagai pupuk. Cara pembuatannya adalah campuran kotoran ternak dan air dimasukkan pada tangki pengumpul, kemudian diaduk. Setelah rata, tangki pengumpul dimasukkan ke dalam tangki pencerna.
7. Pengurai Limbah
Pengolahan limbah secara biologis merupakan pengolahan limbah dengan menggunakan bakteri untuk mencerna limbah tersebut. Pengolahan limbah dengan cara ini tidak membutuhkan biaya yang besar dan lebih ramah lingkungan. Limbah industri harus diolah terlebih dahulu melalui Unit Pengolahan Limbah (UPL) sebelum dikeluarkan ke lingkungan agar tidak terjadi pencemaran. Dalam UPL biologis, bakteri pencerna dimasukkan ke dalam bak berisi limbah yang diberi aerator (alat pemasok udara) untuk
memasukkan oksigen yang berguna untuk pernapasan bakteri secara aerobik. Limbah akan terurai dan dapat dibuang ke lingkungan setelah air dipisahkan dari endapan limbah yang tidak berbahaya.
C. Penerapan Bioteknologi
Bioteknologi sangat bermanfaat bagi perkembangan kehidupan manusia. Berikut ini adalah penerapan bioteknolgi dalam bidang peternakan, pertanian, dan kedokteran.
1. Bidang Peternakan
Bioteknologi dapat digunakan untuk mengembangkan produk-produk peternakan, seperti vaksin dan antibodi. Selain itu, untuk mengobati penyakit hewan serta hormone pertumbuhan yang merangsang pertumbuhan hewan ternak melalui rekombinasi DNA. Rekayasa genetika merupakan suatu upaya memanipulasi sifat makhluk hidup untuk menghasilkan makhluk hidup dengan sifat yang diinginkan. Manipulasi sifat genetik ini dilakukan dengan menambah atau mengurangi DNA. DNA rekombinan merupakan proses menggabungkan dua DNA dari sumber yang berbeda. Selain itu, dikembangkan organisme transgenetik, yaitu organisme yang mengandung gen dari spesies lain. Organisme transgenetik dilakukan dengan menyuntikkan DNA asing pada sel-sel telur atau sel-sel embrio awal sehingga diperoleh organisme yang berkualitas sesuai dengan keinginan. Teknologi ini mempunyai prospek untuk
mengembangkan hewan-hewan yang bernilai ekonomis, misalnya ikan, sapi, kambing, domba, dan lain-lain.
2. Bidang Pertanian
Saat ini, pengembangan bioteknologi banyak diterapkan di bidang pertanian, seperti kultur jaringan untuk menghasilkan tanaman tahan hama dan pengembangan tanaman dengan media selain tanah yang dikenal dengan nama hidroponik.
a. Kultur Jaringan
Saat ini, kultur jaringan dikembangkan untuk memperoleh individu baru dalam jumlah yang banyak.
Media kultur merupakan tempat tumbuhnya sel tumbuhan. Media tumbuh sel tumbuhan dapat di dalam tabung yang steril, artinya tabung yang bebas dari hama. Medium itu biasanya dibuat dari agar-agar yang diberi berbagai nutrisi yang diperlukan tumbuhan. Kultur jaringan tumbuhan dapat dilakukan hanya
dengan mengambil beberapa milimeter pucuk tumbuhan yang mengandung jaringan muda atau jaringan lain yang bersifat meristematik. Bagian tumbuhan yang dikultur disebut sebagai eksplan. Keuntungan dari pengembangan kultur jaringan tumbuhan, antara lain:
1) Berlangsung cepat dalam memperoleh tumbuhan baru.
2) Hemat tempat dan waktu.
3) Bibit terhindar dari hama dan penyakit.
4) Memiliki sifat identik.
5) Jumlah tidak terbatas.
b. Pembentukan Tumbuhan yang Tahan Hama
Teknik untuk memperoleh tanaman yang berkualitas adalah melalui rekayasa genetika, yaitu dengan rekombinasi gen dan kultur sel. Tanaman yang dapat dikultur dengan cepat adalah tanaman dari satu sel somatik, seperti wortel, jeruk, tomat, kentang, dan tembakau. Sebagai contoh, untuk mendapatkan tanaman kentang yang tahan terhadap penyakit, perlu ada gen yang mengekspresikan sifat kebal terhadap penyakit, lalu gen ini disisipkan pada sel tanaman kentang yang kemudianm ditumbuhkan menjadi tanaman kentang yang kebal penyakit. Selanjutnya, tanaman baru ini dapat diperbanyak dan disebarluaskan. Dalam menyisipkan gen ke sel tanaman dibutuhkan vektor, seperti plasmid dari bakteri Agrobacterium tumenfaciens. Secara alami, bakteri ini dapat menginfeksi tanaman dan menyebabkan tumor sehingga plasmid bakteri ini disebut plasmid Ti (Tumor inducing = penyebab tumor).
c. Hidroponik dan Aeroponik
Penerapan bioteknologi dalam bidang pertanian juga dapat dilakukan dengan cara menanam tanaman dalam media selain tanah, yang disebut hidroponik. Hidroponik dapat dilakukan dengan menggunakan media air dan pasir.
1) Hidroponik dengan media air. Tumbuhan ditanam di dalam air dan ditambah unsur-unsur hara yang
dibutuhkan untuk pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan tersebut.
2) Hidroponik dengan media pasir. Media yang digunakan dapat juga dengan arang, sabut kelapa, atau batubatuan. Dalam teknik ini, sebaiknya ditambahkan unsur-unsur hara. Dalam teknik hidroponik yang perlu diperhatikan adalah kelembapan udara dan intensitas cahaya agar pertumbuhan dan perkembangan tanaman cukup baik.
Keuntungan teknik hidroponik, antara lain:
1) Masih dapat bercocok tanam di lahan yang sempit.
2) Dapat menggunakan pupuk dengan efisien.
3) Hama dan penyakit tanaman dapat dihindari. Selain hidroponik, penanaman dapat dilakukan dengan
cara aeroponik. Aeroponik adalah teknik penanaman sayuran dengan menggunakan styrofoam yang berlubang-lubang sehingga akar tanaman menjuntai ke bawah. Kemudian, air yang telah dicampur dengan unsur-unsur hara disemprotkan sehingga akar-akar bisa menyerapnya. Biasanya, penanaman sayur-sayuran menggunakan teknik ini.
3. Bidang Kedokteran
Bioteknologi di bidang kedokteran dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, di antaranya adalah sebagai berikut:
a. Pembuatan Antibodi Monoklonal
Antibodi berupa protein yang dihasilkan oleh sel limfosit B atau sel T untuk melawan antigen (benda
asing) yang masuk ke dalam tubuh. Secara alami, tubuh memiliki kemampuan untuk memproduksi antibodi. Fusi atau penggabungan antara sel limfosit B dan sel myeloma menghasilkan sel hibridoma. Sel ini berfungsi untuk mengatasi penyakit kanker.
b. Terapi Gen Manusia
Rekayasa genetik mempunyai potensi untuk memperbaiki kelainan genetik secara individual. Terapi gen
merupakan perbaikan kelainan genetik dengan memperbaiki gen. Untuk kelainan genetik yang diakibatkan oleh tidak berfungsinya satu alela, secara teoritis dapat diperbaiki dengan mengganti gen yang tidak normal dengan gen normal dengan menggunakan teknik rekombinasi DNA. Alela yang baru dapat disisipkan ke dalam sel-sel somatic pada anak-anak dan dewasa, sel-sel germ (sel-sel yang
memproduksi gamet), atau sel-sel embrio.
c. Pembuatan Obat dan Vaksin
Penyakit yang disebabkan oleh virus tidak dapat diobati sehingga perlu dilakukan pencegahan dengan menggunakan vaksin.
Ada dua jenis vaksin tradisional untuk penyakit yang disebabkan oleh virus, antara lain:
1) Partikel virus yang virulen yang dikurangi keganasannya secara kimiawi maupun fisik.
2) Virus aktif, tapi tidak patogen. Kedua virus tersebut merangsang tubuh menghasilkan antibodi untuk melawan penyakit.
Sekarang telah dilakukan modifikasi vaksin melalui bioteknologi, antara lain:
1) DNA rekombinan dapat menggerakkan pembuatan suatu protein khusus dalam jumlah besar dari selubung protein virus, bakteri, dan mikroba lain. Protein ini dapat memicu terbentuknya respon kekebalan untuk melawan penyakit.
2) Rekayasa genetika dapat digunakan untuk memodifikasi genom patogen sehingga menjadi lemah. Vaksinasi dengan makhluk hidup yang lemah lebih efektif dari protein vaksin karena hanya dengan memasukkan sedikit saja akan menghasilkan respon kekebalan yang besar.
