Bioteknologi

Bioteknologi adalah penggunaan biokimia, mikrobiologi, dan rekayasa kimia secara terpadu dengan tujuan memperleh penerapan teknologi di bidang industri, kesehatan, dan pertanian dari kapasitas mikroba, sel, atau jaringan sebagai kultur.

Bioteknologi Pengolahan Bahan Pangan

1. Pembuatan Roti
   Roti dibuat dengan menggunakan bantuan khamir Saccharomyces cereviceae.


2. Pengolahan Produk Hasil Susu
   Contoh produk hasil susu adalah:
   
   • Keju: bakteri yang biasa digunakan untuk pembuatan keju adalah Lactobacillus dan Streptococcus.
   • Yoghurt: bakteri yang biasa digunakan untuk pembuatan yoghurt adalah Lactobacillus bulgaricus dan Streptococcus thermophillus.
   • Mentega: bakteri yang biasa digunakan untuk pembuatan mentega adalah Streptococcus lactis dan Leuconostoc cremonis


3. Pembuatan Protein Sel Tunggal (PST)
   PST berasal dari organisme bersel tunggal atau bersel banyak yang strukturnya sederhana. PST dapat dibuat dari ganggang Chlorella, Spirulina, dan Scenedesmus, dari khamir Candida utilis, dan dari kapang berfilamen Fusarium gramineaum.


4. Produksi Asam Amino, Vitamin, dan Enzim
   Asam Amino
   Contoh:
   
   • Bakteri: Corynobacterium glutamicum digunakan dalam produksi asam amino treonin dan lisin.
   • Micrococcus glutamicus digunakan dalam pembuatan asam amino lisin.
   • Brevibacterium sp. digunakan dalam pembuatan asam amino glutamat.
   
   Vitamin
   Contoh:
   
   • Bakteri Pseudomonas dan Propionibacterium digunakan dalam produksi vitamin B12.
   • Bakteri Ashbya gossipi digunakan dalam produksi riboflavin.
   • Streptomyces oliveus dan Propionibacterium digunakan dalam produksi kobalamin.
   
   Enzim
   Contoh:
   
   • Amilase: diproduksi oleh bakteri Aspergillus niger dan Bacillus subtilis.
   • Protease: diproduksi oleh bakteri Aspergillus oryzae.
   • Lipase: diproduksi oleh bakteri Aspergillus niger

Bioteknologi Farmasi/Kedokteran

1. Pembuatan Vaksin Hepatitis
   Vaksin hepatitis dibuat degan cara memasukkan gen penghasil selubung protein virus tanpa DNA ke dalam sel khamir (Saccharomyces). Sel khamir tersebut akan menghasilkan selubung protein yang digunakan untuk membuat vaksin hepatitis.


2. Pembuatan Antibiotik
   Mikroorganisme yang dimanfaatkan dalam pembuatan antibiotik antara lain:
• Jamur Penicillium menghasilkan antibiotik penisilin.
• Jamur Cephalosporium menghasilkan antibiotik sefalosporin yang digunakan untuk obat radang paru-paru.
• Jamur Streptomyces menghasilkan antibiotik streptomisin yang dihunakan sebagai obat TBC.

Bioteknologi Pertanian
Mikroorganisme yang digunakan dalam bioteknologi pertanian antara lain:

1. Bacillus thuringiensis digunakan sebagai patogen ulat hama tanaman
2. Rhizobium dan Azotobacter berperan dalam penambatan nitrogen dari udara sehingga tanaman polong-polongan dapat memperoleh nitrogen dari bakteri tersebut.

Bioteknologi Pengolahan Limbah
mikroorganisme yag digunakan untuk pengolahan limbah antara lain:

1. Pseudomonas: digunakan dalam pengolahan limbah minyak karena mampu memecah ikatan hidrokarbon minyak.
2. Cladosporium resinae: digunakan dalam proses degradasi plastik
3. Acinetobacter calcoaceticus: digunakan untuk mengemulsi minyak sehingga dapat dipecah oleh mikroba.

Bioteknologi Pembuatan Plastik
Alxaligenes eutrophus dan Aurebasidium pullulans digunakan untuk membuat plastik.

Bioteknologi Bahan Bakar Alternatif
Salah satu bahan bakar alternatif yang sedang dikembangkan adalah biogas. Gas yang dijadikan sumber energi tersebut umumnya adalah metan (CH₄). Mikroorganisme yang digunakan dalam pembuatan biogas antara lain:

1. Kelompk bakteri fermentatif, yaitu Streptococci dan Bacterioides.
2. Kelompk bakteri asetogenik, yaitu Methanobacillus dan Desulfovibrio.
3. Kelompk bakteri metana yaitu, Methanobacterium, Methanobacillus, dan Methanococcus.

Bioteknologi Pertambangan
Thiobacillus ferooxidans berperan penting dalam pemisahan tembaga dari bijihnya. Bakteri ini merupakan bakteri litotrof atau pemakan batu dan tumbuh subur pada lingkungan yang miskin senyawa organik, karena mampu mengekstrak karbon langsung dari CO₂ di atmosfer.

Teori Asal Usul Kehidupan

Teori Abiogenesis (Generatio Spontania)
Teori Abiogenesis menyatakan bahwa kehidupan berasal dari benda mati. Slah satu pendukung teori ini adalah Aristoteles.

Teori Biogenesis
Teori biogenesis menyatakan bahwa makhluk hidup hanya berasal dari sesuatu yang hidup. Tokoh pendukung teori biogenesis antara lain Francesco Redi (Italia), Lazzaro Spallanzani (Italia, dan Louis Pasteur (Prancis).

1. Percobaan Francesco Redi
   
   • Redi melakukan percobaan dengan menggunakan 3 kerat daging segar yang diletakkan dalam 3 buah tabung
   • Tabung I diisi sekerat daging, kemudian ditutup rapat-rapat. Tabung II diisi sekerat daging, kemudian ditutup dengan kain kasa. Tabung III diisi sekerat daging, kemudian dibiarkan tetap terbuka.
   • Setelah beberapa hari:
   • Tabung I: tidak terdapat lalat maupun belatung di dalamnya.
   •  Tabung II: terdapat belatung pada jaring, tetapi tidak ada lalat atau belatung pada daging
   • Tabung III: terdapat lalat pada tabung dan belatung pada daging
   • Redi berkesimpulan bahwa belatung tidak terbentuk dari daging yang membusuk, melainkan berasal dari telur lalat yang tertinggal pada daging dan kain kasa pada saat lalat hinggap


2. Percobaan Lazzaro Spallanzani
   
   • Spallanzani menggunakanair kaldu dan dua buah labu erlenmeyer.
   • Labu pertama diisi air kaldu dan dipanaskan selama beberapa menit, kemudian dibiarkan tetap terbuka. Labu kedua diisi air kaldu, kemudian ditutup dengan rapat dan dipanaskan selama beberapa menit.
   • Setelah beberapa lama:
   • Labu I: air kaldu berubah menjadi keruh dan baunya tidak enak
   • Labu II: air kaldu tidak mengalami perubahan
   • Spallanzani berkesimpulan bahwa mikroba yang terdapat pada air kaldu labu I bukan berasal dari air kaldu tetapi berasal dari mikroba sebelumnya yang tersebar di udara.


3. Percobaan Louis Pasteur
   
   • Louis Pasteur melakukan percobaan dengan menggunakan tabung berleher angsa.
   • Louis Pasteur merebus kaldu hingga mendidih, kemudian mendiamkannya di dalam tabung berleher angsa. Setelah sekian lama didiamkannya ternyata tidak ada bakteri yang tumbuh. Namun, setelah tabung dimiringkan hingga air kaldu mencapai ujung pipa tabung tersebut, air kaldu kemudia ditumbuhi mikroba.
   • Louis Pasteur berkesimpulan bahwa kehidupan berasal dari kehidupan sebelumnya.

Dengan tumbangnya teori abiogenesis, berkembanglah teori biogenesis dengan pernyataan terkenal, yaitu omne vivum ex ovo (setiap makhluk hidup berasal dari telur) dan omne ovum ex vivo (setiap telur berasal ari makhluk hidup) atau disebut juga omne vivum ex vivo (makhluk hidup berasal dari makhluk hidup sebelumnya).

Teori Evolusi Kimia

• Teori ini menyatakan bahwa senyawa organik yang ada di atmosfer mengalami perubahan sedikit demi sedikit membentuk senyawa organik. Senyawa organik inilah yang merupakan komponen dasar makhluk hidup.
• Teori pendukung teori ini adalah Harold Urey, Stanley Miller, dan A.I. Oparin
1. Teori Evolusi Kimia Menurut Harold Urey
   
   • Harold Ureymenyatakan bahwa dahulu atmosfer bumi kaya akan molekul zat seperti metana (CH₄), uap air (H₂O), amonia (NH₃), dan karbondioksida (CO₂), yang semuanya berbentuk uap. Energi radiasi sinar kosmis serta aliran listrik halilintar menyebabkan terjadinya reaksi di antara zat-zat tersebut. Reaksi ini menghasilkan senyawa organik
   • Menurut Urey, terbentuknya makhluk hidup dari berbagai molekul zat di atmosfer didukung kondisi sebagai berikut:
   1. Tersedia molekul metana, amonia, uap air, dan hidrogen yang sangat banyak di atmosfer bumi
   2. Ada bantuan energi yang timbul dari aliran listrik halilintar dan radiasi kosmik yang menyebabkan zat-zat bereaksi membentuk molekul zat yang lebih besar
   3. Terbentuknya zat hidup yang paling sederhana
   4. Zat hidup yang terbentuk berkembang menjadi sejenis organisme yang lebih kompleks dalam jangka waktu yang lebih lama (berjuta-juta) tahun


2. Eksperimen Stanley Miler
   Ke dalam alat ciptaannya, Miller memasukkan gas hidrogen, metan, amonia, dan uap air dari air yang dipanaskan. Alat itu dipanaskan selama seminggu sehingga gas-gastersebut dapat bercampur di dalamnya. Sebagai pengganti energi listrik dari halilintar, pada alat tersebut dialirka listrik 75.000 volt. Setelah seminggu, Miller mendapatkan zat organik berupa asam amino.


3. A.l. Oparin
   
   • Oparin menyatakan bahwa pada suatu ketika atmosfer bumi kaya akan metana (CH₄), uap air (H₂O), amonia (NH₃), dan karbondioksida (CO₂), dan hidrogen, tetapi tidak memiliki oksigen. Panas dari berbagai sumber energi menyebabkan senyawa-senyawa sederhana tersebut bereaksi membentuk senyawa organik. Dalam lautan yang masih panas, senyawa-senyawa ini membentuk semacam campuran yang kaya akan materi, yang disebyt primordial soup. Primordial soup melakukan sintesi dan membentuk molekul organik kecil atau monomer, misalnya asam amino dan nukleotida. Monomer tersebut kemudian bergabung membentuk polimer. 
   • Kondisi atmosfer saat ini sudah tidak memungkinkan terjadinya sintesis molekul organik secara spontan karena oksigen di atmosfer akan memecah ikatan kimia dan mengekstraksi elektron.

Pandangan Baru Tentang Evolusi

• Teori evolusi Darwin banyak mendapat tentangan. Pihak yang tidak setuju dengan teori tersebut mengemukakan teori penciptaan (creationism), yaitu makhluk hidup tercipta dengan bentuk yang ada seperti saat ini. Salah satu teori penciptaan adalah teori Intelligent Design yang menyatakan bahwa semua makhluk hidup dan alam semesta diciptakan secara terencana dan bukan dengan ketidaksengajaan.
• Teori penciptaan cenderung berkembang dengan adanya fakta-fakta sebagai berikut.
1. Penemuan Model DNA oleh Watson dan Crick
   Dari penemuan ini diketahui bahwa tidak mungkin sel berubah menjadi makhluk hidup yang lebih kompleks dan seleksi alam bukanlah pendorong terjadinya evolusi.


2. Hukum Penurunan Sifat Menurut Mendel
   Komposisi gen ditentukan separuh oleh induk jantan (spermatozoa) dan separuh oleh induk betina (ovum). Penurunan sifat dari induk ke keturunannya berjalan terus-menerus da teratur. Jadi, materi genetik dari induk kepada keturunannya dijamin sama.


3. Paleontologi
   Tidak ada organisme masa kini yang berbeda dengan fosil nenek moyang.

Evolusi

Evolusi merupakan proses pembentukan suatu organisme ke organisme lain yang lebih sempurna organisasinya, dalam jangka waktu yang lama.

Tokoh - Tokoh Evolusi

1. Lamarck
   Lamarck berpendapat bahwa perubahan pada suatu individu disebabkan oleh lingkungan dan bersifat diturunkan. Makhluk hidup beradaptasi terhadap lingkungannya dengan menggunakan organ tubuhnya. Perubahan organ tersebut akan diwariskan kepada keturunannya.


2. Charles Darwin
   Charles Darwin berpendapat bahwa evolusi terjadi karena seleksi alam. Hanya makhluk hidup yang mampu beradaptasi terhadap lingkungannya yang akan tetap bertahan hidup, sedangkan yang tidak mampu beradaptasi akan punah. Teori evolusi Darwin diterbitkan dalam buku The Origin of Species by Means of Natural Selection.


3. August Weismann
   
   • Weismann berpendapat bahwa perubahan sel tubuh karena pengaruh lingkungan tidak diwariskan ke generasi selanjutnya. Evolusi merupakan masalah pewarisan gen melalui sel kelamin.
   • Hal ini dibuktikan oleh Weismann melalui percobaan. Weismann mengawinkan dua ekor tikus yang masing-masing dipotong ekornya. Tetapi anak-anaknya tetap berekor. Anak-anak tikus itu setelah dewasa dipotong ekornya dan dikawinkan sesamanya, tenyata anak-anaknya tetap berekor. Percobaan tersebut dilakukan sebanyak 21 kali, ternyata hasilnya tetap.

Mutasi Gen

Mutasi merupakan peruahan genetik dari suatu indicidu yang bersifat menurun. Angka laju mutasi merupakan angka yang menunjukkan jumlah gen yang bermutasi dari seluruh gamet yang dihasilkan oleh suatu individu dari suatu spesies.

Hukum Hardy Weinberg

• Hukum Hardy Weinberg menyatakan bahwa frekuensi alel / gen dalam populasi dapat stabil dan tetap berada dalam keseimbangan dari satu generasi ke generasi. Syarat dari Hukum Hardy Weinberg adalah:
1. jumlah populasi besar
2. terjadi perkawinan acak
3. tidak terjadi mutasi
4. tidak ada seleksi
5. tidak ada migrasi


• Jika frekuensi Alel A di dalam populasi diumpamakan p dan frekuensi alel a diumpamakan dengan q, frekuensi dua buah alel di dalam suatu populasi dapat dicari dengan menggunakan Hukum Hardy Weinberg yang dirumuskan sebagai berikut:
  

  p²(AA) + 2pq(Aa) + q²(aa) = 1 atau p² + 2pq + q² = 1
  (p + q)² = 1 sehingga p + q = 1



• Untuk menghitung frekuensi alel ganda digunakan rumus:
  

  p² + 2pr + q² + 2qr + 2pq + r² = 1



• Untuk menghitung frekuensi gen terangkai -X digunakan rumus:
  

  laki-laki: p + q = 1; karena genotipe laki-laki adalah X^AY dan X^aY
  perempuan: p² + 2pq + q² = 1; karena genotipe perempuan adalah X^AX^A, X^AX^a, dan X^aX^a



• Contoh 1:
  Frekuensi genotipe aa dalam suatu populasi adalah 0,16. Tentukan frekuensi gen A serta frekuensi genotipe AA, Aa, dan aa!
  Jawab:
  Diketahui: frekuensi genotipe aa (q²) = 0,16
  Ditanya: a. frekuensi alel A
                    b. frekuensi genotipe AA dan Aa
  Jawaban:
  Frekuensi alel a (q) = √frekuensi genotipe aa = √q² = √0,16 = 0,4
  a. Frekuensi alel A (p) = 1 - q = 1 - 0,4 = 0,6
  b. Frekuensi genotipe AA = p² = (0,6)² = 0.36
       Frekuensi genotipe Aa = 2pq = 2 x 0.6 x 0.4 = 0,48


• Contoh 2:
  Sebuah desa dihuni oleh 10.000 orang penduduk. 16% diantaranya membawa sifat albino. Berapakah jumlah orang yang membawa sifat normal?
  Jawab:
  Diketahui: jumlah penduduk = 10.000 orang
  albino (q²)= 9%
  Ditanya: jumlah pembawa sifat normal
  Jawaban:
  q² = 0.09
  q = √0.09 = 03
  p = 1 - q = 1 - 0,3 = 0.7
  Jumlah carrier albino = 2pq x 10.000 = 2 x 0,7 x 0,3 x 10.000 = 4.200 orang
  Jumlah orang yang membawa sifat normal = p² x 10.000 = (0,7)² x 10.000 = 4900 orang

Perubahan Perbandingan Frekuensi Gen atau Alel pada Populasi
Faktor yang menyebabkan perubahan keseimbangan genetik di dalam suatu populasi antara lain:

1. Mutasi
   Apabila ada atau satu lebih gen yang bermutasi, akan terjadi perubahan keseimbangan gen dalam populasi.


2. Seleksi alam
   Individu yang tidak dapat menghadapi seleksi alam akan mengurangi alel dalam populasi karena individu itu tidak memiliki keturunan yang mewariskan alel tersebut.


3. Migrasi
   Individu yang meninggalkan populasi (emigrasi) akan membawa alel keluar dan individu yang masuk ke dalam populasi (imigrasi) akan membawa alel yang berpotensi menjadi alel baru.


4. Rekombinasi
   Rekombinasi gen adalah munculnya keturunan yang mempunyai kombinasi gen yang tidak terdapat pada induknya. Rekombinasi gen terjadi karena perkawinan dan memingkinkan terbentuknya varietas baru.


5. Hanyutan Genetik (genetic drift)
   
   • Hanyutan genetik adalah perubahan frekuensi alel karena adanya populasi kecil yang memisah dari populasi besar.
   • Hanyutan genetik dapat disebabkan oleh founder effect dan bottleneck effect.
   • Founder effect mengacu pada kelompok individu yang menempati tempat baru dan membentuk koloni sendiri. Koloni baru ini dapat memiliki frekuensi alel yang berbeda dari populasi induknya karena mereka menikah dengan sesama anggota koloninya.
   • Bottleneck effect mengacu pada kondisi dimana banyak anggota populasi yang mati dan sisanya saling kawin hingga jumlah populasinya kembali seperti semula, tetapi variasi alelnya lebih sedikit.

Timbulnya Spesies Baru (Spesiasi) 

• Spesies baru dapat timbul karena adanya isolasi.
• Isolasi dapat dibagi menjadi dua, yaitu:
• Isolasi geografi: isolasi yang terjadi karena keadaan alam.
• Isolasi reproduksi: mengahlangi terjadinya percampuran gen dari dua individu.
• Mekanisme isolasi reproduksi ada beberapa macam, antara lain:
1. Mekanisme yang mencegah terjadinya perkawinan, sehingga mencegah terjadinya fertilisasi. Contoh:
• Isolasi habitat: dua spesies yang berkerabat dekat terdapat di daerah geografis yang sama, tetapi di habitat yang berbeda.
• Isolasi musim (temporal): masa kawin atau kematangan gamet yang berbeda.
• Isolasi tingkah laku (perilaku): perbedaan pola tingkah laku atau ritual sebelum kawin.
• Isolasi mekanik: perbedaan morfologi alat reproduksi.
2. Mekanisme yang mencegah terjadinya hibrida
• Contohnya adalah isolasi gamet. Isolasi gamet menghalangi terbentuknya zigot karena sel gamet jantan tidak dapat hidup pada saluran kelamin betina.
• Spesies baru dapat juga terbentuk melalui poliploidi dan domestikasi. Domestikasi merupakan usaha manusia untuk menjinakkan hewan liar dan menumbuhkan tanaman budidaya dari tumbuhan liar.

Petunjuk Evolusi
Bukti-bukti atau petunjuk terjadinya evolusi dapat dilihat dari:

1. Adanya variasi individu dalam satu keturunan.
2. Homologi organ tubuh, yaitu organ-organ dari berbagai makhluk hidup yang mempunyai bentuk asal sama, tetapi mengalami perubahan struktur sehingga fungsinya berbeda.
3. Perbandingan embrio. Hal ini dapat dilihat pada embrio semua anggota vertebrata yang perkembangan embrionya menunjukka adanya persamaan.
4. Fosil sebagai catatan sejarah

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Pertumbuhan dan Perkembangan pada Tumbuhan

Faktor Luar (Lingkungan)

1. Makanan (Nutrisi)
•  Unsur hara atau mineral yang dibutuhkan oleh tumbuhan dibagi menjadi dua, yaitu:
• Makroelemen, yaitu unsur yang dibutuhkan dalam jumlah besar. Makroelemen terdiri atas sembilan unsur utama, yaitu karbon, oksigen, hidrogen, nitrogen, sulfur, fosfor, kalsium, kalium, dan magnesium.
• Mikroelemen, yaitu unsur yang dibutuhkan dalam jumlah sedikit. Mikroelemen terdiri dari delapan unsur, yaitu zat besi, klorin, tembaga, seng, molibdenum, boron, nikel, mangan. Mikroelemen berperan sebagai kofaktor reaksi enzimatis pada tumbuhan.
2. Cahaya
• Cahaya dapat menghambat pertumbuhan karena dapat menguraikan salah satu zat tumbuh, yaitu auksin. Akibatnya, pertumbuhan di tempat gelaplebih cepat daripada di tempat terang. Pertumbuhan semacam ini disebut etiolasi.
• Cahaya juga dapat merangsang pembungaan pada tumbuhan tertentu. Tumbuhan hari panjang hanya dapat berbunga pada intensitas penyinaran matahari yang tinggi. Tumbuhan hari pendek hanya berbunga pada intensitas penyinaran matahari yang rendah. Hal ini terjadi karena pengaruh cahaya terhadap aktivitas hormon fitokrom pada daun. Fotoperiodisme adalah respon tumbuhan terhadap intensitas cahaya dan panjang penyinaran
3. Suhu
4. Kelembapan 
5. Air
6. Oksigen

Faktor Dalam

1. Gen
   Gen mempengaruhi pertumbuhan melalui sifat yang diwariskan dan sintesis protein yang dikendalikan.
2. Hormon
   Hormon yang mempengaruhi pertumbuhan disebut zat tumbuh (fitohormon). Contoh hormon tumbuh pada tumbuhan adalah:

1. Auksin
   Auksin disekresikan oleh titik tumbuh tanaman, contohnya ujung tunas, daun muda, ujung akar, dan kambium. Peranan auksin antara lain:
• merangsang perpanjangan sel batang
• meningkatkan pertumbuhan akar samping
• meningkatkan aktivitas pembelahan sel di titik tumbuh
• merangsang pembentukan bunga dan buah
• menyebabkan terjadinya dominansi apikal, yaitu pertumbuhan di mana keberadaan tunas ujung menghambat tunas ketiak
• mendorong pembentukan akar pada tanaman ketiak
• pembengkokan batang ke arah cahaya fototropisme
2. Sitokinin
   Fungsi sitokinin antara lain
• mempengaruhi sitokinesis
• mempengaruhi pertumbuhan akar dan diferensiasi akar
• mendorong pembelahan sel
3. Giberelin
   
   • Giberelin mempengaruhi pemanjangan sel maupun pembelahan pada tumbuhan kerdil. Namun, pada tumbuhan normal, pemakaian giberelin tidak memberikan respons.
   • Giberelin juga mempengaruhi perkecambahan, serta pertumbuhan dan perkembangan pada akar, daun, bunga, dan buah.
4. Asam Traumalin (hormon luka
   Asam traumalin berfungsi untuk merangsang pembelahan sel di daerah luka sebagai mekanismemenutupi luka. Hormon ini mempengaruhi restitusi, yaitu kemampuan tumbuhan untukmemperbaiki kerusakan tau luka yang terjadi pada tubuhnya.
5. Kalin
   Hormon kalin merupakan hormon yang mempengaruhi pembentukan dan pertumbuhan organ, misalnya:
• Rizokalin: merangsang pertumbuhan akar
• Kaulokalin: merangsang pertumbuhan batang
• Filokalin: merangsang pertumbuhan daun
• Antokalin: merangsang pertumbuhan bunga
6. Asam Absisat
   Asam absisat disintesis pada daun, batang, buah, dan biji. Asam absisat berfungsi menghambat pertumbuhan, menutup stomata selama kekurangan air, dan menunda pertumbuhan.
7. Etilen
   Etilen diprodusi pada jarigan buah masak, di ruas batang, dan di daun tua. Etilen berfungsi mendorong pemasakan buah dan menyebabkan batang tumbuh menjadi tebal.