Nama : Indra Aris Hermawan
NPM : 53410510
Kelas : 4 IA 09
BIOINFORMATIKA:
Perkembangan, Disiplin
Ilmu dan
Penerapannya di Indonesia
Dwi Astuti Aprijani
M. Abdushshomad Elfaizi
Lisensi
Hak Cipta © 2004 oleh M. Abdushshomad Elfaizi dan Dwi Astuti Aprijani
Silakan menyalin, mengedarkan, dan/atau, memodifikasi bagian dari dokumen –
$Revision: 1.1.0.0 $ – – yang dikarang oleh M. Abdushshomad Elfaizi dan Dwi Astuti Aprijani, sesuai dengan ketentuan "GNU Free Documentation License versi 1.1" atau versi selanjutnya dari FSF (Free Software Foundation); tanpa bagian "Invariant", tanpa teks "Halaman Judul", dan tanpa teks "Halaman Sampul Belakang". Salinan lengkap dari lisensi tersebut dapat dilihat di http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html. Ketentuan ini TIDAK berlaku untuk bagian dan/atau kutipan yang bukan dikarang oleh M. Abdushshomad Elfaizi dan Dwi Astuti Aprijani.
Abstrak
Bioinformatika merupakan kajian yang
memadukan disiplin biologi molekul,
matematika dan teknik informasi
(TI). Ilmu ini didefinisikan sebagai aplikasi dari alat komputasi dan analisa untuk menangkap dan menginterpretasikan
data-data biologi molekul. Biologi molekul sendiri juga merupakan bidang interdisipliner,
mempelajari kehidupan dalam level molekul.
Mula-mula bidang
kajian ini muncul atas inisiatif
para ahli biologi molekul dan ahli
statistik, berdasarkan pola pikir bahwa semua gejala yang ada di
alam ini bisa dibuat secara artificial melalui simulasi dari data-data yang ada. Pada bidang Bioinformatika, data-data atau tindak-tanduk gejala genetika menjadi inti pembentukan simulasi.
Pada saat ini, Bioinformatika ini mempunyai peranan yang sangat penting, diantaranya adalah untuk manajemen
data-data biologi molekul, terutama sekuen DNA dan informasi genetika . Perangkat utama Bioinformatika adalah software dan didukung oleh kesediaan internet.
Bioinformatika mempunyai peluang yang
sangat besar untuk berkembang karena banyak sekali
cabang-cabang
ilmu yang terkait dengannya.
Namun
sayangnya
di Indonesia sendiri Bioinformatika masih belum dikenal oleh masyarakat luas. Di kalangan peneliti biologi, mungkin hanya para peneliti biologi molekul yang mengikuti perkembangannya karena
keharusan menggunakan perangkat-perangkat Bioinformatika untuk analisa data. Sementara di kalangan TI
--mengingat kuatnya disiplin biologi yang menjadi pendukungnya-- kajian ini juga masih kurang mendapat
perhatian. Paper ini bertujuan untuk lebih mengenalkan Bioinformatika di kalangan
TI dan masyarakat luas.
Keyword: bioinformatika, genom, sekuen, teknik
informasi (TI).
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Sejarah
Penetrasi Teknologi Informasi (TI) dalam berbagai disiplin ilmu
telah melipatgandakan perkembangan ilmu
bersangkutan. Berbagai kajian baru
bermunculan,
sejalan dengan perkembangan TI itu sendiri
dan disiplin ilmu
yang didukungnya. Aplikasi TI dalam bidang
biologi molekul telah melahirkan bidang
Bioinformatika. Kajian ini
semakin penting, sebab perkembangannya telah mendorong kemajuan bioteknologi
di satu sisi, dan pada sisi
lain memberi
efek
domino pada bidang
kedokteran, farmasi, lingkungan dan lainnya.
Kajian baru Bioinformatika ini tak
lepas dari perkembangan biologi molekul modern yang ditandai dengan kemampuan
manusia untuk memahami genom, yaitu cetak biru
informasi genetik yang menentukan sifat setiap makhluk hidup yang disandi dalam bentuk pita
molekul DNA (asam deoksiribonukleat). Kemampuan untuk memahami dan memanipulasi kode
genetik DNA ini
sangat didukung
oleh
TI melalui perangkat
perangkat keras maupun lunak. Hal
ini bisa dilihat pada upaya Celera Genomics, perusahaan bioteknologi Amerika Serikat yang
melakukan pembacaan sekuen
genom manusia yang secara maksimal memanfaatkan TI
sehingga bisa melakukan pekerjaannya dalam waktu yang
singkat (hanya beberapa
tahun), dibanding usaha konsorsium lembaga riset publik AS, Eropa, dan lain-lain, yang memakan waktu lebih dari 10 tahun.
Kelahiran Bioinformatika modern tak lepas dari perkembangan bioteknologi di era tahun 70-an, dimana seorang ilmuwan AS melakukan inovasi dalam mengembangkan teknologi DNA rekombinan.
Berkat
penemuan
ini lahirlah perusahaan bioteknologi pertama di dunia, yaitu Genentech di
AS,
yang kemudian memproduksi protein hormon insulin dalam bakteri, yang dibutuhkan penderita diabetes. Selama ini insulin hanya bisa didapatkan dalam jumlah sangat terbatas dari organ pankreas sapi.
Bioteknologi modern ditandai dengan kemampuan pada
manipulasi DNA. Rantai/sekuen DNA yang mengkode protein disebut gen. Gen
ditranskripsikan menjadi
mRNA, kemudian mRNA ditranslasikan menjadi protein. Protein sebagai produk akhir bertugas menunjang seluruh proses kehidupan, antara lain
sebagai katalis reaksi biokimia
dalam tubuh (disebut
enzim), berperan serta dalam sistem pertahanan tubuh melawan virus, parasit dan lain-lain (disebut antibodi), menyusun struktur tubuh dari ujung kaki (otot terbentuk
dari protein actin, myosin, dan sebagainya) sampai ujung rambut (rambut tersusun dari protein keratin), dan lain-lain. Arus informasi, DNA -> RNA -> Protein,
inilah yang disebut sentral dogma dalam biologi molekul.
Sekuen DNA satu organisme, yaitu pada sejenis virus yang memiliki kurang lebih
5.000 nukleotida/molekul DNA atau sekitar 11
gen, berhasil dibaca secara menyeluruh
pada tahun 1977. Sekuen seluruh DNA manusia terdiri dari 3
milyar nukleotida yang menyusun 100.000 gen dapat dipetakan
dalam waktu 3 tahun. Saat ini terdapat milyaran data nukleotida yang tersimpan dalam database DNA, GenBank di AS yang didirikan
tahun 1982.
Di Indonesia,
ada Lembaga Biologi
Molekul
Eijkman yang
terletak
di Jakarta. Di
sini kita
bisa
membaca
sekuen sekitar 500 nukleotida
hanya
dengan membayar $15. Trend yang sama juga
nampak pada database lain seperti database sekuen asam
amino penyusun
protein, database struktur 3D protein, dan sebagainya. Inovasi teknologi DNA chip yang dipelopori oleh perusahaan bioteknologi AS, Affymetrix di Silicon Valley telah mendorong munculnya database
baru mengenai RNA.
Desakan kebutuhan untuk mengumpulkan, menyimpan dan menganalisa data-data biologis dari
database DNA, RNA maupun protein inilah yang semakin memacu perkembangan
kajian Bioinformatika.
1.2. Contoh-contoh Penggunaan
1.2.1. Bioinformatika dalam Bidang Klinis
Bioinformatika dalam bidang klinis sering disebut sebagai informatika klinis (clinical informatics). Aplikasi
dari informatika klinis ini berbentuk manajemen data-data klinis dari pasien melalui Electrical Medical Record (EMR) yang dikembangkan
oleh
Clement J. McDonald
dari Indiana University School of Medicine pada tahun 1972. McDonald pertama kali mengaplikasikan EMR pada 33
orang pasien penyakit gula (diabetes). Sekarang
EMR ini telah diaplikasikan
pada berbagai
penyakit. Data yang disimpan meliputi data analisa diagnosa
laboratorium, hasil konsultasi dan saran, foto rontgen, ukuran
detak
jantung, dan lain lain.
Dengan
data ini dokter
akan
bisa menentukan obat yang sesuai dengan kondisi pasien tertentu dan lebih
jauh lagi, dengan dibacanya genom
manusia, akan memungkinkan untuk
mengetahui penyakit genetik seseorang, sehingga penanganan terhadap pasien menjadi lebih akurat.
1.2.2. Bioinformatika untuk Identifikasi Agent Penyakit Baru
Bioinformatika
juga menyediakan tool yang
sangat penting untuk identifikasi agent penyakit yang
belum
dikenal penyebabnya.
Banyak
sekali
penyakit baru yang muncul dalam dekade
ini, dan diantaranya
yang masih hangat adalah
SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome).
Pada awalnya, penyakit ini diperkirakan disebabkan oleh virus influenza karena gejalanya mirip dengan gejala pengidap influenza. Akan tetapi ternyata dugaan ini salah karena virus influenza tidak terisolasi dari pasien. Perkirakan lain
penyakit ini disebabkan
oleh bakteri Candida karena bakteri ini terisolasi dari beberapa pasien. Tapi perkiraan
ini juga salah. Akhirnya ditemukan bahwa dari sebagian besar pasien SARS terisolasi virus Corona jika dilihat dari morfologinya. Sekuen genom virus ini kemudian dibaca dan dari hasil analisa dikonfirmasikan
bahwa penyebab SARS adalah virus Corona yang telah berubah (mutasi) dari virus Corona yang ada selama ini.
Dalam rentetan proses ini, Bioinformatika memegang peranan penting. Pertama pada proses pembacaan genom virus Corona.
Karena
di database
seperti
GenBank,
EMBL (European Molecular Biology Laboratory), dan DDBJ (DNA Data Bank of Japan)
sudah tersedia data sekuen beberapa virus Corona, yang bisa
digunakan untuk mendisain primer yang digunakan
untuk amplifikasi DNA virus SARS ini. Software untuk mendisain primer juga tersedia, baik yang gratis maupun yang komersial. Contoh yang gratis adalah Webprimer yang disediakan oleh
Stanford Genomic Resources (http://genome-www2.stanford.edu/cgi-bin/SGD/web-primer), GeneWalker
yang disediakan oleh Cybergene AB (http://www.cybergene.se/primerdisain/genewalker),
dan
lain sebagainya. Untuk yang komersial ada
Primer Disainer yang dikembangkan oleh Scientific &
Education Software,
dan software-software
untuk analisa
DNA lainnya
seperti Sequencher (GeneCodes Corp.), SeqMan II (DNA STAR Inc.), Genetyx (GENETYX Corp.), DNASIS (HITACHI Software), dan lain lain.
Kedua pada proses mencari kemiripan sekuen (homology alignment) virus
yang didapatkan dengan virus lainnya. Dari
hasil analisa virus SARS diketahui bahwa genom virus Corona penyebab SARS berbeda dengan virus Corona lainnya. Perbedaan ini diketahui dengan menggunakan
homology
alignment dari
sekuen
virus SARS. Selanjutnya, Bioinformatika juga
berfungsi untuk
analisa posisi sejauh mana suatu virus berbeda dengan virus lainnya.
1.2.3. Bioinformatika
untuk Diagnosa Penyakit Baru
Untuk menangani penyakit baru diperlukan diagnosa yang akurat sehingga dapat dibedakan dengan penyakit lain. Diagnosa
yang akurat ini
sangat diperlukan untuk pemberian obat dan perawatan yang tepat bagi pasien.
Ada beberapa cara untuk
mendiagnosa suatu penyakit, antara lain: isolasi agent penyebab penyakit tersebut dan analisa morfologinya, deteksi antibodi yang dihasilkan dari infeksi dengan teknik enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), dan deteksi gen dari agent pembawa penyakit tersebut dengan Polymerase
Chain Reaction (PCR).
Teknik yang banyak dan lazim dipakai saat ini
adalah teknik PCR. Teknik ini sederhana, praktis dan
cepat. Yang penting dalam teknik PCR adalah disain primer untuk amplifikasi DNA, yang memerlukan data sekuen dari genom agent yang bersangkutan dan software seperti yang telah diuraikan di atas. Disinilah Bioinformatika memainkan peranannya. Untuk agent yang mempunyai genom RNA, harus dilakukan reverse transcription (proses
sintesa
DNA dari RNA) terlebih dahulu dengan menggunakan enzim reverse transcriptase. Setelah DNA diperoleh baru
dilakukan PCR. Reverse transcription dan
PCR ini bisa dilakukan sekaligus dan biasanya dinamakan RT-PCR.
Teknik PCR ini
bersifat kualitatif, oleh sebab itu
sejak beberapa
tahun yang lalu dikembangkan teknik lain, yaitu Real Time PCR yang bersifat kuantitatif. Dari hasil Real Time PCR
ini bisa ditentukan kuantitas suatu agent di dalam tubuh seseorang, sehingga bisa dievaluasi tingkat emergensinya. Pada Real Time PCR ini selain primer diperlukan probe yang harus didisain sesuai dengan sekuen agent yang bersangkutan. Di sini juga diperlukan software atau program Bioinformatika.
1.2.4. Bioinformatika untuk Penemuan Obat
Cara untuk menemukan obat
biasanya dilakukan dengan menemukan zat/senyawa
yang
dapat menekan perkembangbiakan suatu agent penyebab penyakit. Karena perkembangbiakan agent tersebut dipengaruhi oleh
banyak faktor, maka faktor-faktor inilah yang dijadikan target. Diantaranya adalah enzim-enzim yang diperlukan untuk perkembangbiakan suatu agent Mula-mula yang harus dilakukan adalah analisa struktur dan fungsi enzim-enzim tersebut.
Kemudian mencari atau
mensintesa zat/senyawa yang dapat menekan fungsi dari enzim-enzim tersebut.
Analisa struktur
dan fungsi enzim ini dilakukan
dengan cara mengganti
asam amino
tertentu dan menguji
efeknya. Analisa penggantian asam amino
ini dahulu dilakukan secara random sehingga memerlukan waktu yang
lama. Setelah Bioinformatika
berkembang, data-data protein yang sudah dianalisa bebas diakses oleh siapapun, baik data sekuen asam amino-nya seperti yang ada di
SWISS-PROT
(http://www.ebi.ac.uk/swissprot/) maupun struktur 3D-nya yang tersedia di
Protein Data Bank (PDB) (http://www.rcsb.org/pdb/). Dengan database yang tersedia ini,
enzim yang baru ditemukan dapat dibandingkan sekuen asam amino-nya, sehingga bisa diperkirakan asam amino yang berperan untuk aktivitas (active site) dan kestabilan enzim tersebut.
Setelah asam amino yang berperan sebagai
active site dan
kestabilan enzim
tersebut ditemukan, kemudian
dicari
atau disintesa senyawa
yang
dapat berinteraksi dengan asam amino tersebut.
Dengan data yang ada di PDB, maka dapat dilihat struktur
3D suatu enzim termasuk active site-nya, sehingga bisa diperkirakan bentuk senyawa yang akan berinteraksi
dengan active
site
tersebut.
Dengan
demikian, kita cukup mensintesa senyawa yang diperkirakan akan berinteraksi, sehingga obat
terhadap suatu penyakit akan jauh
lebih cepat ditemukan. Cara ini dinamakan “docking” dan
telah
banyak digunakan oleh perusahaan farmasi untuk penemuan
obat baru.
Meskipun dengan Bioinformatika ini
dapat diperkirakan senyawa yang berinteraksi dan
menekan fungsi suatu enzim, namun hasilnya harus dikonfirmasi dahulu melalui eksperimen di laboratorium. Akan tetapi dengan Bioinformatika, semua
proses ini bisa
dilakukan
lebih cepat sehingga
lebih
efisien baik dari segi waktu maupun finansial.
Tahun 1997,
Ian Wilmut
dari
Roslin
Institute dan PPL
Therapeutics
Ltd, Edinburgh,
Skotlandia, berhasil mengklon gen manusia yang menghasilkan
faktor IX (faktor pembekuan darah), dan memasukkan ke
kromosom biri-biri. Diharapkan biri-biri yang selnya mengandung gen manusia faktor IX akan menghasilkan susu yang mengandung
faktor
pembekuan darah.
Jika berhasil
diproduksi dalam jumlah banyak maka faktor IX
yang
diisolasi dari susu harganya bisa lebih murah untuk membantu
para penderita hemofilia.
REFERENSI
[WITARTO2003] Witarto,
Arief B. (2003),
BIOINFORMATIKA: Mengawinkan
Teknologi Informasi dengan Bioteknologi. Trendnya di Dunia dan Prospeknya di
Indonesia (2003) Modul Pelatihan Bioteknologi,
Unit Penelitian Bioteknologi Perkebunan, Konsorsium Bioteknologi Indonesia, Wageningen University and Research Center, dan Stoas-Belanda.
2004
informatics-faq/ per 20 Januari 2004
