Pengenalan kepada Kejuruteraan Genetik

Mungkin apabila disebut dengan terma ‘Jurutera’, terma kejuruteraan kimia, mekanikal, teknikal, awam dan petroleum merupakan antara cabang-cabang kejuruteraan yang selalu kita dengar. Kali ini, kami akan berkongsi pengenalan ringkas kepada satu cabang bidang kejuruteraan yang tidak kurang pentingnya (dan juga sangat kontroversi) iaitu kejuruteraan genetik (genetic engineering).

Pastinya apabila mendengar terma “kejuruteraan genetik”, mesti akan dikaitkan dengan Organisma Terubah suai Genetik (Genetically Modified Organism, GMO) dan Makanan Terubah suai Genetik (Genetically Modified Food, GMF). GMO dan GMF merupakan produk daripada kejuruteraan genetik. GMO dan GMF telah dikupas di pautan ini (link). Di samping itu, bayi tabung uji atau persenyawaan in vitro (In Vitro Fertilization), pengklonan, organisma transgenik dan kimera (chimera) merupakan antara hasil daripada perkembangan teknologi kejuruteraan genetik ini. Kejuruteraan genetik merupakan tunjang kepada bidang bioteknologi yang selalunya meliputi tiga fokus utama iaitu kajian bioperubatan, pertanian dan industri, malah turut diaplikasi dalam pelbagai bidang seperti diagnosis perubatan dan siasatan forensik

Asas kejuruteraan genetik semestinya biologi, atau lebih khusus lagi iaitu biologi molekular. Sebelum mengupas lebih lanjut tentang kejuruteraan genetik, moleklah kita berkenalan dahulu dengan biologi molekular.

Apakah itu biologi molekular?

Biologi molekular adalah adalah cabang dari ilmu biologi yang mengkaji komposisi, struktur dan interaksi molekul-molekul bagi pelaksanaan proses-proses biologi yang penting untuk fungsi dan penyelenggaran sel. Terdapat empat kumpulan molekul makro iaitu asid nukleik (nucleic acids), lipid, karbohidrat dan protin. Molekul-molekul makro ini juga merupakan bahan kimia organik yang terhasil daripada interaksi karbon sebagai atom utama dengan atom-atom lain seperti oksigen, nitrogen dan/atau fosforus. Boleh rujuk (link) untuk kupasan tentang kimia organik.

Ilustrasi empat molekul makro utama, asid nuclei, karbohidrat, lipid dan protin. (Sumber: http://ift.tt/2vio4q7)

Pengetahuan asas biologi molekular melibatkan sel (Cell, bukan Cell dalam Dragonball Z tu ye). Sel merupakan asas kepada organisasi sistem biologi. Penstrukturan dan pelaksanaan fungsi sel sangat dikawal rapi melalui ekspresi protin, asid nukleik dan molekul-molekul kimia yang sangat terperinci untuk mengawal atur pelbagai reaksi dalam sel. Maklumat kawalan atur ini dibawa oleh bahan genetik yang terkandung dalam rantaian Asid Deoksiribonukleik (Dioxyriboucleic Acid, DNA). DNA terdiri daripada 2 rantaian polinukleotida yang bergelung untuk menghasilkan bentuk dwi-heliks. Rantaian DNA terdiri daripada monomer nuckleotida yang mengandungi empat jenis bes nitrogen (nitrogen base) iaitu Adenina (A), Tiamina (T), Sitosina (C) dan Guanina (G).

Rantaian DNA yang panjang (panjang DNA manusia dalam satu sel ialah 2 meter) menjadi padat setelah diikat oleh protein histon dan menjadi struktur kromosom (chromosome). Satu set kromosom terdiri daripada dua kromosom. Satu kromosom daripada induk jantan (paternal) dan satu lagi daripada induk betina (maternal). Manusia mempunyai 23 pasang kromosom iaitu 22 pasang autosom dan sepasang kromosom seks (genosom XX atau XY).

DNA mengandungi gen (gene) iaitu unit asas pewarisan sifat yang terdiri daripada susunan monomer nukleotida pada DNA yang membentuk kod genetik. Jemaah gen dalam organisma dikenali sebagai genom (genome).

Struktur gen, DNA dan kromosom dalam sel eukaryot

Pengaktifan sesuatu (atau lebih) gen membawa kepada penghasilan sesuatu (atau lebih) protin bagi melaksanakan sesuatu atau multi fungsi dan proses dalam sel. Hubungan ini dinyatakan sebagai Central Dogma of Molecular Biology. Secara ringkasnya, struktur dwi-heliks DNA dihasilkan melalui proses replikasi (replication). Jujukan gen daripada DNA disalin (transcription) kepada bentuk Asid Ribonukleik (Ribonucleic acid, RNA), kemudian diterjemah (translation) kepada polipeptida dan menghasilkan protein. Protein ini akan menjalankan fungsi-fungsi dan penyelenggaraan sel.

Central Dogma of Molecular Biology yang menjadi teras dalam kajian biologi molekular

Jadi, apakah kaitan biologi molekular dan kejuruteraan genetik?

Kejuruteraan genetik melibatkan eksperimen yang menggerakkan atau memindahkan gen dari satu organisma kepada organisma lain dengan menggunakan Central Dogma sebagai teras dalam memahami kesan daripada manipulasi genetik.

Teknologi DNA rekombinan (Recombinant DNA technology) merupakan eksperimen asas kejuruteraan genetik melibatkan penghasilan organisma yang membawa maklumat genetik daripada organisma lain dalam komposisi DNA mereka. Terdapat beberapa peringkat dalam proses teknologi DNA rekombinan. Di sini, saya mengambil contoh penghasilan insulin manusia melalui bakteria.

Pertama, susunan DNA yang merujuk kepada gen insulin dikenalpasti terlebih dahulu. Susunan tersebut boleh disemak di pangkalan data seperti NCBI (http://ift.tt/1ohTDqq). Kemudian, susunan DNA bagi gen insulin tersebut diambil keluar daripada kromosom dan diasingkan daripada genom melalui pemotongan menggunakan enzim restriksi (restriction enzyme). Enzim ini membaca susunan DNA yang spesifik,

Bakteria mempunyai struktur DNA yang dikenali sebagai ‘plasmid’. Bakteria yang selalu digunakan dalam penghasilan DNA rekombinan ialah Escherichia coli (E. coli). Plasmid DNA berfungsi sebagai ‘vektor’ atau kenderaan yang akan membawa genetik asing ke dalam genom bakteria. Plasmid bakteria diambil keluar daripada kromosom bakteria dan dipotong pada lokasi yang spesifik menggunakan enzim restriksi yang sama yang digunakan terhadap susunan DNA bagi gen insulin manusia. Fragmen DNA yang membawa gen insulin kemudian dimasukkan ke dalam plasmid bakteria yang telah dipotong menggunakan enzim DNA ligase, menghasilkan DNA rekombinan. Sekarang, plasmid DNA bakteria terdiri daripada campuran DNA-nya dan fragmen DNA daripada insulin manusia.

Plasmid mengandungi DNA rekombinan dipindahkan semula ke dalam bakteria perumah (host) yang bersesusaian melalui teknik transformasi. Saringan genetik seperti saringan kekebalan antibiotic (antibiotic resistance screening) atau koloni biru-putih (blue-white colonies screening) akan dibuat untuk memastikan hanya bakteria yang mempunyai plasmid DNA rekombinan akan diklon. Proses pengklonan gen insulin manusia berlaku apabila bakteria yang mepunyai plasmid DNA rekombinan tersebut membiak dan fragmen gen insulin tersebut disalin kepada skala yang lebih besar bergantung kepada tujuan eksperimen. Melalui teknik ekstrasi protin, enzim insulin dapat diekstrak keluar daripada bakteria dan digunakan untuk kajian seterusnya.

Penghasilan protein insulin melalui teknologi DNA rekombinan. (Sumber: http://ift.tt/2waQa2Q)

Kini teknologi kejuruteraan genetik sudah semakin jauh ke hadapan dan tidak setakat kepada penghasilan DNA rekombinan sahaja. Daripada ubah suai genetik kepada manipulasi dan suntingan genomik organisma (genomic manipulation and editing), biologi sintetik (synthetic biology), epigenetik, bioinformatik dan integrasi dengan big data dan model matematik, serta yang terkini analisis sel tunggal (single-cell analysis) dan biologi sistem (systems biology). Sebagai saintis, semestinya perkembangan kejuruteraan genetik dilihat sebagai peluang untuk lebih memahami dan merungkai misteri organisma dan kehidupan, di samping menggunakan teknologi tersebut untuk kesejahteraan sejagat dari segi kesihatan, kelangsungan sumber dan kualiti hidup. Namun begitu, ia semestinya tidak terlepas daripada isu agama, falsafah, undang-undang, moral dan etika.

Diharapkan artikel ini dapat memberi gambaran ringkas dan juga sedikit ulang kaji mengenai kejuruteraan genetik sebelum kami mengupas lebih mendalam tentang bidang yang sangat menarik ini. Pada artikel akan datang, kami akan memperkenalkan tentang teknologi-teknologi terkini dalam kejuruteran genetik serta isu-isu yang berkaitan tentang pelaksanaan teknologi tersebut.

Rujukan: