BAHAN PERCOBAAN GENETIKA

BAHAN PERCOBAAN GENETIKA

A.    Genetika

Genetika (dari bahasa Yunani γέννω atau genno yang berarti "melahirkan") merupakan cabang biologi yang penting saat ini. Ilmu ini mempelajari berbagai aspek yang menyangkut pewarisan sifat dan variasi sifat pada organisme maupun suborganisme (seperti virus dan prion). Ada pula yang dengan singkat mengatakan, genetika adalah ilmu tentang gen. Nama "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.

Bidang kajian genetika dimulai dari wilayah molekular hingga populasi (lihat entri biologi). Secara lebih rinci, genetika berusaha menjelaskan

• material pembawa informasi untuk diwariskan (bahan genetik),
• bagaimana informasi itu diekspresikan (ekspresi genetik), dan
• bagaimana informasi itu dipindahkan dari satu individu ke individu yang lain (pewarisan genetik).

Meskipun orang biasanya menetapkan genetika dimulai dengan ditemukannya kembali naskah artikel yang ditulis Gregor Mendel pada tahun 1900, sebetulnya kajian genetika sudah dikenal sejak masa prasejarah, seperti domestikasi dan pengembangan trah-trah murni (pemuliaan) ternak dan 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. Kala itu, kajian semacam ini disebut "ilmu pewarisan" atau hereditas.

B.     Bahan Percobaan Griffith

Percobaan Griffith, dilakukan pada tahun 1928 oleh Frederick Griffith, adalah salah satu percobaan pertama yang menunjukkan bahwa bakteri dapat memindahkan informasi genetik melalui proses yang disebut transformasi.

Griffith menggunakan dua galur Pneumococcus (yang menginfeksi tikus), galur tipe III-S dan tipe II-R. Galur III-S memiliki kapsul polisakarida yang membuatnya tahan terhadap sistem kekebalan inangnya sehingga mengakibatkan kematian inang, sementara galur II-R tidak memiliki kapsul pelindung tersebut dan dapat dikalahkan oleh sistem kekebalan tubuh inang.

Dalam eksperimen ini bakteri galur III-S dipanaskan hingga mati, dan sisa-sisanya ditambahkan ke bakteri galur II-R. Meskipun tikus tidak akan mati bila terkena baik sisa-sisa bakteri galur III-S (yang sudah mati) ataupun galur II-R secara terpisah, gabungan keduanya mengakibat kematian tikus inang. Griffith berhasil mengisolasi baik galur pneumococcus II-R hidup maupun III-S hidup dari darah tikus mati ini. Griffith menyimpulkan bahwa bakteri tipe II-R telah tertransformasikan menjadi galur III-S oleh sebuah prinsip transformasi yang entah bagaimana menjadi bagian bakteri galur III-S yang mati.

Kini kita mengetahui bahwa prinsip pentransformasi yang diamati oleh Griffith adalah DNA bakteri galur III-S. Meskipun bakteri itu telah mati, DNA-nya bertahan dari proses pemanasan dan diambil oleh bakteri galur II-R. DNA galur III-S mengandung gen yang membentuk kapsul perlindungan. Dilengkapi dengan gen ini, bakteri galur II-R menjadi terlindung dari sistem kekebalan inang dan dapat membunuhnya. Verifikasi DNA sebagai prinsip pentransformasi ini dilakukan dalam percobaan oleh Avery, McLeod dan McCarty dan oleh Hershey dan Chase.

C.    Bahan Percobaan Hershey dan Chase

Percobaan Hershey-Chase adalah serangkaian percobaan yang dilakukan pada tahun 1952 oleh Alfred Hershey dan Martha Chase, yang mengkonfirmasi bahwa DNA merupakan bahan genetik, yang pertama kali didemonstrasikan oleh Avery, MacLeod dan McCarty. Meskipun DNA telah dikenal oleh para biologiwan sejak 1869, pada saat itu kebanyakan orang menganggap bahwa proteinlah yang membawa informasi dalam pewarisan sifat.

Hershey dan Chase melakukan percobaan mereka pada fag T2, virus yang strukturnya saat itu telah diketahui lewat mikroskop elektron. Fag ini terdiri hanya dari cangkang protein yang berisi bahan genetik. Fag ini menginfeksi bakteri dengan menempel pada membran luar bakteri dan menyuntikkan bahan genetiknya lalu meninggalkan cangkang kosongnya tetap menempel pada permukaan bakteri. Infeksi bahan genetik ini mengakibatkan mesin genetik bakteri tersebut memperbanyak virus.

 

Struktur umum

Pada percobaan pertama, Hershey dan Chase melabeli DNA fag dengan unsur fosfor-32 radioaktif (unsur fosfor ada dalam DNA tapi tidak ditemukan dalam satu pun asam amino yang menjadi komponen dasar protein). Mereka menginfeksi bakteri E. coli dengan fag tersebut, lalu menyingkirkan cangkang protein dari sel terinfeksi dengan blender dan sentrifuga. Mereka menemukan bahwa perunut radioaktif tersebut hanya terlihat dalam sel-sel bakteri, dan tidak ditemukan pada cangkang protein.

Pada percobaan kedua mereka melabeli fag dengan belerang-35 radioaktif (belerang ditemukan pada asam amino sisteina dan metionina, tapi tidak ditemukan dalam DNA). Setelah pemisahan, perunut radioaktif ditemukan dalam cangkang protein, tapi tidak dalam bakteri terinfeksi. Ini mengkonfirmasi bahwa bahan genetik yang menginfeksi bakteri adalah DNA.

Hershey merupakan salah satu penerima Penghargaan Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran tahun 1969 untuk "penemuan tentang struktur genetik virus".

D.    Percobaan Meselson-Stahl

Percobaan Meselson-Stahl adalah percobaan yang dilakukan oleh Matthew Meselson dan Franklin Stahl yang mendemonstrasikan bahwa replikasi DNA adalah semikonservatif. Replikasi semikonservatif berarti bahwa bila ulir DNA yang beruntai ganda direplikasi, setiap dari kedua ulir DNA yang beruntai ganda tersebut terdiri dari satu untai yang berasal dari ulir awal, dan satu untai lagi berasal dari sintesis baru.

Nitrogen adalah konstituen utama DNA. ¹⁴N adalah isotop terbanyak nitrogen, tetapi DNA dengan isotop ¹⁵N juga dapat ditemukan dan stabil. Isotop ¹⁵N tidak radioaktif, hanya lebih berat daripada nitrogen biasa.

E. coli dibiakkan selama beberapa generasi di medium yang mengandung ¹⁵N. Ketika DNA diekstrak dari sel tersebut dan disentrifuga pada gradien kerapatan garam, DNA berpisah pada titik tempat kerapatannya sama dengan larutan garam tersebut. DNA dari sel yang dihasilkan memiliki kerapatan yang lebih tinggi (lebih berat).

Setelah itu, sel E. coli dengan hanya ¹⁵N dalam DNA-nya ditaruh kembali dalam medium ¹⁴N dan dibolehkan untuk membelah diri hanya sekali. DNA kemudian diekstrak dari sebuah sel dan dibandingkan dengan DNA dengan ¹⁴N maupun dengan ¹⁴N. Hasilnya ditemukan DNA tersebut memiliki kerapatan antara. Karena replikasi konservatif akan menghasilkan banyaknya DNA dengan kerapatan yang tinggi dan rendah dalam jumlah yang sama (namun tidak ada DNA dengan kerapatan antara), percobaan ini menunjukkan replikasi seperti ini tidak terjadi. Namun hasil ini konsisten dengan replikasi semikonservatif dan dispersif.

Replikasi semikonservatif akan menghasilkan DNA untai ganda dengan satu untai ¹⁵N dan satu untai ¹⁴N, sedangkan replikasi dispersif akan menghasilkan DNA untai ganda, dengan kedua untai memiliki campuran DNA ¹⁵N dan ¹⁴. Kedua hasil ini akan muncul sebagai DNA dengan kerapatan antara.

DNA kemudian diekstrak dari sel yang dibiakkan selama beberapa generasi dalam medium ¹⁵N, diikuti dengan dua pembelahan diri di dalam medium ¹⁴N. DNA dari sel-sel ini ditemukan memiliki jumlah yang sama dua kerapatan berbeda. Satu berhubungan dengan kerapatan antara DNA yang ditumbuhkan hanya selama satu pembelahan diri dalam medium ¹⁴, sedangkan sejumlah lain berhubungan dengan sel yang sepenuhnya dibiakkan dalam medium ¹⁴N.

Hasil ini tidak konsisten dengan replikasi dispersif, yang seharusnya menghasilkan DNA dengan kerapatan tunggal, lebih rendah daripada kerapatan antara sel generasi tunggal, tapi dengan kerapatan lebih tinggi daripada DNA dari sel yang semata-mata ditumbuhkan dalam medium DNA ¹⁴N. Pada replikasi dispersif DNA ¹⁵N awal akan terbelah sama banyak di antara semua untaian DNA.

Hasil ini konsisten dengan replikasi semikonservatif. Sejumlah sel-sel generasi kedua akan memiliki satu untaian DNA ¹⁵N awal bersama-sama dengan salah satu dari DNA ¹⁴N, yang menjelaskan munculnya DNA dengan kerapatan antara. Sejumlah sel-sel lain akan memiliki sepenuhnya DNA ¹⁴N, untai pertama disintesis pada pembelahan pertama, sedangkan untai lainnya disintesis pada pembelahan kedua. Penemuan ini sangat penting dalam perkembangan biologi dan sangat membantu dalam perawatan penyakit, seperti kanker.

E.     Prinsip Genetika

Perkembangan genetika sebagi ilmu tidak lepas dari percobaan yang dilakukan Mendel pada Pisum sativum. Mendel berhasil menjelaskan bagaimana sifat diwariskan dari tetuanya kepada anak dalam suatu persilangan antar tanaman dengan sifat yang berbeda.

Pisum sativum memiliki keuntungan digunakan dalam percobaan genetika karena mudah didapat, mempunyai keragaman yang jelas bisa dibedakan meliputi warna biji, bentuk biji, warna bunga. Pisum sativum memiliki bunga cukup besar sehingga memudahkan pesilangan buatan.

Pada persilangan dengan satu sifat beda, mendel menyilangkan tanaman dengan bunga ungu dengan tanaman berbunga putih dan dihasilkan tanaman berbunga ungu (F1). Sifat bunga ungu ini disebut dominan. Jika F1 disilangkan dengan F1 maka dihasilkan bunga F2 dengan perbandingan ungu : putih = 3:1. Sifat yang diamati disebut fenotipe, sedangkan faktor yang mengendalikan disebut genotipe.

Pada persilangan dengan dua sifat beda, misalnya bulat kuning (RRYY) dengan hijau keriput (rryy), dihasilkan F1 bulat kuning (RrYy). Jika F1 diselangkan dengan F1, diperoleh perbandingan bulat kuning, bulat hijau, keriput kuning, keriput hijau dengan perbandingan 9 : 3: 3 : 1.

Dari persilangan ini maka ditetapkan hukum mendel I atau hukum segregasi dan hukum mendel II atau hukum pisah bebas.

Konsep umum mengenai cara kerja gen atau ekspresi gen adalah berdasarkan kedominanan dan keresesifan. Artinya, alel terekspresi secara komplit pada fenotipe atau tidak terekspresi sama sekali. Prinsip ini merupakan prinsip Mendel. Tetapi penelitian membuktikan bahwa terdapat banyak macam aksi gen dan interaksi yang mempengaruhi pola segregasi. Tipe dari aksi gen dapat dibedakan menjadi dua katagori umum yaitu antar alel pada lokus yang sama (intralokus) dan antar alel pada lokus-lokus yang berbeda (interlokus).

Interaksi intralokus

Terdapat tiga macam interaksi intralokus. Tipe pertama adalah dominan seperti yang disimpulkan oleh mendel dalam penelitiannya. Pada tipe dominan, rasio F2 dari dua tetua homozigot adalah 3:1. Tipe kedua adalah tidak dominan (no-dominance/incomplete dominance). Pada tipe ini fenotipe dari heterozigot berada di tengah-tengah di antara kedua tetua. Contohnya adalah pada persilangan bunga pukul empat merah dan putih dihasilkan bunga merah muda pada F1. F2nya menyebar dengan rasio 1 merah: 2 merah muda: 1 putih. Tipe ketiga adalah overdominance. Pada situasi ini heterozigot memiliki nilai fenotipe di luar kisaran antara kedua tetua.

Interaksi interlokus

Interaksi interlokus menyebabkan distribusi F2 berubah. Ekspresi dari alel berubah karena kehadiran atau ketakhadiran alel atau alel-alel pada lokus yang berbeda.

Tipe aksi gen lainnya yang tidak termasuk epistasis adalah additive gene action. Pada aditif tiap alel pada satu lokus akan menambah atau mengurangi derajat nilai fenotipe. Contohnya adalah pada warna bagian dalam biji gandum. Warna biji gandum ditentukan oleh 3 lokus R1, R2 dan R3 dengan 2 alel pada tiap lokus. Warna biji bervariasi dari merah gelap ke putih dan intensitas warna tergantung pada jumlah dari alel yang menambah warna. Warna merah gelap adalah R1R1R2R2R3R3, sedangkan putih adalah r1r1r2r2r3r3. Jika disilangkan, maka F1nya adalah R1r1R2r2R3r3 menunjukkan warna intermediet diantara kedua tetuanya. Pada F2 akan muncul sebuah seri warna yang sebarannya seperti sebaran normal antara dua fenotipe yang ekstrim.

Jika disilangkan R1R1R2R2r3r3 dengan r1r1r2r2R3R3, dimana satu tetua merah gelap dan satu tetua sedikit merah, maka F1nya akan menunjukkan warna intermediet. F2nya akan menyebar dari sangat gelap ke putih. Pada persilangan ini, keturunannya berada di luar batas fenotipe tetua merah gelap dan tetua sedikit merah. Hal ini disebut segregasi transgresive.

Pada aksi gen, kadang-kadang terjadi genotipe-genotipe yang sama tetapi tidak mengekspresikan fenotipe yang sama walaupun keadaan lingkungan seragam. Perbedaan ini disebut perbedaan dalam penetrasi. Penetrasi adalah presentase individu untuk genotype tertentu yang menampilkan fenotipe dari genotype tersebut. Contohnya, suatu organisme yang bergenotipe aa atau A_ tetapi tidak menunjukkan fenotipe yang sebagaimana normalnya bergenotipe aa atau A_ karena adanya gen-gen epistasis atau supresor, atau karena efek lingkungan. Istilah penetrasi dapat digunakan untuk menjelaskan efek tersebut jika penyebab pastinya tidak diketahui.

Peristiwa lain yang cenderung memperlihatkan hasil peristiwa genetika yang kurang jelas adalah ekspresivitas. Ekspresivitas adalah derajat atau tingkat suatu genotype tertentu mengekspresikan fenotipenya pada suatu individu. Contohnya, genotype A_ yang seharusnya berfenotipe merah, tetapi yang tampak adalah derajat warna yang berbeda-beda, misalnya warna biru, merah tua, merah muda, putih. Ekspresivitas warna yang berbeda-beda ini karena adanya pengaruh gen-gen lainnya atau pengaruh lingkungan yang tidak diketahui dengan pasti.

Kondisi lingkungan yang penting

Cahaya: Lamanya penyinaran atau lamanya periode gelap dapat menginduksi munculnya bunga pada beberapa species tanaman Suhu: Banyak proses biokimia dipengaruhi oleh suhu. Lintasan reaksi biokimia melibatkan enzim yang peka terhadap suhu. Perubahan suhu dapat mengubah fenotipe. Nutrisi: Contohnya, efek beberapa genotype baru dapat dilihat hanya kalau tanaman dalam lingkungan stress. Perlakuan buatan: Ekspresi suatu sifat bisa tidak nampak karena pemberian senyawa kimia atau hormon.

Variasi/Keanekaragam genetik

Variasi atau keanekaragaman genetik sangat penting karena jika tidak terdapat variasi genetik, maka apabila terjadi perubahan lingkungan yang cukup keras akan dapat mengakibatkan punahnya suatu spesies pada habitat alaminya.
Keragaman genetik dalam bentuk variasi alelik disebabkan oleh mutasi. Mutasi terjadi secara spontan dengan frekuensi yang bervariasi tergantung pada lokus dan informasi genetic dari area sekitarnya pada kromosom. Mutasi menghasilkan perubahan DNA, yang akibatnya mengubah enzim-enzim dan menyebabkan variasi dalam mekanisme fisiologi yang nantinya dievaluasi melalui proses seleksi alam.

Migrasi tanaman dan evolusi yang diarahkan manusia

Campur tangan manusia mempunyai kontribusi yang sangat signifikan pada evolusi tanaman. Saat manusia memulai kultur dan mendomestikasi tanaman, mereka menyeleksi genotipe-genotipe yang paling baik yang memenuhi kebutuhan. Sifat seperti kestabilan produksi merupakan sifat yang sangat diinginkan. Karakter –karakter lain seperti warna, rasa juga merupakan contoh-contoh sifat yang diinginkan. Dengan berpindahnya manusia dari satu area ke area lainnya, tanaman atau benih juga dibawa dan diuji di daerah mereka yang baru. Proses ini disebut introduksi. Introduksi merupakan hal penting dalam pemuliaan tanaman, karena menawarkan potensi penggunaan genotipe berbeda untuk meningkatkan penampilan tanaman pada daerah tertentu.