Genetika
![]() Genetika (serapan dari bahasa Belanda: genetica) adalah cabang biologi yang mempelajari pewarisan sifat gen pada organisme maupun suborganisme.[1] Secara singkat dapat juga dikatakan bahwa genetika adalah ilmu tentang gen dan segala aspeknya. Istilah "genetika" diperkenalkan oleh William Bateson pada suatu surat pribadi kepada Adam Chadwick dan ia menggunakannya pada Konferensi Internasional tentang Genetika ke-3 pada tahun 1906. Dalam kaitannya dengan genetika, DNA memiliki peran yang amat penting. DNA adalah bahan genetik mendasar yang mengontrol sifat-sifat makhluk hidup, tereskpresikan dalam bentuk polipeptida, meskipun tidak seluruhnya adalah protein (dapat diekspresikan sebagai RNA yang memiliki reaksi katalitik, seperti SNRPs). Francis Crick menjelaskan aliran informasi yang dibawa oleh DNA dalam rangkaian The Central Dogma, yang berbunyi Aliran informasi DNA dapat diterukan ke sel-sel maupun individu lainnya dengan replikasi, dapat diekspresikan menjadi suatu sinyal perantara dalam bentuk RNA, yang kemudian dapat ditranslasikan menjadi polipeptida, unit pembangun suatu fenotipe dari organisme yang ada. Bidang kajian genetika dimulai dari wilayah subselular (molekular) hingga populasi. Secara lebih rinci, genetika berusaha menjelaskan:
Awal mula dan konsep dasarPeriode pra-MendelMeskipun orang biasanya menetapkan genetika dimulai dengan ditemukannya kembali naskah artikel yang ditulis Gregor Mendel pada tahun 1900, sebenarnya genetika sebagai "ilmu pewarisan" atau hereditas sudah dikenal sejak masa prasejarah, seperti domestikasi dan pengembangan berbagai ras ternak dan kultivar tanaman. Orang juga sudah mengenal efek persilangan dan perkawinan sekerabat serta membuat sejumlah prosedur dan peraturan mengenai hal tersebut sejak sebelum genetika berdiri sebagai ilmu yang mandiri. Silsilah tentang penyakit pada keluarga, misalnya, sudah dikaji orang sebelum itu. Namun, pengetahuan praktis ini tidak memberikan penjelasan penyebab dari gejala-gejala itu. Teori populer mengenai pewarisan yang dianut pada masa itu adalah teori pewarisan campur: seseorang mewariskan campuran rata dari sifat-sifat yang dibawa tetuanya, terutama dari pejantan karena membawa sperma. Hasil penelitian Mendel menunjukkan bahwa teori ini tidak berlaku karena sifat-sifat dibawa dalam kombinasi yang dibawa alel-alel khas, bukannya campuran rata. Pendapat terkait lainnya adalah teori Lamarck: sifat yang diperoleh tetua dalam hidupnya diwariskan kepada anaknya. Teori ini juga patah dengan penjelasan Mendel bahwa sifat yang dibawa oleh gen tidak dipengaruhi pengalaman individu yang mewariskan sifat itu.[2] Charles Darwin juga memberikan penjelasan dengan hipotesis pangenesis dan kemudian dimodifikasi oleh Francis Galton.[3] Dalam pendapat ini, sel-sel tubuh menghasilkan partikel-partikel yang disebut gemmula yang akan dikumpulkan di organ reproduksi sebelum pembuahan terjadi. Jadi, setiap sel dalam tubuh memiliki sumbangan bagi sifat-sifat yang akan dibawa zuriat (keturunan). Pada masa pra-Mendel, orang belum mengenal gen dan kromosom (meskipun DNA sudah diekstraksi namun pada abad ke-19 belum diketahui fungsinya). Saat itu orang masih beranggapan bahwa sifat diwariskan lewat sperma (tetua betina tidak menyumbang apa pun terhadap sifat anaknya). Konsep dasarPeletakan dasar ilmiah melalui percobaan sistematik baru dilakukan pada paruh akhir abad ke-19 oleh Gregor Johann Mendel. Ia adalah seorang biarawan dari Brno (Brünn dalam bahasa Jerman), Kekaisaran Austro-Hungaria (sekarang bagian dari Republik Ceko). Mendel disepakati umum sebagai 'pendiri genetika' setelah karyanya "Versuche über Pflanzenhybriden" atau Percobaan mengenai Persilangan Tanaman (dipublikasi cetak pada tahun 1866) ditemukan kembali secara terpisah oleh Hugo de Vries, Carl Correns, dan Erich von Tschermak pada tahun 1900. Dalam karyanya itu, Mendel pertama kali menemukan bahwa pewarisan sifat pada tanaman (ia menggunakan tujuh sifat pada tanaman kapri, Pisum sativum) mengikuti sejumlah nisbah matematika yang sederhana. Yang lebih penting, ia dapat menjelaskan bagaimana nisbah-nisbah ini terjadi, melalui apa yang dikenal sebagai 'Hukum Pewarisan Mendel'. Dari karya ini, orang mulai mengenal konsep gen (Mendel menyebutnya 'faktor'). Gen adalah pembawa sifat. Alel adalah ekspresi alternatif dari gen dalam kaitan dengan suatu sifat. Setiap individu disomik selalu memiliki sepasang alel, yang berkaitan dengan suatu sifat yang khas, masing-masing berasal dari tetuanya. Status dari pasangan alel ini dinamakan genotipe. Apabila suatu individu memiliki pasangan alel sama, genotipe individu itu bergenotipe homozigot, apabila pasangannya berbeda, genotipe individu yang bersangkutan dalam keadaan heterozigot. Genotipe terkait dengan sifat yang teramati. Sifat yang terkait dengan suatu genotipe disebut fenotipe. Kronologi perkembangan genetikaSetelah penemuan ulang karya Mendel, genetika berkembang sangat pesat. Perkembangan genetika sering kali menjadi contoh klasik mengenai penggunaan metode ilmiah dalam ilmu pengetahuan atau sains. Berikut adalah tahapan-tahapan perkembangan genetika:
Aplikasi Teori Blaise Pascal dan matematika pada genetikaGenetika muncul sebagai ilmu terapan yang dapat digunakan bersama dengan teori-teori matematika untuk mengekspresikan satuan unit gen dalam frekuensi kemunculannya, korelasi genotip dengan fenotip, dan sebagainya. Aturan dasar dari Peluang yang umum digunakan dalam perhitungan Genetika ialah Hukum Perkalian dan Hukum Pertambahan
Karena pada umumnya suatu persilangan monohibrida dengan dominasi total dan sempurna menghasilkan dua kemungkinan sifat (misal pada P= Aa >< Aa akan menghasilkan AA, Aa, dan aa), maka teori Binom Newton dapat diaplikasikan.
Untuk AA dan Aa memberikan fenotip a, dan aa memberikan fenotip b, serta P(a) adalah peluang kemunculan a, dan P(b) peluang kemunculan b, maka dari binom diatas dapat dimodifikasi menjadi:
Aturan Binom ini dapat dipersingkat menjadi segitiga pascal Contoh 1: Berapakah peluang seorang pasangan memiliki 8 anak, di mana tidak terdiri dari 3 orang laki-laki dan 5 orang perempuan? P(L) = Peluang mendapatkan laki-laki = 0.5 P(P) = Peluang mendapatkan perempuan = 0.5 Sehingga: P(N[3,5]) = 8!/(3!5!) x 0.53 x 0.55 = 0.21875 Karena yang dimaksud adalah keadaan tidak seperti yang telah dikalkulasi, maka peluang yang diharapkan ialah: 1-0.2875 = 0.7125 Contoh 2: Berapakah peluang seorang pasangan memiliki 8 anak, dengan urutan L, P, P, P, L, L, L, P? Karena telah ditentukan sebelumnya bahwa anak-anak muncul dengan urutan tertentu, maka peluangnya adalah: P(L) x P(P) x P(P) x P(P) x P(L) x P(L) x P(L) x P(P) = 0.58 = 0.0039 Cabang-cabang genetikaGenetika berkembang baik sebagai ilmu murni maupun ilmu terapan. Cabang-cabang dari ilmu ini terbentuk terutama sebagai akibat pendalaman terhadap suatu aspek tertentu dari objek kajiannya. Cabang-cabang murni genetika:
Cabang-cabang terapan genetika: Bioteknologi merupakan ilmu terapan yang tidak secara langsung merupakan cabang genetika tetapi sangat terkait dengan perkembangan di bidang genetika. Genetika arah-balik (reverse genetics)Kajian genetika klasik dimulai dari gejala fenotipe (yang tampak oleh pengamatan manusia) lalu dicarikan penjelasan genotipiknya hingga ke aras gen. Berkembangnya teknik-teknik dalam genetika molekular secara cepat dan efisien memunculkan filosofi baru dalam metodologi genetika, dengan membalik arah kajian. Karena banyak gen yang sudah diidentifikasi sekuensnya, orang memasukkan atau mengubah suatu gen dalam kromosom lalu melihat implikasi fenotipik yang terjadi. Teknik-teknik analisis yang menggunakan filosofi ini dikelompokkan dalam kajian genetika arah-balik atau reverse genetics, sementara teknik kajian genetika klasik dijuluki genetika arah-maju atau forward genetics. Penelitian dan teknologiOrganisme modelLalat buah biasa (Drosophila melanogaster) adalah organisme model yang populer dalam penelitian genetika. Meskipun ahli genetika pada awalnya mempelajari pewarisan sifat pada berbagai macam organisme, seiring waktu jumlah spesies yang diteliti semakin menyempit. Salah satu alasannya adalah ketika penelitian yang signifikan sudah ada pada suatu organisme, peneliti baru cenderung memilih organisme itu untuk diteliti lebih lanjut. Akibatnya, hanya beberapa organisme model yang akhirnya menjadi dasar sebagian besar penelitian genetika. Topik penelitian umum pada genetika organisme model meliputi; studi regulasi gen, peran gen dalam perkembangan, serta keterlibatan gen dalam kanker. Pemilihan organisme model juga didasarkan pada faktor kemudahan penelitian, misalnya: waktu generasi yang singkat dan kemudahan manipulasi genetik membuat beberapa organisme lebih populer sebagi alat penelitian genetika. Organisme model yang banyak digunakan anatara lain bakteri usus Escherichia coli, tumbuhan Arabidopsis thaliana, ragi roti (Saccharomyces cerevisiae), nematoda Caenorhabditis elegans, lalat buah (Drosophila melanogaster), ikan zebra (Danio rerio), dan tikus rumah (Mus musculus).[4] Obat-obatanGenetika medis berusaha memahami bagaimana variasi genetik berhubungan dengan kesehatan pada manusia.[5] Saat mencari gen yang belum diketahui tetapi mungkin berperan dalam suatu penyakit, peneliti biasanya menggunakan genetic linkage (pemetaan hubungan gen) dan bagan silsilah genetik (genetic pedigree charts) untuk menemukan lokasi gen dalam genom yang terkait dengan penyakit tersebut. Dalam skala populasi, peneliti menggunakan metode genome-wide association studies (GWAS) untuk mencari lokasi dalam genom yang berhubungan dengan penyakit. Metode ini sangat berguna untuk mempelajari sifat atau penyakit yang dipengaruhi banyak gen sekaligus (multigenic traits), bukan hanya oleh satu gen.[6] Setelah gen kandidat ditemukan, penelitian biasanya dilakukan dengan mempelajari gen yang sama (atau gen homolog) pada organisme model. Selain mempelajari penyakit genetik, perkembangan metode genotipe juga melahirkan bidang baru yaitu farmakogenetika, yakni studi tentang bagaimana perbedaan genotipe seseorang mempengaruhi responnya terhadap obat.[7] Setiap individu memiliki kecendrungan bawaan yang berbeda dalam hal risiko terkena kanker, dan kanker sendiri adalah penyakit genetik. Proses terbentuknya kanker di dalam tubuh adalah hasil dari berbagai peristiwa. Peristiwa pertama mutasi seluler dimana saat sel-sel tubuh membelah, kadang terjadi mutasi (perubahan DNA). Mutasi ini tidak diwariskan ke keturunan, tetapi bisa memengaruhi perilaku sel. Ada kalanya mutasi menyebabkan sel tumbuh dan membelah lebih cepat dari normal. Kemudian mekanisme pengendali alami yaitu tubuh sebenarnya punya mekanisme biologis untuk menghentikan sel yang membelah secara tidak semestinya. Misalnya, sel abnormal biasanya mendapat sinyal untuk mati (apoptosis). Namun, mutasi tambahan bisa muncul sehingga sel tersebut mengabaikan sinyal kematian ini. Selanjutnya adalah seleksi alam di dalam tubuh dimana seiring waktu, sel yang terus mengalami mutasi bisa bertahan dan semakin kuat, lalu menumpuk mutasi yang membuatnya semakin tumbuh tak terkendali. Sel ini kemudian membentuk tumor ganas yang dapat menyebar ke berbagai jaringan tubuh. Dalam kondisi normal, sel hanya akan membelah jika ada sinyal pertumbuhan (growth factors), lalu berhenti membelah jika sudah bersentuhan dengan sel lain atau mendapat sinyal penghambat pertumbuhan. Sel normal juga hanya bisa membelah beberapa kali sebelum mati, serta tetap berada di jaringan epitel (tidak berpindah ke organ lain). Untuk berubah menjadi sel kanker, sebuah sel harus mengumpulkan mutasi pada beberapa gen sekaligus (umumnya 3-7 gen). Akibatnya sel kanker bisa membelah tanpa sinyal pertumbuhan, mengabaikan sinyal penghambat pertumbuhan, menjadi "abadi" (tidak mati) dan terus membelah meski sudah menempel dengan sel lain, serta dapat keluar dari jaringan epitel, meninggalkan tumor awal, menembus pembuluh darah, lalu menjajah organ lain dan membentuk mestastasis (penyebaran kanker yang mematikan). Meskipun ada sebagin kecil kasus kanker yang dipengaruhi oelh faktor genetik bawaan (genetic predisposition), mayoritas kanker terjadi karena serangkaian mutasi genetik baru yang muncul pada satu atau beberapa sel tubuh tertentu. Mutasi ini bersifat somatik, artinya tidak diwariskan ke keturunan. Mutasi yang paling sering ditemukan diantarnya adalah kehilangan fungsi protein p53 (atau jalur p53), yang seharusnya sebagai penekan tumor. dan mutasi yang meningkatkan fungsi protein Ras atau gen kanker lainnya (oncogenens).[8][9] Metode penelitianEnzim testriksi adalah jenis enzim yang umum digunakan untuk memotong DNA pada urutan tertentu, sehingga menghasilkan fragmen DNA dengan pola yang dapat diprediksi.[10] Fragmen DNA tersebut dapat divisualisasikan menggunakan teknik elektroforesis gel, yaitu metode yang memisahkan fragmen DNA berdasarkan panjangnya.[11] Penggunaan enzim ligasi memungkinkan fragmen DNA yang terpisah untuk disambungkan kembali. Dengan menggabungkan (atau meligasi) fragmen DNA dari berbagai sumber, peneliti dapat membuat DNA rekombinan, yaitu DNA hasil gabungan yang sering dikaitkan dengan organisme hasil rekayasa genetika. DNA rekombinan biasanya digunakan dalam bentuk plasmid, yaitu molekul DNA sirkular kecil yang hanya membawa beberapa gen. Dalam proses yang disebut kloning molekuler, peneliti dapat memperbanyak (mengamplifikasi) fragmen DNA dengan cara memasukkan plasmid ke dalam bakteri, kemudian menumbuhkannya pada media agar di cawan kultur. Dengan begitu, dapat diisolasi koloni bakteri yang semuanya membawa plasmid yang sama. Istilah "kloning" juga bisa merujuk pada berbagai cara untuk menciptakan organisme klonal, yaitu organisme yang identik secara genetik.[12] DNA juga bisa diperbanyak menggunakan prosedur yang disebut reaksi berantai polimerase (Polymerase Chain Reaction / PCR). Dengan memanfaatkan urutan pendek DNA tertentu sebagai penanda, PCR dapat menargetkan bagian DNA spesifik lalu menggandakannya secara eksponensial. Karena mampu memperbanyak DNA dari jumlah yang sangat kecil, PCR juga sering dipakai untuk mendeteksi keberadaan urutan DNA tertentu.[13] Sekuen DNA dan genomikSekuen DNA (DNA sequencing) adalah salah satu teknologi paling mendasar yang dikembangkan untuk mempelajari genetika. Teknologi ini memungkinkan peneliti menentukan urutan nukleotida dalam fragmen DNA. Metode chain-termination sequencing (penghentian rantai), yang dikembangkan pada tahun 1977 oleh tim yang dipimpin Frederick Sanger, hingga kini masih sering digunakan untuk menentukan urutan DNA pada fragmen tertentu. Dengan teknologi ini, peneliti dapat mempelajari urutan molekul yang berkaitan dengan banyak penyakit manusia.[14] Seiring biaya sekuensing yang semakin murah, para peneliti berhasil menentukan urutan genom berbagai organisme melalui proses yang disebut genome assembly. Proses ini menggunakan alat komputasi untuk menyusun dan menyatukan urutan DNA dari banyak fragmen berbeda.[15] Teknologi tersebut juga digunakan dalam Human Genome Project (Proyek Genom Manusia) yang selesai pada tahun 2003.[16] Saat ini, teknologi sekuensing berkapasitas tinggi (high-throughput sequencing) secara drastis menurunkan biaya penentuan urutan DNA. Banyak peneliti berharap biaya untuk melakukan sekuensing ulang genom manusia dapat turun hingga sekitar seribu dolar.[17] Teknologi next-generation sequencing (sekuensing generasi berikutnya) atau sekuensing berkapasitas tinggi muncul karena kebutuhan yang terus meningkat akan metode sekuensing dengan biaya rendah.[18] Teknologi ini memungkinkan dihasilkannya jutaan urutan DNA secara bersamaan. Jumlah data urutan DNA yang sangat besar ini melahirkan subbidang baru dalam penelitian, yaitu genomik, yang menggunakan alat komputasi untuk mencari dan menganalisis pola-pola dalam keseluruhan genom suatu organisme. Referensi
Pranala luar
|