Asam Sitrat

 PERTUMBUHAN KAPANG PENGHASIL ASAM SITRAT DENGAN MEMANFAATKAN MEDIA ONGGOK TAPIOKA

            Asam sitrat (C₆H₈O₇) adalah asam organik yang banyak digunakan dalam industri, terutama indistri makanan, minuman, dan obat-obatan. Kurang lebih 60 % dari total produksi asam sitrat digunakan dalam industri makanan, dan 30 % digunakan dalam industri farmasi, sedangkan sisanya digunakan dalam industri kosmetika dan lainnya. Menurut Yigitoglu (1992) diperkirakan 70% dari produksi asam sitrat digunakan untuk kepentingan industri makanan dan minuman, 12% untuk industri farmasetikal, dan 18% untuk industri yang lain. Perkiraan produksi asam sitrat dunia sekitar 350.000 ton/tahun pada tahun 1986, sedangkan permintaan pasar kurang lebih 500.000 ton/tahun. Menurut Crueger & Crueger (1984) dalam industri minuman asam sitrat digunakan sebagai pemacu rasa, pengawet, pencegah rusaknya warna dan aroma, sebagai antioksidan, pengatur pH dan pemberi kesan rasa dingin.  Dalam industri makanan dan kembang gula, asam sitrat digunakan sebagai pemacu rasa, penginversi sukrosa, penghasil warna gelap dan pengkelat ion logam. Dalam industri farmasi, asam sitrat digunakan sebagai pelarut dan pembangkit aroma, sedangkan pada industri kosmetik digunakan sebagai antioksidan, sedangkan untuk industri kimia (25% dari penggunaan total) asam sitrat digunakan untuk agen antifoam, sebagai softener dan treatment pada tekstil. Pada industri logam, logam murni yang dihasilkan adalah logam sitrat.     Asam sitrat digunakan lebih banyak pada industri detergen karena dapat mengganti polifosfat. Tetapi harga asam sitrat yang lebih mahal bila dibandingkan dengan polifosfat menyebabkan penggunaannya terbatas, tetapi karena di beberapa tempat polifosfat dilarang, maka asam sitrat mengganti polifosfat secara total.

Secara alami asam sitrat terdapat pada buah-buahan seperti jeruk, nenas pear dll.  Asam sitrat pertama kali diekstrasi dan dikristalisasi dari buah jeruk, sehingga asam sitrat hasil ekstraksi dari buah-buahan ini dikenal sebagai asam sitrat alami. Pada suhu ruang asam sitrat berbentuk serbuk kristal putih. Dapat berbentuk anhidrat maupun monohidrat. Bentuk kristal anhidrat berasal dari air panas sedangkan bentuk monohidrat terjadi jika kristalisasi pada air dingin. Monohidrat dapat dikonversi menjadi bentuk anhidrat dengan pemanasan diatas suhu 74⁰C (http://id.wikipedia.org/wiki/Citric_acid).

Pada tahun 1893, Wehner pertama kali melaporkan produksi asam sitrat sebagai hasil sampingan pada fermentasi produksi asam oksalat dengan menggunakan Penicillium glaucum. Tahun 1917, Currie juga melaporkan bahwa Aspergillus niger dapat menghasilkan asam sitrat pada medium pH rendah dengan kadar gula tinggi.  Sejak saat itu asam sitrat diproduksi secara komersial dengan menggunakan kapang A. niger.

Dewasa ini telah diketahui banyak jenis kapang yang dapat menghasilkan asam sitrat, seperti A. niger, A. awamori, A. fonsecaeus, A. luchuensis, A. wentii, A. saitoi, A. flavus, A. clavatus, A. fumaricus, A. phoenicus, Mucor viriformis, Ustulina vulgaris dll. Selain kapang, beberapa baktri dan khamir juga dapat memproduksi asam sitrat, diantaranya: Brevibacterium, Corynebacterium, Arthrobacter dan Candida. Menurut Yigitoglu (1992) sekarang asam sitrat diproduksi oleh fermentasi oleh kapang (Aspergillus niger). Sintersis secara kimia bisa dilakukan tetapi lebih murah jika menggunakan fermentasi dengan kapang. Tetapi sekitar 1% dari produksi dunia masih diproduksi dari buah jeruk di Meksiko dan Amerika Selatan karena secara ekonomi lebih menguntungkan.

Sejarah penemuan asam sitrat

Asam sitrat diyakini ditemukan oleh kimiawan Arab Yemen yaitu Jabir Ibn Hayyan yang hidup pada abad ke-8. Pada zaman pertengahan, para ilmuwan Eropa membahas sifat asam sari buah lemon dan limau; hal tersebut tercatat dalam ensiklopedia Speculum Majus dari abad ke-13 yang dikumpulkan oleh Vincent dari Beauvais. Asam sitrat pertama kali diisolasi pada tahun 1784 oleh kimiawan Swedia yaitu Carl Wilhelm Scheele yang mengkristalkannya dari sari buah lemon. Pembuatan asam sitrat skala industri dimulai pada tahun 1860, terutama menggandalkan produksi jeruk dari Italia.

Pada tahun 1893, C. Wehmer menemukan bahwa kapang Penicillium dapat membentuk asam sitrat dari gula. Namun demikian pembuatan asam sitrat dengan mikroba secara industri tidaklah nyata sampai perang dunia I mengacaukan ekspor jeruk dari Italia. Pada tahun 1917 kimiawan pangan Amerika James Currie menemukan bahwa galur tertentu kapang Aspergillus niger dapat menghasilkan asam sitrat secara efisien, dan perusahaan kimia Pfizer memulai produksi asam sitrat skala industri dengan cara tersebut dua tahun kemudian (http://id.wikipedia.org/wiki/Asam_sitrat).

Sifat fisika dan kimia

Keasaman asam sitrat didapatkan dari tiga gugus karboksil COOH yang dapat melepas proton dalam larutan. Jika hal ini terjadi, ion yang dihasilkan adalah ion sitrat. Sitrat sangat baik digunakan dalam larutan penyangga untuk menggendalikan pH larutan. Ion sitrat dapat bereaksi dengan banyak ion logam membentuk garam sitrat. Selain itu sitrat dapat mengikat ion-ion logam dengan pengkelatan, sehingga digunakan sebagai pengawet dan penghilang kesadahan air.

Pada temperatur kamar, asam sitrat berbentuk serbuk kristal berwarna putih. Serbuk kristal tersebut dapat berupa anhydrous (bebas air) atau bentuk monohidrat yang mengandung satu molekul air untuk setiap molekul asam sitrat. Bentuk anhydrous asam sitrat mengkristal dalam air panas, sedangkan bentuk monohidrat didapatkan dari kristalisasi asam sitrat dalam air dingin. Bentuk monohidrat tersebut dapat diubah menjadi bentuk anhydrous dengan pemanasan di atas 74° C.

Secara kimia asam sitrat bersifat seperti asam karboksilat lainnya. Jika dipanaskan di atas 175° C, asam sitrat terurai dengan melepaskan karbondioksida dan air (http://id.wikipedia.org/wiki/Asam_sitrat).

              

Biosintesis Asam sitrat

Asam sitrat merupakan hasil metabolit primer dan dibentuk di dalam siklus trikarboksilat (TCA) dan glukosa merupakan sumber karbon utama. Umumnya, 80% dari glukosa yang digunakan akan diuraikan dengan reaksi pada lintasan Embden-Mayerhof-Parnas (EMP) (Crueger & Crueger 1984). Akumulasi asam sitrat dapat dibagi menjadi 3 proses:

1.      Penguraian heksosa menjadi piruvat dan asetil-koA melalui proses glikolisis

2.      Pembentukan oksaloasetat

3.      Kondensasi dari asetil-koA dan oksaloasetat menjadi asam sitrat

Sintesis asam sitrat melibatkan kondensasi unit asetil dengan oksaloasetat. Ini sangat penting untik menghasilkan oksaloasetat yang cukup agar produksi bisa berkesinambungan. Regenerasi oksaloasetat meliputi 4 mekanisme:

1.  Karboksilasi piruvat secara langsung yang dikatalisis oleh enzim malat dehidrogenase sehingga menghasilkan malat yang siap dioksidasi menjadi oksaloasetat

2.    Karboksilase piruvat yang dikatalisis oleh enzim piruvat karboksilase

3.  Karboksilasi dari fosfoenol piruvat (PEP) yang dikatalisis oleh enzim PEP karboksikinase

4.    Melalui siklus glioksilat yang melibatkan enzim kunci isositrat liase dan malat sintase

Piruvat karboksilase merupakan enzim yang penting untuk produksi asam sitrat.

Regulasinya sedikit, hanya dihambat secara lemah oleh 2-oksoglutarat dan tidak dipengaruhi oleh asetil koA. Fosfofruktokinase merupakan enzim regulator dari produksi asam sitrat oleh A. Niger. Enzim ini dihambat oleh konsentrasi yang tinggi dari asam sitrat dan ATP tetapi diaktivasi oleh ADP, AMP, fosfat anorganik dan ion amonium. Selama produksi asam sitrat ion amonium mengatasi penghambatan  PFK dengan sitrat dan ATP. Akonitase dan isositrat dehidrogenase merupakan enzim kunci yang sangat penting pada fermentasi asam sitrat. Aktivitas enzim ini menurun menjadi sangat rendah selama produksi sehingga menyebabkan kegagalan terjadinya siklus sedangkan  aktivitas sitrat sintase meningkat (Manson 1988 dalam Yigitoglu 1992).

 Faktor-faktor yang mempengaruhi produksi  asam sitrat secara fermentasi (http://permimalang.wordpress.com/2008/03/25/fermentasi-asam-sitrat)

1. Mikroba

Saat ini produksi asam sitrat secara komersil menggunakan mutan Aspergillus niger, dan ada pula yang menggunakan Saccharomyces lipolytica, Penicillium simplicissimum, dan A. Foeitidus.

2. Komposisi nutrisi media :  media fermentasi untuk biosintesis asam sitrat terdiri dari substrat yang dibutuhkan untuk pertumbuhan mikroorganisme, terutama terdiri dari substrat yang dibutuhkan untuk pertumbuhan mikroorganisme terutama sumber karbon, nitrogen dan fosfor. Selain itu ada air dan udara dapat pula dimasukkan sebagai substrat fermentasi.
1. Sumber karbon
2. Sumber nitrogen
3. Sumber posfor : sumber fosfat  yang digunakan adalah trikalsium fosfat.
4. Konsentrasi ion ferrosianida : konsentrasi ferrosianida berpengaruh terhadap produksi asam sitrat. Penambahan ferrosianida dilakukan 24  jam setelah inokulasi sebanyak 200 ppm. Jumlah sel yang dihasilkan berkurang dengan naiknya jumlah ferrosianida.
5. Vitamin : vitamin yang sering ditambahkan adalah riboflavin.
3. Proses fermentasi :

a.       Fermentor

b.      Persiapan kultur : jika digunakan kultur stok A.niger maka kultur harus direaktivasi dan dikultivasi dengan cara goresan pada petridish menggunakan medium PDA yang telah diasamkan dengan asam tartrat 10 % dan diinkubasi selama 5 hari pada suhu 25°C. Konidia yang dibentuk kemudian dicuci dua kali dengan air destilat steril. Suspensi konidia yang akan digunakan sebagai inokulum dalam proses fermentasi harus mengandung 10⁸ spora/ml.

c.       Jumlah inokulum : jumlah inokulum yang digunakan juga merupakan faktor yang penting untuk diperhatikan. Jumlah inokulum sebesar 1 % cukup baik untuk fermentasi dalam fermentor teraduk.

d.      Fermentasi

e.       Waktu fermentasi : waktu fermentasi yang maksimum untuk  fermentasi asam sitrat tergantung kondisi fermentasi dan organisme yang digunakan. Penggunaan A. niger dengan substrat molase membutuhkan waktu 144 jam setelah inokulasi.

f.       Suhu : suhu 30°C adalah suhu yang paling baik. Jika suhu medium rendah, aktivitas enzim juga rendah sehingga mempengaruhi produksi asam, tetapi jika suhu meningkat di atas 30°C, biosintesis asam sitrat akan menurun dan terjadi akumulasi produk samping seperti asam oksalat.

g.      pH : untuk fermentasi asam sitrat pH optimum adalah 6,0. Penurunan pH menyebabkan produksi asm sitrat berkurang. Pada pH yang tinggi terjadi akumulasi asam oksalat.

Dalam pembahasan  ini, yang dijadikan sebagai inokulum adalah isolat mangga 1 dan mangga 2, keduanya termasuk genus Aspergillus yang diidentifikasi berdasarkan penampakan koloni dan pengamatan mikroskopis hifanya.

Total asam sitrat yang diperoleh  dari inokulum mangga 2 lebih tinggi daripada inokulum mangga 1, hal ini disebabkan  karena pertumbuhan isolat mangga 2 lebih bagus daripada mangga 1, disamping itu dari hasil perhitungan nilai  AU (Acid unitage) yang diperoleh menunjukkan bahwa nilai AU isolat mangga 2 lebih tinggi daripada nilai AU mangga 1.

            Berdasarkan biosintesis asam sitrat yang merupakan hasil metabolit primer dari siklus asamtrikarboksilat (TCA), untuk mendapatkan asam sitrat yang banyak, maka dalam siklus TCA inokulum yang digunakan, seharusnya tidak ada ekspresi α-ketoglutarat dehidrogenase.

       Bila pertumbuhan isolat kapang yang digunakan tumbuh dengan baik berarti aktivitas α-ketoglutarat dehidrogenase terekspresi dengan baik sehingga banyak ATP yang dibentuk. ATP yang banyak terbentuk menyebabkan pertumbuhan kapang menjadi lebih baik, namun  asam sitrat yang dihasilkan sedikit karena aktivitas α-ketoglutarat dehidrogenase terekspresi dengan baik. Tetapi bila aktivitas α-ketoglutarat dehidrogenase-nya tidak terekspresi berarti ATP yang dibentuk sedikit menyebabkan  pertumbuhan kapang terhambat, dan asam sitrat yang dihasilkan lebih banyak karena  α-ketoglutarat dehidrogenase-nya tidak terekspresi.

Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Poeponegoro (http://digilib.ti.itb.ac.id/go.php) tentang mekanisme pengendalian akumulasi asam sitrat oleh Aspergillus niger yang dijelaskan sebagai berikut:

1. Pada tingkat oksigen terlarut yang tinggi, limitasi fosfat di dalam mediumfermentasi menyebabkan pembentukan ATP terhambat, karena selama berlangsungnya pemindahan-elektron pada rantai-respirasi tidak terjadi 'kopling' dengan proses fosforilasi oksidatif.
2. Pada tingkat pembentukan ATP yang rendah, akan semakin sedikit glukosa yang dikonsumsi untuk pembentukan energi dan biomassa, sehingga akan lebih banyak glukosa dan oksigen-terlarut yang tersedia bagi Aspergillus niger untuk biosintesis asam sitrat.
3. Terhambatnya pembentukan ATP juga akan meningkatkan aktivitas enzim fosfofrukto-kinase dan piruvat dekarboksilase, sehingga memperlancar proses glikolisis untuk menjamin penyediaan asam piruvat dan asetil-KoA yang dibutuhkan dalam biosintesa asam sitrat.
4. Pada kondisi demikian itu, akan tersedia cukup oksigen terlarut bagi Aspergillus niger untuk re-oksidasi NADH- glikolitik, sehingga proses glikolisis dapat menjadi aktif.
5. Pada konsentrasi glukosa yang tinggi, enzim piruvat karboksilase menjadi aktif untuk menghasilkan asam oksaloasetat yang diperlukan bagi biosintesis asam sitrat. Dengan meningkatnya konsentrasi oksaloasetat, aktivitas enzim α-ketoglutarat dehidrogenase menjadi terhambat sehingga menyebabkan asam sitrat terakumulasi di dalam sel.
6. Terjadinya defisiensi fosfat akibat limitasi fosfor di dalam medium menyebabkan aktivitas sistem transpor asam sitrat memuran sel menjadi mening kat sehingga merangsang ekskresi asam sitrat ke luar sel.

Dari hasil penelitian yang dilakukan oleh Poeponegoro  (http://digilib.ti.itb.ac.id/go.php) menunjukkan pula bahwa kondisi medium yang menghambat aktivitas respirasi oksidatif dan pertumbuhan kapang cenderung merangsang akumulasi asam sitrat. Sebaliknya kondisi medium yang merangsang pertumbuhan dan aktivitas respirasi oksidatif kapang cenderung menurunkan efisiensi produksi asam sitrat oleh Aspergillus niger. Hasil-hasil penelitian ini memberikan petunjuk adanya hubungan yang erat antara limitasi fosfor, konsentrasi miselium dan respirasi oksidatif kapang dengan efisiensi produksi asam sitrat oleh Aspergillus niger ATCC 11414. Kesimpulan ini didukung oleh hasil evaluasi efisiensi energetik yang menunjukkan bahwa efisiensi produksi asam sitrat (ζp) menurun dengan meningkatnya koefisien respirasi (RQ) kapang dan dengan meningkatnya fraksi energi substrat organik yang ditransfer ke biomassa (η ) dan yang timbul sebagai energi metabolik (ε).

Pemanfaatan onggok sebagai media produksi fermentasi untuk menghasilkan asam sitrat oleh kapang sangat menguntungkan karena murah dan mudah didapat. Selain itu pemanfaatan onggok sebagai media juga mengurangi dampak limbah pabrik tapioka dari yang tidak berharga menjadi berguna.

KESIMPULAN

1.      Dari hasil perhitungan nilai AU, hasil titrasi dan hasil spektrofotometer, total asam sitrat dan yield yang diperoleh  dari inokulum mangga 2 lebih tinggi daripada inokulum mangga 1

2.      Pertumbuhan isolat mangga 2 lebih bagus daripada mangga 1.  Bila pertumbuhan isolat kapang yang digunakan tumbuh dengan baik berarti aktivitas α-ketoglutarat dehidrogenase terekspresi dengan baik sehingga banyak ATP yang dibentuk. ATP yang banyak terbentuk menyebabkan pertumbuhan kapang menjadi lebih baik, namun  asam sitrat yang dihasilkan sedikit karena aktivitas α-ketoglutarat dehidrogenase terekspresi dengan baik. Tetapi bila aktivitas α-ketoglutarat dehidrogenase-nya tidak terekspresi berarti ATP yang dibentuk sedikit menyebabkan  pertumbuhan kapang terhambat, dan asam sitrat yang dihasilkan lebih banyak karena  α-ketoglutarat dehidrogenase-nya tidak terekspresi.

3.      Pemanfaatan onngok sebagai media produksi asam sitrat oleh kapang sangat menguntungkan di dunia industri karena murah dan mudah didapat.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. _______. Citric acid:  http://id.wikipedia.org/wiki/Citric_acid (6 Juni 2008).

Anonim. _____. Fermentasi Asam Sitrat. http://permimalang.wordpress.com/2008/03/25/fermentasi-asam-sitrat. (6Juni 2008).

Crueger W, Crueger A. 1984. Biotechnology A Textbook of Industrial Microbiology. Madison: Science Tech Inc.

Poeponegoro M. 2005. Pengaruh Limitasi Nutrien Pada Fermentasi Asam Sitrat Secara Biak Rendam Dengan Kapang Aspergillus niger ATCC 11414.       http://digilib.ti.itb.ac.id/go.php. (7 Juni 2008).

Yigitoglu M. 1992. Biotecnology Production of Citric Acid by Fungi. Islamic Academy of Siences 5(2): 100-106

Genom

Genome

Genom (Ing. genome), dalam genetika dan biologi molekular modern, adalah keseluruhan informasi genetik yang dimiliki suatu sel atau organisme, atau khususnya keseluruhan asam nukleat yang memuat informasi tersebut. Secara fisik, genom dapat terbagi menjadi molekul-molekul asam nukleat yang berbeda (sebagai kromosom atau plasmid), sementara secara fungsi, genom dapat terbagi menjadi gen-gen  Istilah genom diperkenalkan oleh Hans Winkler dari Universitas Hamburg, Jerman, pada tahun 1920, mungkin sebagai gabungan dari  kata gen dan kromosom atau dimaksudkan untuk menyatakan kumpulan gen 

Memetakan genom hanyalah awal dari rentetan kisah penelitian ilmiah yang panjang. Tugas para ilmuwan selanjutnya adalah harus bisa memahami makna dan fungsi setiap deretan kode genom yang telah berhasil dipetakan tersebut. Sejak itulah sains genetika manusia mengalami perkembangan yang sangat pesat.

Setiap makhluk hidup apapun, termasuk manusia (Homo Sapiens), memiliki “kitab” genom masing-masing. Kitab genom ini berisi seluruh informasi tentang individu yang bersangkutan. Semuanya, mulai dari identitas biologis, warisan leluhur, dugaan masa depan, sifat dasar, bentuk tubuh, model rambut, kecerdasan, dan lain sebagainya tercatat lengkap tanpa ada satu pun yang terlupakan. Ridley menggambarkan deret genom sebagai buku yang menceritakan hidup (dan mati) pemiliknya, atau semacam buku otobiografi manusia. Kitab genom terdiri dari 23 bab yang disebut kromosom (chromosome). Setiap bab terdiri dari ribuan alinea yang disebut gen (gene). Setiap alinea terdiri dari kalimat-kalimat yang disebut ekson (exon) dan intron (intron). Setiap kalimat terdiri dari kata-kata yang disebut kodon (codon). Dan setiap kata terdiri dari huruf-huruf yang disebut basa (base).

          Ada sekitar 1 milyar kata dalam kitab genom, yang jika dicetak mungkin bisa jadi buku otobiografi paling lengkap dan tebal di dunia. Namun seluruh isi kitab genom tersebut bisa muat dalam inti sel (nukleus) yang sangat kecil (berukuran mikroskopik). Huruf dalam genom (basa) hanya ada 4 saja, yaitu berupa protein dasar A (adenin), C (cytosine), G (guanin), dan T (thymin). Setiap kata dalam genom (kodon) selalu terdiri dari kombinasi 3 huruf dari 4 huruf yang tersedia. Setiap huruf dalam genom “dicetak” di atas rantai senyawa gula dan fosfat yang sangat panjang yang disebut DNA (deoxyribo-nucleic acid). Setiap bab dalam genom (kromosom) terdiri dari sepasang rantai DNA berbentuk seperti tangga terpilin (double helix) dengan pasangan huruf sebagai anak tangganya. Setiap anak tangga DNA terdiri dari pasangan huruf yang tetap. Setiap huruf A selalu berpasangan dengan huruf T dan setiap huruf C selalu berpasangan dengan huruf G.

Tidak seperti kitab biasa, genom adalah kitab yang “hidup”. Genom mampu membaca dirinya sendiri yang disebut penerjemahan (translation) dan juga mampu menggandakan diri yang disebut penggandaan (replication). Proses penggandaan dilakukan dengan cara pembalikan huruf (letter swapping). Misalnya kata asli di DNA berupa AGT disalin menjadi TCA, lalu salinan ini digunakan untuk membentuk DNA baru dengan cara yang sama, menjadi AGT kembali seperti asalnya. Proses penerjemahan sedikit lebih rumit, karena membutuhkan bantuan komponen lain, terutama RNA (ribo-nucleic acid). Secara sederhana, prosesnya dimulai dari DNA digandakan ke RNA pembawa (messenger), lalu ribosom membaca isi RNA pembawa untuk menghasilkan asam amino sesuai kode yang diberikan RNA, selanjutnya asam amino dibawa oleh RNA pengangkut (transfer) untuk kemudian diubah menjadi protein. Dengan dua kemampuan tersebut, penerjemahan dan penggandaan, genom mampu menjaga kelangsungan hidupnya sendiri.

Genom berada di setiap inti sel makhluk hidup, kecuali sel darah merah yang tidak punya inti, serta sebagian kecil di mitokondria. Genom mengendalikan nyaris seluruh proses makhluk hidup melalui protein atau gabungan protein. Segala hal di tubuh organisme hidup, dari rambut hingga hormon, dibuat oleh atau terbuat dari protein. Nyaris seluruh protein adalah hasil dari perintah atau instruksi dalam genom melalui proses penerjemahan dan penggandaan. Setiap reaksi kimiawi dalam organisme hidup didorong oleh enzim yang juga berupa protein. Bahkan proses penggandaan dan penerjemahan, juga atas instruksi dari genom. Protein juga berperan dalam memilih gen-gen dalam DNA, terutama dalam proses kombinasi dalam reproduksi. Dari proses itu maka wajar saja jika bapak dan ibunya berkulit gelap, lalu anaknya berkulit terang, karena genom si anak “memutuskan” untuk memilih gen kulit terang dari neneknya yang terbawa dalam gen ibunya.

Dalam proses penggandaan atau penerjemahan DNA, kadang juga terjadi kesalahan. Kesalahan ini yang disebut dgn mutasi. Contoh kesalahan misalnya ada huruf yang terlompati, ada huruf yang terabaikan, ada huruf yang digandakan lebih dari sekali, ada kata yang diproses secara terbalik, dan sebagainya. Rata-rata secara statistik, hanya terjadi sekitar 100 kesalahan kata dalam setiap pembelahan sel. Dibandingkan dengan 1 milyar kata dalam genom, 100 kata adalah jumlah yang sangat kecil, secara umum bisa diabaikan. Namun demikian, jika mutasi terjadi di lokasi yang salah, dampaknya bisa sangat berbahaya. Apalagi jika kesalahan yang terjadi lebih dari 100 kata. Secara kumulatif dan berjalannya waktu (yang sangat panjang melalui ratusan hingga ribuan generasi selama ribuan hingga jutaan tahun), mutasi mampu menghasilkan ragam baru pada generasi selanjutnya hingga akhirnya menjadi spesies yang sama sekali berbeda dengan leluhur asalnya.

Dari penelusuran genom berbagai makhluk hidup yang telah dilakukan, termasuk manusia, ditemukan fakta ilmiah adanya evolusi. Fakta pertama adalah seluruh makhluk hidup berasal dari satu leluhur yang sama, yang disebut dengan LUCA (last universal common ancestor) atau leluhur terdahulu dari semua makhluk. Fakta kedua, setiap spesies termasuk manusia modern juga berasal dari satu leluhur yang sama, baik dari garis ibu (matrilineal) maupun dari garis ayah (patrilineal). Sejumlah penelitian telah membuktikan adanya leluhur manusia perempuan melalui penelusuran DNA di mitokondria atau secara populer disebut mitochondrial eve. Sejumlah penelitian lain juga membuktikan adanya leluhur manusia laki-laki melalui penelurusan kromosom Y atau secara populer disebut y-chromosomal adam. Istilah eve (hawa) dan adam merujuk pada Adam dan Hawa yang disebut sebagai manusia pertama dalam kitab suci agama tertentu. Hipotesis penelitian penelusuran DNA ‘adam’ dan ‘hawa’ ini masih perlu penelitian lebih lanjut untuk bisa diakui sebagai teori ilmiah.

I.        Genom manusia

A.    Struktur genom manusia

Genom manusia terdiri dari 46 kromosom yang membentuk pasangan menjadi 23 pasang kromosom. Sejumlah 44 kromosom merupakan jenis autosom sedangkan 2 lainnya merupakan gonosom. Dalam genom manusia terdapat  65.000-80.000 gen yang tersebar dalam 23 pasang kromosom.

Ukuran gen bervariasi misalnya: 

1. Gen tRNA : 65-75 bp

2. Gen histone H4 : 406 bp

3. Gen dystrophin : 2400 kb (sekuen yang dikode hanya 0,6%)

Dalam genom manusia, gen-gen dapat terletak berdekatan atau tersebar dalam kromosom yang berbeda

1.    Gen-gen berada pada satu posisi dalam genom

Contoh : famili gen hormon pertumbuhan terletak pada kromosom 17

2.    Pada famili lain, gen tersebar di dalam genom.

Contoh : 5 anggota famili gen aldolase berada pada kromosom 3, 9, 10, 16, dan 17

3.    Pada famili gen yang banyak/besar, dapat berada pada satu lokasi atau menyebar dalam genom

Contoh : 280 kopi unit transkripsi rRNA berkelompok 50-70 unit. Tiap kelompok berada pada lengan pendek kromosom 13, 14, 15, 21, dan 22

B.    Gene Relics (Gen yang sudah mengalami perubahan) 

Relic: sesuatu yang berhasil survival dari masa lampau. Pada famili multigen, kadang salah satu atau beberapa anggotanya berubah sampai kehilangan fungsinya  Pada gen tersebut biasanya terdapat mutasi seperti nonsense mutation yang menyebabkan terminasi dini

Pseudogene adalah gen yang sudah kehilangan fungsinya

1.    Conventional pseudogene : Gen yang kehilangan fungsinya dengan akibat mutasi seperti nonsense mutation

2.    Processed pseudogenes : adalah salinan DNA dari mRNA, sehingga tidak mempunyai intron dan promoter, akibatnya gen ini tidak dapat ditranskripsi

Gen yang terpotong (truncated gene fragments).

Fragmen ini tidak mempunyai ujung 5’ atau 3’ dari gen yang lengkap. Kemungkinan karena mutasi yang menghilangkan ujung DNA. Atau rekombinasi yang menyebabkan gen asalnya membelah menjadi 2.

C.   DNA Extragenik

Genom manusia terdiri dari 30% gen dan sekuen yang berhubungan dengan gen  Termasuk :

1. exon, intron, segmen leader dan trailer

2. Promoter, sekuen lain upstream dari gen

3. Pseudogenes, gene relics

70% sisanya adalah DNA Extragenik. Sebagian besar belum diketahui fungsinya. Sebagian lagi merupakan sekuen berulang (repetitive DNA)

Dispersed repetitive DNA

Terdapat 2 kategori dispersed repetitive DNA :

1.    SINE (short interspersed nuclear elements)

Contoh : Alu family, Panjang sekitar 280 bp, terdapat berulang 700 000 – 1000 000 kali di dalam genom, kemungkinan berasal dari processed pseudogenes, Berasal dari 7SL RNA (berfungsi dalam sekresi protein), Pseudogenes tersebut kemungkinan mempunyai aktivitas seperti transposon

2.    LINE (long intersperses nuclear elements)

Panjang sekitar 6.1 kb (6100 bp), biasanya terpotong-potong menjadi 1.4kb, terdapat berulang 60 000-100 000 kali di dalam genom, suatu non-viral retroelement (transposon yang dapat replikasi dan berpindah dalam genom dengan cara reverse transcriptase

3.    HERV (Human Endogenous Retroviruses)

Elemen seperti retrovirus, benang virus yang masuk ke dalam genom tapi tidak menyebabkan penyakit

Clustered repetitive DNA

1.    Classical satellite DNA

Panjang 100 – 5000 kb

Contoh : sekuen alpha berulang pada sentromer

2.    Minisatellite DNA

Panjang 100 bp – 20 kb

Contoh : sekuen berulang pada telomere

3.    Microsatellite DNA

Biasanya lebih pendek daripada minisatellite , kurang dari  150 bp

 Contoh :

Dinucleotide repeats (0,5% dari genom): 5’- CACACACACACACACACACACA-3’ 3’-GTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTG-5’

Mononucleotide repeats (0,3% dari genom) : 5’-AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA-3’ 3’-TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT-5’

Istilah satellite : saat sentrifugasi, ada band/pita yang berada di atas band DNA (mengandung 40.3% GC). Satellite DNA mengandung fragmen berulang seperti ATTAC yang mengandung sedikit C / G

II. Asal-usul Genetis Populasi Manusia Modern

Pengetahuan mengenai genom manusia dapat memberi gambaran ttg asal-usul manusia

Perlu dipahami beberapa konsep terlebih dahulu

A.    Polimorfisme

Tidak ada 2 org yang mempunyai genom sama

Beberapa bagian genom bersifat polimorfik (mempunyai lebih dari satu bentuk)

Extragenic region – biasanya polimorfik

Gen juga polimorfik – allele

Contoh :

Major histocompatibility complex

Terletak pada kromosom 6

Terdiri dari gen-gen penyandi protein dalam sistem imun

Beberapa gen tersebut sangat polimorfik misalnya HLA-DRB1 mempunyai 59 allele dan HLA-B mempunyai 60 allele

Seorang individu hanya mempunyai 2 allele tersebut

B.    Distribusi allele menentukan kelompok populasi

Dalam suatu populasi dapat dikelompokkan berdasar allele yang dimiliki

Dapat dilihat common ancestor suatu populasi. Tapi analisis data yang tepat belum ditemukan

III. THE HUMAN GENOME PROJECT

Human genome : study dari bidang biokemis, genetik, dan biologi molekuler

Menyusun DNA gen dan extragenic

Untuk mengetahui lokasi gen-gen tertentu seperti penyebab penyakit

Gabungan beberapa negara : USA, Eropa, Jepang…dll

Penggunaan mesin sequencer untuk bisa memetakan sampai 100kb / hari

Para ilmuwan dalam proyek genom MANUSIA memerlukan waktu selama 13 tahun untuk membaca seluruh 3 milyar urutan abjad DNA dari 23 pasang kromosom manusia (genom manusia). Dana sebesar 1 milyar dollar amerika diperlukan untuk mengawali proyek tersebut di tahun 1990.

Kini, 29 tahun sejak dicanangkannya pembacaan genom manusia, sekuensing atau pengurutan DNA baik dari sisi teknologinya, bidang kajiannya, maupun penerapannya telah berkembang amat pesat. Jika 29 tahun yang lalu biaya untuk melakukan sequencing atau pemetaan terhadap genome manusia adalah sebesar 100 juta US$ (dana yang digunakan pada Human Genome Project, yang di-launch di tahun 1986 dan selesai pada 2003), maka saat ini biaya pemetaan genome manusia adalah sekitar 1000 US$ dan  kita bisa membaca 3 milyar basa DNA dalam waktu beberapa hari saja. Saat ini, dalam pusat data GenBank telah terkumpul ribuan sekuen genom manusia dan ribuan genom organisme lainnya, dari bakteri hingga tanaman.  

Penurunan biaya dan waktu pemrosesan menjadikan pemetaan genome menjadi sebuah proses yang terjangkau, sehingga banyak pihak dapat turut memanfaatkan dan mengembangkannya. Sebagai akibatnya, genomics pun menjadi sebuah bidang yang mengalami perkembangan yang sangat cepat pada dekade terakhir ini.

IV. Genomics

Genomics adalah bidang yang mempelajari genome, untuk memahami bagaimana suatu organisme bekerja, dan apa akibat dari interaksi antar gen serta pengaruh lingkungan terhadapnya. Sedangkan genome adalah materi genetik yang menjadi cetak biru atau rancangan dari suatu mahluk hidup. Informasi ini diwariskan secara turun temurun dan tersimpan dalam DNA, atau pada beberapa jenis virus, dalam RNA.

Saat ini genomics memiliki peran yang besar dalam berbagai bidang, mulai dari kesehatan, pertanian, lingkungan, industri maupun perkembangan ilmu pengetahuan. Dengan mempelajari gen, manusia dapat menemukan solusi dari banyak permasalahan mendasar di banyak bidang kehidupan.

            Misalnya, di bidang medis, genomics dapat membantu dalam meningkatkan kualitas diagnosis penyakit, mengidentifikasi predisposisi terhadap penyakit tertentu (misalnya diabetes tipe 2, penyakit huntington, dll), mendeteksi virus dan bakteri penyebab penyakit, mengembangkan obat yang disesuaikan dengan informasi genetik seseorang (disebut juga ‘personalized medicine’, misalnya penggunaan penanda genetik untuk membantu menentukan dosis Warfarin, obat anti penggumapalan darah, menentukan jenis dan dosis obat untuk kanker, dll), atau memantau pengaruh gaya hidup dan lingkungan terhadap genome dan kesehatan manusia.

Di bidang lingkungan, genomics membantu untuk menemukan sumber-sumber energi yang lebih sustainable seperti biofuels, mengendalikan polusi, melakukan dekontaminasi daerah yang terkena limbah (disebut juga bioremediation, seperti misalnya mikroba yang digunakan untuk membantu membersihkan tumpahan minyak di teluk Meksiko), memantau keragaman hayati dan identifikasi spesies baru.

Dalam bidang pertanian genomics dapat digunakan untuk mengembangkan tanaman yang lebih tahan terhadap serangan hama, penyakit, dan lingkungan, dapat juga digunakan untuk membantu mengidentifikasi hama, mengembangkan tanaman pangan yang lebih kaya kandungan gizi, ataupun mengembangkan ternak yang lebih berkualitas dan tahan terhadap serangan penyakit, dan lain sebagainya.

Perkembangan bidang kajian genomika yang terus tumbuh semenjak proyek genom manusia dimulai tidak hanya menghasilkan banjir data sekuen saja. Bidang kajian lainnya terkait genomika, seperti bioinformatika yang menjadi tulang punggung dalam mengelola dan menganalisa besarnya data yang dihasilkan, juga ikut berkembang pesat.

Dengan semakin banyaknya urutan genom yang berhasil dibaca maka semakin banyak pula marka DNA yang bisa dimanfaatkan untuk pemuliaan. Tentu saja, selesainya pembacaan genom suatu organisme tidak serta merta menjadikan ilmuwan tahu segalanya tentang organisme bersangkutan. Sejalan dengan waktu, mereka mulai bisa memahami fungsi dari tiap abjad DNA dan menelaah interaksi antar komponen genom serta kaitannya dengan penampakan luar atau sifat-sifat dari suatu makhluk hidup. Para ilmuwan mulai bisa melihat latar belakang genomis dari suatu sifat agronomis, semisal ketahanan atau kerentanan tanaman terhadap penyakit. Dari sana, mereka bertolak untuk bisa merancang tanaman baru yang lebih bermanfaat. Jika hari ini berbagai penemuan genomis telah dan sedang berjalan, maka sepuluh tahun ke depan penemuan-penemuan semacam itu akan menghasilkan era baru: pemuliaan genomis dan pengobatan genomis

Teknologi di Balik Perkembangan Genomics

Peran genomics yang besar tersebut dimungkinkan dengan berkembangnya teknologi dalam bidang pemetaan gen dan pengolahan data.

Next Generation Sequencing

Dengan hadirnya teknologi yang disebut dengan Next Generation Sequencing, maka biaya untuk melakukan pemetaan genetik juga mengalami penurunan yang sangat ekstrim.

       Big Data

Pemetaan dan analisis genome menghasilkan dan membutuhkan data yang sangat besar. Data hasil sequencing dapat mencapai 130 GB lebih per genome. Dengan semakin banyaknya genome yang dipetakan dan dianalisis, terjadilah ledakan di sisi data yang dihasilkan.

Tantangan selanjutnya adalah bagaimana data yang sedemikian besar dapat diproses dan dianalisis, sehingga semakin banyak penelitian maupun pemanfaatan data genomics dapat dilakukan.

Salah satu pendekatannya adalah dengan cara meningkatkan kecepatan prosesor. Teknologi seperti GPU ataupun FPGA (Field Programmable Gate Arrays) menjadi beberapa alternatif dalam hal ini. Solusi lain adalah penggunaan cloud computing, di mana data yang akan digunakan diproses di cloud, sehingga para peneliti tidak perlu membangun sendiri infrastruktur yang mereka gunakan. Namun permasalahannya adalah ketika diperlukan analisis seperti variant calling untuk mendeteksi mutasi gen, sejumlah data yang sangat besar perlu diakses dan dipindahkan ke environment analisis yang sesuai. Transfer data yang sangat besar melalui jaringan menjadi sebuah permasalahan berikutnya.

Dengan kehadiran big data, khususnya Hadoop sebagai solusi komputasi dan penyimpanan data terdistribusi, para peneliti memiliki alternatif baru yang lebih terjangkau. Hadoop menjadi alternatif bagi penyimpanan dan pemrosesan data genome dengan memberikan solusi berupa : biaya yang lebih terjangkau dengan pemanfaatan commodity hardware, peningkatan kapasitas komputasi dengan penggunaan banyak mesin secara paralel, mengurangi data movement dengan melakukan komputasi secara lokal, di mana data tersebut disimpan secara fisik.

Di samping itu, saat ini telah banyak teknologi yang dikembangkan di atas ataupun melengkapi Hadoop ekosistem, seperti misalnya Hive, Pig, Mahout, Yarn, dan lain sebagainya. Terlebih lagi setelah munculnya Spark sebagai platform pemrosesan in memory secara terdistribusi, big data menjadi sebuah alternatif solusi yang tidak dapat diabaikan lagi. Salah satu pemanfaatan teknologi big data dalam bidang genomics ini adalah ADAM, yaitu platform analisis genomik dengan format file khusus. Dibangun menggunakan Apache Avro, Apache Spark dan Parquet. ADAM pada awalnya dikembangkan oleh Universitas Berkeley dan berlisensi Apache 2

Referensi :

http://staffnew.uny.ac.id/upload/197810222010122001/pendidikan/2the-human-genome.pdf

http://biogen.litbang.pertanian.go.id/2013/04/sepuluh-tahun-setelah-genom-manusia-selesai-dibaca/

https://idbigdata.com/official/genomics-the-next-big-thing-in-big-data/

http://www.whygenomics.ca/why-should-i-care

http://blogs.uw.edu/ngopal/why-genomics/

https://blog.pivotal.io/data-science-pivotal/features/re-architecting-genomics-pipelines-to-handle-the-rising-wave-of-data

https://id.wikipedia.org/wiki/Genom

https://islamindonesia.id/opini/genom-kitab-hidup-berisi-cetak-biru-makhluk-hidup.htm