Makalah Bioteknologi Farmasi : Defenisi, Aplikasi, Keunggulan, dan Kerugian Protein Rekombinan

 

A.  Pendahuluan

Dalam biologi molekuler, yang disebut “Central Dogma”, menyatakan bahwa informasi gen yang tersimpan di dalam DNA dipindahkan ke RNA dan kemudian dipindahkan ke protein. Proses transfer dari DNA ke RNA disebut proses transkripsi, sedangkan proses transfer dari RNA ke protein disebut proses translasi. Kode-kode gen dalam protein disebut gen struktural karena mereka bertanggung jawab untuk mengekspresikan informasi gen ke dalam unit struktural pada manusia, seperti warna mata, kulit dan rambut.

Protein adalah bahan yang paling penting dari semua bahan yang membentuk organisme hidup. Protein terkandung dalam setiap sel hidup pada semua organisme, tanpa pengecualian, dan di dalam sel, protein berada dalam jumlah yang sangat banyak dengan berbagai bentuk atau jenis. Semua karakteristik dari organisme ditentukan oleh aktivitas protein.

Protein adalah molekul makro yang mempunyai berat molekul antara lima ribu hingga beberapa juta. Protein terdiri atas rantai-rantai asam amino, yang terikat satu sama lain dalam ikatan peptide Molekul protein merupakan rantai panjang yang tersusun oleh mata rantai asam-asam amino. Dalam molekul protein, asam-asam amino saling dirangkaikan melalui reaksi gugusan karboksil asam amino yang satu dengan gugusan amino dari asam amino yang lain, sehingga terjadi ikatan yang disebut ikatan peptida. Ribosom berfungsi sebagai tempat sintesis protein dan merupakan contoh organel yang tidak bermembran. Organel ini terutama disusun oleh asam ribonukleat, dan terdapat bebas dalam sitoplasma maupun melekat pada retikulum endoplasma.

B.  Definisi Protein Rekombinan

Protein Rekombinan adalah suatu bentuk manipulasi dari protein, yang dihasilkan dalam berbagai cara untuk menghasilkan sejumlah besar protein, memodifikasi urutan gen dan memproduksi produk komersial yang bermanfaat. Pembentukan protein rekombinan dilakukan melalui perantara khusus yang dikenal sebagai vector. Teknologi rekombinan adalah proses yang terlibat dalam pembentukan protein rekombinan.

1.    Rekombinasi

Rekombinasi adalah suatu proses dimana suatu progeny (keturunan) dikembangkan menjadi kombinasi gen-gen yang berbeda dari gen-gen kedua orang tua nya, yang menghasilkan satu set DNA baru.

Gambar 1. Penyilangan molekul DNA untuk menghasilkan protein rekombinan 

Ditunjukkan pada Gambar 1 adalah proses dari rekombinasi protein, diadaptasi dari artikel dari Pusat Informasi Nasional Bioteknologi (NCBI). Istilah “protein” digunakan karena protein adalah struktur yang mendukung DNA dan merupakan blok bangunan materi hidup. Digunakan istilah “DNA rekombinan” untuk menggambarkan urutan DNA baru yang telah dihasilkan dari rekombinasi gen dari kedua orang tuanya. Proses rekombinan tersebut menjadi landasan terhadap kejadian evolusi dari makhluk hidup.

C.  Protein Rekombinan

Teknologi DNA rekombinan adalah salah satu cara mempelajari fungsi dan interaksi dari protein. Hal ini dilakukan dengan mengisolasi urutan DNA target dan kemudian memindahkannya ke vektor kloning yang memiliki kemampuan untuk mereproduksi diri. Urutan DNA dari vektor kloning berinteraksi dengan DNA target dan menghasilkan cetak biru informasi gen baru yang disebut DNA rekombinan. DNA rekombinan tersebut ditransfer ke RNA, yang pada proses berikutnya menghasilkan protein rekombinan.

1.    Produksi protein rekombinan

Rekombinan DNA merupakan bidang ilmu pengetahuan yang hangat diperbincangkan yang berhubungan dengan pembuatan organisme–mulai dari bakteri hingga kambing--memproduksi protein yang biasanya tidak dihasilkan oleh suatu organisme. Penelitian di bidang ini telah menghasilkan berbagai macam aplikasi dimana pada beberapa tahun yang lalu masih belum memungkinkan. Penderita diabetes yang biasanya bergantung pada insulin dari babi, dimana mirip dengan manusia tetapi tidak persis sama, sekarang dapat memiliki insulin dari manusia yang pada saat ini telah dapat diproduksi oleh bakteri. Penderita hemophilia dapat menggunakan faktor pembekuan yang telah diproduksi dalam susu kambing. Sementara ilmu pengetahuan yang kompleks, dapat diuraikan ke dalam konsep yang lebih sederhana.

Gambar 2. Skema rekombinasi protein

Dalam rangka untuk memahami bagaimana protein rekombinan dibuat, sebelumnya kita perlu memahami bagaimana semua protein dibentuk. DNA berada didalam inti sel, DNA memegang semua petunjuk yang diperlukan untuk membentuk suatu organisme. Seiring dengan itu rangkaian helai panjang dari DNA adalah suatu instruksi untuk terbentuknya berbagai protein.

2.    Struktur DNA

DNA adalah dasar genetik untuk semua makhluk hidup dan seluruh kehidupan pada dasarnya mempunyai struktur DNA yang sama. Untai panjang dari DNA pada dasarnya terdiri dari jutaan unit berulang yang disebut nukleotida. Setiap nukleotida memiliki tiga bagian: gula, gugus fosfat dan basa nitrogen. Struktur akhir DNA adalah dua helai yang terhubung di bagian tengah, mirip sebuah tangga atau tangga spiral. Masing-masing sisi terdiri dari fosfat dan gula yang berulang-ulang terus dan penghubung diantaranya terdiri dari dua basa nitrogen yang bergabung bersama-sama. Hanya ada empat basa nitrogen dan mereka direpresentasikan dengan kode-kode TCAG. Sebuah DNA dari organisme merupakan jutaan basa-basa panjang tetapi urutan dari Ts, Cs, As dan Gs yang membuat kita mempunyai perbedaan satu dengan yang lainnya.

3.    Struktur dan Fungsi protein

DNA yang kita miliki menentukan dengan tepat bagaimana kita akan terlihat dan bagaimana setiap sifat yang kita miliki, tetapi semua DNA hanya merupakan kode-kode sederhana untuk protein-protein yang berbeda. Sebenarnya protein tersebut yang membuat kita menjadi bentuk seperti sekarang ini. Protein merupakan rangkaian rantai panjang dari asam amino sama seperti DNA yang juga merupakan rantai panjang dari nukleotida. Terdapat 20 asam amino pada keberadaan protein dan setiap organisme menggunakan 20 asam amino tersebut dalam kombinasi yang berbeda-beda untuk membentuk setiap protein .

Urutan asam amino ini sangat penting karena urutan tersebut memberikan bentuk akhir dari protein. Bentuk dari protein sangat penting, hal tersebut memberikan karakteristik dari protein. Inilah sebabnya mengapa protein rekombinan sangat penting. Menggunakan insulin babi, yang memiliki struktur sedikit berbeda dengan insulin manusia, selalu berisiko karena beberapa orang akan menolaknya. Namun, insulin rekombinan mempunyai urutan asam amino yang persis sama seperti insulin manusia, kecuali yang dihasilkan oleh bakteri.

Hanya karena bakteri memiliki kode genetik didalamnya tidak berarti bahwa bakteri akan segera memulai membuat suatu protein rekombinan. Para ilmuwan harus merekayasa bagian promotor untuk melampirkan kode yang diinginkan sebelumnya dan kemudian mereka dapat mengaktifkannya. Setelah semua ini ditambahkan ke dalam bakteri atau organisme lain, sel-sel mulai membuat protein baru, karena urutan dari asam amino yang sama maka produk protein akan 100% identik dengan sumbernya dank arena itu lebih aman untuk digunakan.

4.    Pilihan host untuk amplifikasi protein

Sistem host tersedia dalam beberapa bentuk termasuk fag, bakteri, ragi, tumbuhan, jamur berserabut, serangga atau sel mamalia yang tumbuh dalam kultur dan hewan transgenik. Pilihan terakhir dari host akan bergantung pada persyaratan yang spesifik dan aplikasi untuk protein rekombinan. Pemilihan host tidak hanya mempengaruhi amplifikasi dan isolasi dari protein, tetapi juga cara dimana produk kemudian dapat dimurnikan. Dalam rangka untuk memutuskan host mana yang paling cocok dalam jumlah dan tingkat kemurnian produk serta integritas biologis dan potensi toksisitas sebaiknya dipertimbangkan. Sebagai contoh, system ekspresi bakteri tidak cocok jika modifikasi pasca-translasi diperlukan untuk menghasilkan produk rekombinan yang dapat berfungsi penuh.

Lokasi produk dalam host akan mempengaruhi pilihan metode untuk isolasi dan pemurnian dari produk. Sebagai contoh, sebuah host bakteri dapat mensekresikan protein ke dalam media pertumbuhan, mentransportnya ke dalam ruang periplasmik atau menyimpannya sebagai badan inklusi yang tidak dapat larut dalam sitoplasma.

5.    Pilihan Vektor

Dalam rangka untuk mengkloning gen yang diinginkan semua vector yang telah direkayasa memiliki pilihan situs hilir restriksi unik dari urutan promotor transkripsi. Pilihan keluarga vector diatur oleh host/inang nya. Setelah host telah dipilih, berbagai macam vector yang berbeda dapat dipertimbangkan, dari ekspresi vector yang sederhana hingga vector yang mengeluarkan/mensekresikan protein fusi.

Namun, seperti untuk pemilihan dari system host yang sesuai, pilihan terakhir dari vector harus mempertimbangkan persyaratan khusus dari aplikasi dan tentu saja akan dipengaruhi oleh perilaku dari protein target. Salah satu faktor kunci yang telah menyebabkan meningkatnya penggunaan vector protein fusi adalah amplifikasi dari protein fusi yang berisi tag dengan ukuran yang telah diketahui dan fungsi biologis sangat mudah untuk menyederhanakan isolasi, pemurnian dan selanjutnya deteksi. Dalam beberapa kasus hasil protein juga dapat ditingkatkan.

Pemeliharaan dan protokol kloning sangat spesifik untuk setiap vector dan petunjuk yang diberikan oleh pemasok harus diikuti dengan hati-hati.

6.    Pilihan tag fusi

Dua tag yang paling sering digunakan adalah glutathione S-transferase (GST tag) dan 6 x residu histidine (His)6 tag. Adapun pemilihan dari host dan vector, keputusan untuk menggunakan baik GST atau (His)6 tag harus dibuat sesuai dengan kebutuhan aplikasi spesifik

7.    Penanganan badan inklusi

Amplifikasi sering dapat dikendalikan sehingga protein rekombinan terakumulasi dalam ruang intraseluler atau disekresikan ke dalam ruang periplasmik. Sedangkan sekresi menguntungkan dari segi protein folding, kelarutan dan oksidasi sistein, hasilnya umumnya jauh lebih tinggi bila menggunakan ekspresi intraseluler.

Namun demikian, protein rekombinan yang terakumulasi intrasel sering diatur dalam bentuk badan inklusi, agregat terlarut dari protein yang berkurang aktivitas biologisnya. Jadi, sementara kehadiran badan inklusi dapat membuat langkah awal dari isolasi menjadi sangat sederhana, isolasi protein dari badan inklusi sering menyebabkan kesulitan dengan lipat- ulang dari protein, mengembalikan reformasi yang benar dari ikatan disulfide dan dengan demikian terjadi pemulihan penuh aktivitas biologis.

D.  Aplikasi

Proses rekombinan protein digunakan untuk berbagai tujuan penelitian secara komersial, medis dan ilmiah. Dapat juga digunakan pada peternakan secara komersial untuk melawan penyakit pada ternak serta tanaman.

Rekombinan protein mempunyai peran besar dalam penciptaan bahan terapeutik yang dapat memodifikasi dan memperbaiki kesalahan genetik, menghancurkan sel-sel kanker, mengobati gangguan system kekebalan tubuh, dan masih banyak fungsi-fungsi lainnya. Sebagai contoh, Erythropoietin, sebuah protein hormone yang diproduksi dengan teknologi rekombinan dapat digunakan dalam merawat pasien dengan kekurangan/defisiensi eritrosit, yang merupakan penyebab umum dari komplikasi ginjal.

Ada bidang medis yang disebut farmakologi rekombinan, dimana rekombinan protein digunakan untuk memproduksi pengobatan DNA yang diturunkan seperti interleukins; yang mengatur sel T, hormon pertumbuhan; digunakan untuk merangsang pertumbuhan, eritropoietin; yang merangsang produksi sel darah merah dalam sumsum tulang, dan insulin; digunakan untuk mengobati diabetes tipe 1. Protein rekombinan juga dapat digunakan di laboratorium sains untuk penelitian stem cell dan penelitian kloning.

Di masa depan bioteknologi dapat menimbulkan peningkatan perkembangan dari organ manusia di laboratorium dan produksi dari tanaman yang dapat menghasilkan pestisida sendiri. Meskipun masih banyak perdebatan etis dan pertanyaan, teknologi rekombinan memiliki potensi untuk merevolusi produksi pangan, perawatan kesehatan dan proses penuaan.

Protein Rekombinan di mulai dari pertama kali saat Insulin diproduksi oleh E. coli oleh Herbert Boyer di San Fransisco Amerika dibawah perusahaan Genentech Inc 1978. Peristiwa ini begitu mengagetkan dunia karena dengan keberhasilan produksi protein rekombinan tersebut merubah sebagian besar peta industri di dunia.

Bayangkan sebelum dapat diproduksi oleh E. coli insulin didapatkan dengan cara membantai sekian ribu sapi dan babi, proses penjagalannya pun harus khusus demi menjamin kualitas insulin yang akan disolasi dari hewan ternak tersebut. Dengan keberhasilannya diproduksi pada E. coli maka ini akan mengurangi biaya produksi Insulin menjadi jauh dibawah prediksi sebelumnya.

Escherichia coli adalah mikroorganisme yang paling terkait dengan berbagai bidang bioteknologi karena bakteri inilah organisme pertama yang dipelajari secara lengkap baik dari sisi metabolismenya, fisiologinya, regulasi genetikanya bahkan sampai sequence genomnya. Bukan hanya karena kemudahannya untuk di manipulasi akibat lengkapnya informasi tentang E.Coli melainkan juga karena kemudahannya untuk di kulturkan dan cepatnya proses pertumbuhannya berlangsung dibandingkan dengan berbagai macam organisme yang lain. Oleh karena itu E. Coli mendapatkan kehormatan menjadi organisme model yang cukup penting dalam dunia protein rekombinan.

Proses regulasi gen yang telah lengkap dipelajari dan telah banyak dimanipulasi telah menyebabkan E. coli menjadi organisme model yang paling banyak mempunyai variasi pilihan untuk dijadikan host dalam proses produksi protein rekombinan 

E.  Keunggulan Protein Rekombinan

1.    Insulin

Penggunaan insulin untuk pasien diabetes dalam memproduksi insulin sangatlah banyak sehingga untuk mendapatkannya dibutuhkan inulin dari pankreas sapi atau babi yang cukup banyak pula. Tetapi dengan teknologi DNA rekombinan telah memungkinkan para ilmuwan untuk mengembangkan insulin manusia sintetis.

2. Mutasi

Menggantikan gen yang rusak dengan gen yang sehat dilakukan dengan cara kloning untuk memperbanyak salinan. Gen rusak oleh pasien  disisipkan gen sehat untuk memulai fungsi gen yang baru sehingga pasien dapat normal

4.  Kanker

Kanker adalah penyakit yang berbahaya dapat menyebabkan kematian pada penderitanya, meskipun telah dilakukan kemoterapi tidak menutup kemungkinan untuk pasien menderita kanker tersebut kembali. Dewasa ini, Para ilmuwan mencoba menganalisis dan mencari solusi pengobatan dengan menggunakan teknologi DNA rekombinan untuk mencegah pertumbuhan sel yang tidak terkontrol. 

5.  Vaksin

DNA rekombinan juga telah mengembangkan vaksin untuk penyakit seperti herpes, influenza, hepatitis dan penyakit menular lainnya. Enterferon obat, yang digunakan untuk mengobati limfoma dan leukemia myelogenous, juga merupakan hasil dari teknologi DNA rekombinan. Vaksin disisipkan pada produk tanaman seperti pada tanaman tomat atau kentang sehingga dalam proses pengiriman dan penyimpanan, dibandingkan dengan vaksin injeksi.

F.   Kerugian Protein Rekombinan

1. Penggunaan DNA rekombinan dalam produk makanan mengkhawatirkan Efek jangka panjang pada kesehatan manusia masih belum diketahui dan dipastikan keamanannya, DNA rekombinan dapat membahayakan karena memasukkan gen asing ke dalam genom. hal ini dapat menimbulkan efek berbahaya dan fatal, termasuk kanker.

2. Gangguan kesehatan bagi manusia, adalah Alergi. Beberapa produk makanan yang berasal dari hasil DNA rekombinan menimbulkan dampak alergi terhadap manusia. Entoduksi gen tertentu seperti gen kacang-kacangan ke dalam tanaman kedelai dapat menimbulkan reaksi allergi yang berpengaruh terhadap ketahanan tubuh.

3.  Pengaruh lain yang belum diketahui. Pengaruh hasil DNA rekombinan terhadap kesehatan masih terus diteliti, akan tetapi berdasarkan penomena yang telah terjadi seperti kasus cross polinasi dan kasus alergisitas, para ahli berpendapat kemungkinan reaksi buruk yang lain dapat terjadi.

 

 

DAFTAR PUSTAKA

 

Anonim, The Recombinant Protein Handbook, Protein Amplification, and Simple Purification, Edition AA, Amersham Pharmacia Biotech, page 6-8; 57

Kayser, O., dan Muller, R.H. (2004). Pharmaceutical Biotechnology; Drug Discovery and Clinical Applications. Willey-VCH: German.

Punjabi. (2008). Bioteknologi Kesehatan. Kanisius: Yogyakarta. 151-178.