PERAN BIOLOGI MOLEKULER DI BIDANG KESEHATAN

Read Also

Biologi molekuler merupakan kelanjutan dua cabang ilmu yang sudah ada sebelumnya, yaitu Genetika dan Ilmu Biokimia. Awal Biologi molekuler ditandai dengan adanya penemuan struktur heliks ganda DNA oleh Watson dan Crick pada tahun 1953. Penemuan lainnya adalah bahwa suatu gen menentukan suatu protein, mekanismenya dirumuskan dalam konsep yang dikenal sebagaai dogma sentral yaitu urutan nukleotida dalam DNA menentukan urutan nukleotida dalam RNA yang selanjutnya menetukan urutan asam amino dalam protein. Perkembangan biologi molekular menjadi lebih dipercepat dengan munculnya rekayasa genetik yang memungkinkan pengandaan dan isolasi gen sehingga struktur dan fungsi gen dapat dipelajari.

Peran sentral dalam kehidupan sel dimainkan oleh protein (polipeptida) dan DNA (gen). Selain peran tradisional protein sebagai enzim, protein memainkan berbagai peran lain seperti membentuk sitoskeleton dan matriks antar sel, reseptor, hormon, antibodi, faktor pertumbuhan, faktor transkripsi, dan berbagai peran lain. Protein tertentu secara langsung maupun tak langsung mengatur proliferasi dan diferensiasi sel, histogenesis, oranogenesis, bahkan ada protein tertentu yang mengatur kematian sel (apoptosis). Semua sifat yang dimiliki oleh organisme ditentukan oleh gen-gen yang dimilikinya. Gen merupakan bagian-bagian dari urutan asam nukleat yang terdapat pada DNA. Terdapat dua kategori gen, yaitu gen struktural dan gen regulator. Gen-gen struktural mengkode urutan asam amino dalam protein, seperti enzim, yang menentukan kemampuan biokimia dari organisme pada reaksi katabolisme dan anabolisme, atau berperan sebagai komponen tetap pada struktur sel. Gen-gen regulator berfungsi mengontrol tingkat ekspresi gen struktural, mengatur laju produksi protein produknya dan berhubungan dengan respon terhadap signal intra dan ekstraselular.  Karena sintesis protein dikendalikan oleh gen, maka gen dapat dikatakan mengatur segala aspek kehidupan sel atau organisme.

Di bidang kesehatan perkembangan biologi molekuler memberi dampak pada hampir semua ilmu pre-klinik seperti: genetika, histologi, embriologi, fisiologi, mikrobiologi, parasitologi, patologi, imunologi, dan farmakologi.  Salah satu bentuk peranan biologi molekular dalam bidang kesehatan adalah adanya terapi molekular seperti pada pengobatan penyakit SCID (Severe Combained Immuno Deficiency), penanggulangan penyakit keturunan seperti talasemia, fibrosis kistik, hemfilia, dan penyakit kanker.

       I.            Isi

A.    Teknik Biologi Molekular

Sejak akhir 1950-an dan awal 1960-an, ahli biologi molekuler telah belajar untuk karakterisasi, mengisolasi, dan memanipulasi komponen molekul sel dan organisme.Komponen-komponen ini mencakup DNA , gudang informasi genetik, RNA, kerabat dekat dari DNA yang berkisar dari fungsi melayani sebagai copy pekerjaan sementara DNA untuk fungsi struktural dan enzim aktual serta bagian struktural dan fungsional dari aparat translasi, dan protein, tipe struktur dan enzim utama dari molekul dalam sel.

1.      Reaksi berantai polimerase (PCR)

Reaksi berantai polimerase merupakan teknik yang sangat fleksibel untuk menyalin DNA. Dalam singkat, PCR memungkinkan satu DNA urutan yang akan disalin (jutaan kali), atau dimodifikasi secara tertentu. Sebagai contoh, PCR dapat digunakan untuk menambahkan situs enzim restriksi, atau untuk memutasikan (mengubah) basa tertentu pada DNA , yang terakhir adalah metode yang disebut sebagai "perubahan Cepat". PCR juga dapat digunakan untuk menentukan apakah suatu tertentu DNA fragmen ditemukan di perpustakaan cDNA. PCR memiliki banyak variasi, seperti reverse transcriptase PCR (RT-PCR) untuk amplifikasi RNA , dan, baru-baru ini, real-time PCR (QPCR) yang memungkinkan untuk pengukuran kuantitatif dari DNA atau RNA molekul.

2.      Gel elektroforesis

Elektroforesis gel adalah salah satu alat utama biologi molekular . Prinsip dasarnya adalah bahwa DNA , RNA , dan protein semuanya dapat dipisahkan dengan medan listrik. Dalam elektroforesis gel agarosa, DNA dan RNA dapat dipisahkan berdasarkan ukuran dengan menjalankan DNA melalui gel agarosa. Protein dapat dipisahkan berdasarkan ukuran dengan menggunakan gel SDS-PAGE, atau atas dasar ukuran dan muatan listrik dengan menggunakan apa yang dikenal sebagai elektroforesis gel 2D.

3.      Array

Sebuah DNA array adalah kumpulan bintik melekat pada dukungan solid seperti sebuah slide mikroskop mana tempat masing-masing berisi satu atau lebih beruntai tunggal DNA fragmen oligonukleotida. Array memungkinkan untuk meletakkan jumlah besar bintik-bintik yang sangat kecil (100 diameter micrometre) pada slide tunggal. Setiap tempat memiliki DNA molekul fragmen yang melengkapi satu DNA urutan (mirip dengan Southern blotting). Sebuah variasi dari teknik ini memungkinkan ekspresi gen dari suatu organisme pada tahap tertentu dalam pembangunan yang berkualitas (profiling ekspresi). Dalam teknik ini RNA dalam suatu jaringan diisolasi dan diubah menjadi cDNA berlabel. cDNA ini kemudian hibridisasi dengan fragmen pada array dan visualisasi hibridisasi dapat dilakukan. Sejak beberapa array dapat dilakukan dengan posisi yang sama persis fragmen mereka sangat berguna untuk membandingkan ekspresi gen dari dua jaringan yang berbeda, seperti kanker dan jaringan sehat. Juga, kita dapat mengukur apa yang disajikan gen dan bagaimana ekspresi perubahan dengan waktu atau dengan faktor-faktor lainnya. Misalnya, ragi roti biasa itu,''''cerevisiae, berisi sekitar 7000 gen; dengan microarray, orang dapat mengukur secara kualitatif bagaimana setiap gen diekspresikan, dan bagaimana perubahan ekspresi, misalnya, dengan perubahan suhu.

Ada banyak cara untuk membuat mikroarray; yang paling umum adalah chip silikon, mikroskop slide dengan bercak diameter ~ 100 micrometre, array kustom, dan array dengan bintik-bintik yang lebih besar pada membran berpori (macroarrays). Ada bisa dimana saja dari 100 tempat untuk lebih dari 10.000 pada array yang diberikan.

Array juga dapat dilakukan dengan molekul lain selain DNA . Sebagai contoh, sebuah array antibodi dapat digunakan untuk menentukan apa yang protein atau bakteri yang hadir dalam sampel darah.

B.     Fungsi  Biologi Molekular Dalam Bidang Kesehatan

Biologi molekuler memiliki beberapa peranan penting di bidang kesehatan. Beberapa teknik molekuler  telah digunakan secara luas seperti penelitian mengenai gen, protein dan interaksi antara gen, lingkungan dan penyakit. Penemuan-penemuan baru dalam bidang biologi molekuler mempunyai banyak peran dalam kehidupan manusia, seperti menyingkap misteri dibalik penyakit yang dahulu tidak diketahui asal usulnya, terapi gen, dan produk-produk bioteknologi. Berikut ini adalah beberapa aplikasi biologi molekuler di bidang kesehatan:

a.       Pengembangan produk farmasi seperti produk biosimilar (vaksin virus hepatitis B,  produksi insulin rekombinan, dan lain-lain)

b.      Diagnosa penyakit dengan metode DNA rekombinan

c.       Diagnosa penyakit genetik berdasarkan teknik hibridisasi DNA rekombinan

d.      Terapi gen dalam pengobatan penyakit genetic

e.       Forensik dengan penggunaan ”DNA fingerprinting”

1.      Produk Farmasi

Bioteknologi telah menyediakan metode untuk produk farmasi yang memiliki keuntungan lebih murah, mengurangi resiko penggunaan produk akhir dan menghilangkan ketergantungan terhadap organ binatang. Beberapa produk farmasi selain insulin yang telah diproduksi  dengan teknologi DNA rekombinan adalah sebagai berikut:

Tabel 1.1. Produk farmasi lain dengan teknologi DNA rekombinan

Produk	Kegunaan
Hormon adenocorticotropic	Pengobatan penyakit rematik
Alfa dan gamma interferon	Terapi kanker dan infeksi virus
Sel beta faktor pertumbuhan	Penggobatan kelainan imun
Erytropoietin	Pengobatan anemia
Hormon pertumbuhan manusia	Terapi defisiensi pertumbuhan pada anak-anak
Lympotoxin	antitumor
Vaksin hepatitis B	Mencegah hepatitis B
Interleukin-2	Pengobatan kanker, merangsang sistem imun
Antibodi monoklonal	Terapi kanker dan rejeksi transplantasi
Nerve growth factor	Memperbaiki syaraf yang rusak
Praurokinase	Antikoagulan; terapi serangan jantung
Platelet-derived growt factor	Mengobati artherosclerosis

2.      Diagnosa penyakit

Diagnosis yang akurat dan cepat merupakan sesuatu yang mutlak pada diagnosa penyakit. Terdapat dua cara diagnosa penyakit menggunakan teknologi DNA rekombinan, yaitu

1.      melibatkan penggunaan antibodi,

2.      berdasarkan teknik hibridisasi DNA.

DNA dapat di isolasi dari darah pasien, yang mengandung DNA virus dan DNA manusia. Jika telah diketahui virus yang dicari dan jika urutan DNA virus ini sudah tersedia dalam sumber literature maka dapat segera dirancang oligonukleotida pendek (probe) yang dilabeli radioaktif dan akan dapat berhibridisasi dengan DNA virus. Jadi apabila terdapat DNA virus dalam sampel, maka probe akan menempel dan dapat dilihat dengan autoradiografi.

Masalah yang dihadapi dengan teknik ini adalah bila level infeksinya rendah, hanya terdapat sedikit DNA virus, sehingga sulit dideteksi. Namun masalah ini dapat di atasi dengan adanya teknik PCR. PCR digunakan untuk memperbanyak DNA. Primer PCR dapat dirancang, yang akan memperbanyak potongan DNA virus. Setelah itu produk PCR dihibridisasi menggunakan probe seperti diatas. Diagnosa ini sangat akurat, spesifik dan cepat dibandingkan teknik tradisional seperti pengkulturan organisme.

3.      Diagnosa dan pengobatan penyakit genetik

Penyakit genetik adalah penyakit yang disebabkan karena kerusakan informsi genetik baik tingkat gen maupun tingkat kromosom, dan diturunkan ke generasi berikutnya. Penyakit ini bisa disebabkan karena kerusakan pada banyak gen atau pada satu gen. Prinsip diagnosa berdasarkan teknik hibridisasi dapat digunakan untuk diagnosa penyakit genetik. Misalkan mutasi spesifik diketahui merupakan penyebab dari penyakit tertentu. Seperti penyakit Alzheimer,  probe DNA yang dirancang dapat berhibridisasi untuk mendeteksi mutasi tersebut. Sehingga diagnosa genetik dapat dilakukan menggunakan teknik yang sama dengan yang digunakan untuk diagnosa penyakit infeksi. Pengobatannya dapat digunakan dengan terapi gen.

4.      Terapi gen dalam pengobatan penyakit genetik

Terapi gen adalah teknik untuk mengoreksi gen-gen yang cacat yang bertanggung jawab terhadap suatu penyakit. Selama ini pendekatan terapi gen yang berkembang adalah menambahkan gen-gen normal ke dalam sel yang mengalami ketidak normalan. Pendekatan lain adalah melenyapkan gen abnormal dengan gen normal dengan melakukan rekombinasi homolog. Pendekatan ketiga adalah mereparasi gen abnormal dengan cara mutasi balik selektif, sedemikian rupa sehingga akan mengembalikan fungsi normal gen tersebut. Selain pendekatan-pendekatan tersebut, ada pendekatan lain untuk terapi gen, yaitu mengendalikan regulasi ekspresi gen abnormal tersebut. Contohnya pada terapi sel reproduksi dan terapi sel somatic.

5.      Forensik dengan penggunaan ”DNA fingerprinting”

Salah satu yang sudah dipublikasikan secara legal adalah penggunaan ”DNA fingerprinting”. Teknik ini berdasarkan pada aplikasi RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) yang berdasarkan kenyataan bahwa setiap individu, walaupun mempunyai gen yang sama, tapi pasti punya perbedaan pada materi genetiknya (DNA). Perbedaan ini umumnya terjadi pada daerah ”bukan pengkode protein”. DNA fingerprinting bertujuan untuk mengidentifikasi perbedaan materi genetik, dalam rangka menentukan apakah dua sampel DNA berasal dari orang yang sama atau orang yang berbeda. Teknik ini dapat digunakan untuk membuktikan suatu tindak kriminal. Metoda yang digunakan adalah PCR, RFLP, elektroforesis dan hibridisasi.

Sampel DNA dapat disiapkan dati materi yang ditemukan dilokasi kriminal, seperti darah, semen atau rambut. PCR digunakan untuk mengamplifikasi fragmen DNA spesifik dari tersangka dan korban kejahatan. Produk PCR dipotong dengan enzim restriksi dan dipisahkan dengan gel elektroforesis, diikuti dengan transfer ke membran nitroselulosa dan hibridisasi dengan probe spesifik. Bila sampel DNA dari tersangka dan korban memperlihatkan pita DNA yang sama setelah hibridisasi, maka dengan perhitungan statistik dapat dikatakan bahwa sampel tersebut berasal dari orang yang sama.