BIOTEKNOLOGI

BAB I

PENDAHULUAN

Secara umum, bioteknologi diharapkan untuk memenuhi berbagai kebutuhan umat manusia. Pertanian dan kesehatan adalah merupakan 2 bidang terbesar dalam penerapan bioteknologi, bidang lainnya adalah polusi kontrol, pertambangan, produksi energi, akuakultur dan kehutanan. Sekitar 15 tahun lalu dengan munculnya bioteknologi, bidang ini diharapkan dapat diterapkan untuk memberikan manfaat pada berbagai segmen kehidupan. Bioteknologi adalah cabang ilmu yang mempelajari pemanfaatan makhluk hidup (bakteri, fungi, virus, dan lain-lain) maupun produk dari makhluk hidup (enzim, alkohol) dalam proses produksi untuk menghasilkan barang dan jasa. Dewasa ini, perkembangan bioteknologi tidak hanya didasari pada biologi semata, tetapi juga pada ilmu-ilmu terapan dan murni lain, seperti biokimia, komputer, biologi molekular, mikrobiologi, genetika, kimia, matematika, dan lain sebagainya. Dengan kata lain, bioteknologi adalah ilmu terapan yang menggabungkan berbagai cabang ilmu dalam proses produksi barang dan jasa.

Bioteknologi secara sederhana sudah dikenal oleh manusia sejak ribuan tahun yang lalu. Sebagai contoh, di bidang teknologi pangan adalah pembuatan bir, roti, maupun keju yang sudah dikenal sejak abad ke-19, pemuliaan tanaman untuk menghasilkan varietas-varietas baru di bidang pertanian, serta pemuliaan dan reproduksi hewan. Di bidang medis, penerapan bioteknologi di masa lalu dibuktikan antara lain dengan penemuan vaksin, antibiotik, dan insulin, walaupun masih dalam jumlah yang terbatas akibat proses fermentasi yang tidak sempurna. Perubahan signifikan terjadi setelah penemuan bioreaktor oleh Louis Pasteur. Dengan alat ini, produksi antibiotik maupun vaksin dapat dilakukan secara massal. Bioteknologi secara umum berarti meningkatkan kualitas suatu organisme melalui aplikasi teknologi. Aplikasi teknologi tersebut dapat memodifikasi fungsi biologis suatu organisme dengan menambahkan gen dari organisme lain atau merekayasa gen pada organisme tersebut.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1. Pengertian Bioteknologi

Bioteknologi berasal dari kata “bio” dan “teknologi” yang dapat diartikan sebagai penggunaan organisme atau sistem hidup untuk memecahkan suatu masalah atau untuk menghasilkan produk yang berguna.

Bioteknologi adalah penggunaan prinsip-prinsip teknologi pada suatu sistem hidup untuk mengembangkan proses-proses untuk menghasilkan produk. Bioteknologi pada saat ini meliputi teknik-teknik DNA rekombinan, pemindahan gen, manipulasi dan pemindahan embrio, regenerasi tumbuhan, kultur sel, antibody monoklonal dan engineering bioproses.

Pengertian lain dari Bioteknologi adalah penggunaan biokimia, mikrobiologi, dan rekayasa genetika secara terpadu, untuk menghasilkan barang atau lainnya bagi kepentingan manusia. Biokimia mempelajari struktur kimiawi organisme. Rekayasa genetika adalah aplikasi genetik dengan mentransplantasi gen dari satu organisme ke organisme lain. Dari pengertian di atas dapat dilihat bahwa ciri-ciri utama dari bioteknologi antara lain sebagai berikut:

1.    Adanya benda biologi berupa mikroorganisme, tumbuhan atau hewan

2. Adanya pendayagunaan secara teknologi dan industri

Teknik bioteknologi ini meliputi teknik-teknik di bawah ini:

2.1.1. DNA Rekombinan

Teknologi DNA rekombinan merupakan teknik kejuruteraan genetik yang melibatkan penggunaan DNA rekombinan - yaitu DNA yang menggabungkan maklumat genetik dua species organisma yang berlainan. Jika gen-gen ini digabungkan dalam sel telur atau sel sperma supaya maklumat genetik ini boleh diturunkan kepada progeni, maka hasil daripada gabungan ini dinamakan organisma transgenik.

Penghasilan DNA rekombinan melibatkan tiga proses:

• Manipulasi DNA in vitro (luar sel organisma)
• Gabungan, atau rekombinasi DNA sesuatu organisma dengan DNA bakteria dalam plasmid atau bakteriofaj.
• Pengklonan, atau teknik untuk mereplikasi progeni yang membawa DNA rekombinan.

Proses-proses diatas pertama kali dilakukan oleh Paul Berg dan A.D. Kaiser pada tahun 1972. Mereka berjaya memasukkan DNA prokariot kedalam bakteria, kemudian oleh S.N. Cohen dan Herbert Boyer yang berjaya menggabungkan DNA organisma eukariot bersama plasmid bakteria.

Teknologi DNA rekombinan telah mungkinkan bagi kita untuk: mengisolasi DNA dari berbagai organisme, menggabungkan DNA yang berasal dari organisme yang berbeda sehingga terbentuk DNA rekombinan, memasukkan DNA rekombinan ke dalam sel organisme prokariot maupun eukariot hingga DNA rekombinan dapat berepilkasi dan bahkan dapat diekspresikan. Jadi, Teknologi DNA Rekombinan merupakan kumpulan teknik atau metoda yang digunakan untuk mengkombinasikan gen-gen di dalam tabung reaksi.

Teknik-teknik tersebut meliputi:

- Teknik untuk mengisolasi DNA.

- Teknik untuk memotong DNA.

- Teknik untuk menggabung atau menyambung DNA.

- Teknik untuk memasukkan DNA ke dalam sel hidup.

Perangkat yang digunakan dalam teknologi DNA rekombinan adalah perangkat-perangkat yang ada pada bakteri. Perangkat tersebut antara lain adalah: enzim restriksi, enzim DNA ligase, plasmid, transposon, pustaka genom, enzim transkripsi balik, pelacak DNA/RNA.
Enzim restriksi digunakan untuk memotong DNA

Enzim DNA ligase digunakan untuk menyambung DNA

Plasmid digunakan sebagai vektor untuk mengklonkan gen atau mengklonkan fragmen DNA atau mengubah sifat bakteri.

Transposon digunakan sebagai alat untuk melakukan mutagenesis dan untuk menyisipkan penanda.
Pustaka Genom digunakan untuk menyimpan gen atau fragmen DNA yang telah diklonkan.
Enzim traskripsi balik digunakan untuk membuat DNA berdasarkan RNA.

Pelacak DNA / RNA digunakan untuk mendeteksi gen atau fragmen DNA yang diinginkan atau untuk mendeteksi klon yang benar.

Aplikasi teknologi DNA rekombinan

 ·     Dalam perobatan

Antara aplikasi terpenting yang terbit daripada teknologi DNA rekombinan ialah pengubahsuaian sel bakteria supaya ia berfungsi sebagai penjana protein manusia. Interferon, sejenis protein yang digunakan untuk merawat jangkitan virus dan sesetengah barah, dan juga hormon insulin, merupakan antara produk terawal DNA rekombinan. Kini, hormon tumbesaran boleh dihasilkan secara sintetik, termasuk juga vaksin, protein pembeku darah untuk pengidap hemofilia, dan enzim-enzim seperti kolesterol oksidase untuk mendiagnos masalah metabolisme kolesterol.

Penghasilan vaksin melalui proses DNA rekombinan bermakna ia lebih murah, tulen, spesifik, dan tidak menyebabkan kesan sampingan yang banyak dan memudaratkan. Banyak penyelidikan dilakukan untuk merawat penyakit genetik dengan memasukkan gen yang berfungsi bagi menggantikan yang rosak. Ini adalah satu contoh terapi gen. Malah, kemasukan gen dalam sel gamet yang kurang sempurna boleh mengelakkan pewarisan penyakit oleh anak dalam kandungan.

 ·     Dalam industri

Proses fermentasi berlaku dalam penghasilan minuman alkohol, antibiotik, dan roti. Tetapi kesemua ini boleh diperbaiki lagi dengan kehadiran agen yang berDNA rekombinan. Contohnya, penambahan gen-gen tertentu kepada strain yis Saccharomyces untuk sintesis amylase membolehkan penghasilan alkohol daripada kanji. Lain-lain kegunaan DNA rekombinan dalam industri termasuklah degradasi sellulosa dan lignin, penjanaan bahan api, dan pembersihan agen-agen pencemar alam sekitar. Strain Pseudomonas putida yang boleh menghancur komponen-komponen minyak yang berlainan telah "dijuruterakan" untuk mempertingkatkan upayanya untuk mendegradasi kesemua komponen minyak.

·          Dalam pertanian

   Sesetengah strain bakteria telah dicipta untuk mengawal populasi serangga yang menyerang tanaman. Syarikat Monsanto berjaya mengubahsuai strain bakteria Pseudomonas fluorescens yang membolehkannya membunuh serangga perosak memlalui penghasilan toksin yang berasal daripada Bacillus thuringiensis. Toksin B. thuringiensis telah lama digunakan sebagai bahan pembunuh hewan perusak.

2.1.2. Pemindahan Gen

            Cara ini dikenal pula sebagai transformasi DNA. Gen dari organisme lain disisipkan ke dalam DNA tanaman untuk tujuan tertentu. Strategi pemuliaan ini banyak mendapat penentangan dari kelompok-kelompok lingkungan karena kultivar yang dihasilkan dianggap membahayakan lingkungan jika dibudidayakan.

Transformasi tanaman yang dimediasi dengan Agrobacterium tumefaciens merupakan metode transformasi tanaman yang paling umum digunakan A. tumefaciens secara alami menginfeksi tumbuhan dikotil dan menyebabkan tumor yang disebut ‘crown gall’ Bakteri ini merupakan bakteri gram negatif yang menyebabkan crown gall dengan mentransfer bagian DNA-nya (dikenal sebagai T-DNA) dari Tumour inducing plasmid (Ti plasmid) ke dalam inti sel dan berintegrasi dengan genom sehingga menyebabkan penyakit ‘crown gall’.T-DNA mengandung 2 tipe gen, gen onkogenik yang menyandikan enzim termasuk sintesis auksin dan sitokinin dan membentuk formasi tumor, serta gen yang menyandikan sintesis opin, hasil dari kondensasi asam amino dan gula. Opin dihasilkan dan diekskresikan sel ‘crown gall’ dan digunakan oleh A. tumefaciens sebagai sumber karbon dan nitrogen. Sementara gen untuk reaksi katabolisme opin, gen yang membantu transfer T-DNA dari bakteri ke sel tanaman, dan gen tansfer konjugatif plasmid, terdapat diluar T-DNA.

A. tumefaciens terlebih dahulu melakukan pelekatan pada permukaan sel tanaman dengan membentuk mikrofibril sehingga menyebabkan terjadinya luka pada tanaman yang akan mengeluarkan senyawa fenolik yaitu asetosiringone sebagai respon sinyal. Sinyal tersebut mengaktifkan virA yang merupakan protein kinase untuk mengaktifkan virG dan memfosforilasinya menjadi virG-P. Dengan aktifnya virG-P ini akan mengaktifkan gen-gen vir lainnya untuk mulai bersifat virulen dan melakukan transfer VirD untuk memotong situs spesifik pada Ti plasmid, pada sisi kiri dan kanannya sehingga melepaskan T-DNA yang akan ditransfer dari bakteri ke sel tanaman . T-DNA utas tunggal akan diikat oleh protein VirE yang merupakan single strand binding protein sehingga terlindung dari degradasi. Bersamaan dengan itu, protein virB membentuk saluran transmembran ysng menghubungkan sel A. tumefaciens dan sel tanaman sehingga T-DNA dapat masuk ke sel tanaman. Gen pada T-DNA, yang meliputi gen auksin, sitokinin dan opin, ikut terekspresi sehingga memacu pertumbuhan sel tanaman menjadi banyak (tumor.

Dengan adanya teknologi transformasi yang dimediasi A. tumefaciens ini berperan dalam menghasilkan tanaman transgenik, seperti tanaman tembakau yang tahan terhadap antibiotik tertentu. Resistensi terhadap antibiotik ini didapatkan dari bakteri yang turut menyisip pada T-DNA A. tumefaciens.

Produk yang dihasilkan dengan cara ini sudah cukup banyak, seperti berbagai kultivar padi, kedelai, jagung, kapas, tomat, dan kentang.

Transfer gen horizontal

            Transfer gen horizontal atau transfer gen lateral, merupakan proses masuknya bahan-bahan genetik suatu organisme ke organisme lain tanpa melalui proses reproduksi. Istilah ini dipertentangkan dengan transfer gen vertikal, yang terjadi apabila suatu organisme menerima bahan genetik dari tetuanya. Kebanyakan ilmu genetika berfokus pada transfer vertikal, namun akhir-akhir ini terjadi peningkatan perhatian pada transfer gen horizontal yang merupakan fenomena yang sangat umum terjadi pada organisme bersel tunggal. Transfer gen horizontal buatan merupakan salah satu bentuk rekayasa genetik.

Transformasi gen adalah proses dimana DNA asing dimasukkan kedalam sel tanaman. Teknologi transfer gen telah berkembang sejak dilaporkan adanya tanaman yang sudah tertransformasi pada awal tahun '80 an. Sekarang teknologi transfer gen mempunyai peranan yang amat penting dalam perkembangbiakan tanaman dan peningkatan mutu tanaman. Teknologi ini memungkinkan para pemulia tanaman memasukkan gen asing kedalam sel atau jaringan tanaman, baik secara langsung maupun tak langsung tanpa merujuk kepada tingkat hubungan genetik atau kompatibel ilitas suatu jenis. Keuntungan lainnya dari metode baru ini yaitu memungkinkan memasukkan gen yang diinginkan dengan sangat sedikit pengrusakan kedalam genom tanaman dibandingkan dengan cara proses perkawinan hybrid baik dalam species maupun antar species.

Memasukkan informasi genetik "asing" kedalam sel tanaman telah muncul pada tahun 1970 an dalam rangka membantu menghilangkan hambatan yang terjadi pada proses reproduksi melalui perkawinan. Prosedurnya meliputi penggabungan sel somatik yang membawa informasi genetik yang berbeda dengan menggunakan isolasi protoplast. Carlson (7) adalah yang pertama kali sukses memproduksi tanaman hibrid (Nicotiana) melalui penggabungan protoplast antar spesifik. Keterbatasan penggunaan teknik ini (parasexual hybridisation) dalam memproduksi tanaman baru pada dasarnya karena kurang cocoknya selectif marker genetik untuk isolasi hybridnya (2), dan adanya polyploid alami dalam somatik hybrid.

Teknologi tansfer gen kini diterapkan pada berbagai ragam species, menghasilkan berbagai generasi transgenik tanaman dan teknik transformasi ini sangat menarik bagi tanaman yang mempunyai nilai komersial tinggi.

2.1.3. Manipulasi dan Pemindahan Embrio

            Transfer embrio merupakan bagian dari teknologi reproduksi setelah inseminasi buatan yang tengah dikembangkan dalam dunia peternakan. Proses transfer embrio meliputi :

1. Metode sinkronisasi birahi dan superovulasi

Sinkronisasi birahi pada ternak resipien harus dilaksanakan pada hari yang sama pada semua ternak. Sinkronisasi birahi dapat dilakukan dengan beberapa cara, namun untuk keperluan transfer embrio pada umumnya menggunakan prostaglandin ( PGF2α ). Aplikasi teknik PGF2α dapat dilakukan dengan cara intramuscular, submukosa vulva atau secara intrauterine. Sinkronisasi birahi dalam rangka transfer embrio sebaiknya dilakukan secara intra uterin dengan teknik rektovaginal. Alat untuk mendepositkan PGF2α menggunakan kateter intrauterine atau plastic sheet AI Gun yang kemudian dimasukkan ke dalam uterus melalui vagina dipandu dengan tangan per rectal.

Superovulasi pada ternak donor dilaksanakan secara bersamaan dengan sinkronisasi birahi pada ternak resipien. Superovulasi dapat dilakukan dengan penyuntikan hormone PMSG dan HCG atau hormone FSH dan LH, dengan tujuan agar menghasilkan embrio dalam jumlah banyak.

2. Flushing embrio

Flushing pada proses transfer embrio adalah membilas uterus ternak donor dengan cara memasukkan cairan media ke dalam koruna uteri kemudian mengeluarkannya kembali untuk mendapatkan embrionya.

Teknik flushing dapat dilakukan dengan atau tanpa pembedahan. Teknik yang lebih aman dan lebih banyak digunakan adalah teknik tanpa pembedahan menggunakan foley catheter. Teknik ini dilakukan pada hari ke 5 – 8 yaitu ketika embrio hasil superovulasi sudah berada di koruna uteri namun belum mengalami implantasi.

3. Pengolahan embrio

Embrio yang diperoleh dari hasil flushing uterus ternak donor dapat langsung di transfer dalam bentuk embrio segar kepada ternak resipien atau disimpan dalam bentuk embrio beku untuk ditransfer kepada ternak resipien dikemudian hari.
Sebelum ditransfer kepada ternak resipien, embrio hasil flushing terlebih dahulu melewati tahapan berikut :

a. Identifikasi

Embrio yang berada didalam media flushing harus dapat di identifikasi terlebih dahulu agar tidak dikelirukan dengan sel epithel tuba fallopii. Proses ini dilakukan dengan menggunakan mikroskop disekting pada pembesaran 25 -40 kali. Embrio stadium morula dini atau blastosis dengan kualitas excellent dan good layak dipergunakan untuk transfer embrio.
b. Pencucian

Apabila embrio segera ditransfer maka terlebih dahulu dicuci dalam media transfer dengan cara memindahkannya dari cawan petri ke petri lain sebanyak 3 kali, pengambilan embrio menggunakan pipet mikro atau pipet berkanula, proses ini dilakukan di bawah mikroskop disekting.

c. Pengisian straw

Embrio dimasukkan ke dalam straw bening dengan posisi : media – udara - media embrio – udara – media

Teknik transfer embrio

Teknik transfer embrio menggunakan embrio segar maupun embrio beku pada prinsipnya sama, kecuali pada transfer embrio beku diperlukan thawing embrio dan degliserolisasi untuk menghilangkan cryoprotectant yang ada dalam media embrio beku.
Straw yang telah berisi embrio dimasukkan kedalam TE Gun dengan langkah sebagai berikut: Siapakan TE Gun steril, tarik stilet kira – kira sepanjang straw. Sisipkan straw ke ujung TE Gun dengan bagian straw yang terdapat plug pendorong berada di bagian bawah.

2.1.4. Regenerasi Tumbuhan

Kemampuan regenerasi tumbuhan merupakan proses seleksi untuk menentukan individu mana dan dari jenis apa yang akan bertahan hidup yang pada akhirnya akan
mempengaruhi komposisi jenis dan keragaman jenis.

2.1.5. Kultur Sel

            Salah satu teknologi kedokteran yang saat ini sedang dikembangkan yaitu stem sel. Pengembangan stem sel memberi harapan bagi penyembuhan berbagai penyakit yang belum ada obatnya sampai saat ini. Walaupun masih kontroversial karena berbenturan dengan permasalahan etika.

       Kultur sel atau yang biasa disebut sebagai Stem sel atau sel induk adalah sel yang dalam perkembangan embrio manusia menjadi sel awal yang tumbuh menjadi berbagai organ manusia. Sel ini belum terspesialisasi dan mampu berdeferensiasi menjadi berbagai sel matang dan mampu meregenerasi diri sendiri.

Sel induk dibagi menjadi sel stem embrionik dan sel stem dewasa. Sel stem embrionik adalah sel yang diambil dari inner cell mass, suatu kumpulan sel yang terletak di satu sisi blastocyst yang berusia lima hari dan terdiri atas seratus sel. Sel ini dapat berkembang biak dalam media kultur optimal menjadi berbagai sel, seperti sel jantung, sel kulit, dan saraf.

Sumber lain adalah sel stem dewasa, yakni sel induk yang terdapat di semua organ tubuh, terutama di dalam sumsum tulang dan berfungsi untuk memperbaiki jaringan yang mengalami kerusakan. Tubuh kita mengalami perusakan oleh berbagai faktor dan semua kerusakan yang mengakibatkan kematian jaringan dan sel akan dibersihkan. Sel stem dewasa dapat diambil dari fetus, sumsum tulang, dan darah tali pusat.

Sel induk embrionik maupun sel induk dewasa sangat besar potensinya untuk mengobati berbagai penyakit degeneratif, seperti infark jantung, stroke, parkinson, diabetes, berbagai macam kanker; terutama kanker darah dan osteoarthritis. Sel stem embrionik sangat plastis dan mudah dikembangkan menjadi berbagai macam jaringan sel sehingga dapat dipakai untuk transplantasi jaringan yang rusak.

Keuntungan sel induk dari embrio di antaranya ia mudah didapat dari klinik fertilitas dan bersifat pluripoten sehingga dapat berdiferensiasi menjadi segala jenis sel dalam tubuh. Pada kultur sel ini dapat berpoliferasi beratus kali lipat sehingga berumur panjang, Namun, sel induk ini berisiko menimbulkan kanker jika terkontaminasi, berpotensi menimbulkan penolakan, dan secara etika sangat kontroversial.

Sementara sel induk dewasa dapat diambil dari sel pasien sendiri sehingga menghindari penolakan imun, sudah terspesialisasi sehingga induksi jadi lebih sederhana dan secara etika tidak ada masalah. Kerugiannya, sel induk dewasa ini jumlahnya sedikit, sangat jarang ditemukan pada jaringan matur, masa hidupnya tidak selama sel induk dari embrio, dan bersifat multipoten sehingga diferensiasinya tidak seluas sel induk dari embrio.

2.1.6. Antibodi Monoklonal

            Antibodi monoklonal adalah zat yang diproduksi oleh sel gabungan tipe tunggal yang memiliki kekhususan tambahan. Ini adalah komponen penting dari sistem kekebalan tubuh. Antibody monoklonal adalah antibody yang melawan protein di daerah dan atau sel kanker. Antibodi monoklonal dibuat di laboratorium khusus untuk melawan antigen tertentu. Karena tiap jenis kanker mengeluarkan antigen yang berbeda, maka berbeda pula antibodi yang digunakan.

Mereka dapat mengenali dan mengikat ke antigen yang spesifik. Pada teknologi antibodi monklonal, sel tumor yang dapat mereplikasi tanpa henti digabungkan dengan sel mamalia yang memproduksi antibodi. Hasil penggabungan sel ini adalah hybridoma, yang akan terus memproduksi antibodi. Antibodi monoklonal mengenali setiap determinan yang antigen (bagian dari makromolekul yang dikenali oleh sistem kekepalan tubuh / epitope). Mereka menyerang molekul targetnya dan mereka bisa memilah antara epitope yang sama. Selain sangat spesifik, mereka memberikan landasan untuk perlindungan melawan patogen. Antibodi monoklonal sekarang telah digunakan untuk banyak masalah diagnostik seperti : mengidentifikasi agen infeksi, mengidentifikasi tumor, antigen dan antibodi auto, mengukur protein dan level drug pada serum, mengenali darah dan jaringan, mengidentifikasi sel spesifik yang terlibat dalam respon kekebalan dan mengidentifikasi serta mengkuantifikasi hormon.

Antibodi monoklonal juga dapat mempengaruhi cell growth factors, karenanya dapat digunakan untuk menghambat pertumbuhan sel-sel tumor. Jika dipadu dengan radioisotop, obat kemoterapi, atau imunotoksin, setelah menemukan antigen yang dicari antibodi monoklonal langsung membunuh sel pembuatnya (kanker).

Beberapa jenis antibodi monoklonal yang banyak dipergunakan antara lain rituximab (untuk non-Hodgkins lymphoma), trastuzumab (untuk kanker payudara), alemtuzumab (leukemia limfositik kronis), bevacizumab (kanker usus besar), cetuximab (kanker usus besar), gemtuzumab ozogamicin (leukemia myelogenik akut), ibritumomab tiuxetan (non Hodgkins lymphoma). Antibodi monoklonal untuk berbagai jenis kanker lainnya sedang dalam tahap uji klinis.

Trastuzumab (Herceptin), yang digunakan pada kanker payudara yang telah menyebar adalah salah satu contoh antibody yang melawan protein HER-2, protein yang bertanggung jawab atas pertumbuhan sel kanker payudara pada 15 25% kasus. Penambahan Trastuzumab pada kemoterapi terbukti menurunkan tumbuh kembalinya kanker dan mengurangi angka kematian pada perempuan penderita kanker payudara yang memiliki protein tersebut.

Tips: pengobatan ini masih tergolong pengobatan yang baru dalam dunia kanker, oleh karena itu bertanyalah dengan sejelas-jelasnya kepada dokter yang merawat tentang segala kemungkinan dari terapi ini, terutama dari sisi efek samping yang ditimbulkan.

2.1.7. Engineering Bioproses (teknik bioprosess)

            Teknik bioproses atau teknik biokimia (Bahasa Inggris: biochemical engineering) adalah cabang ilmu dari teknik kimia yang berhubungan dengan perancangan dan konstruksi proses produksi yang melibatkan agen biologi. Agensia biologis dapat berupa mikroorganisme atau enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme. Mikroorganisme yang digunakan pada umumnya berupa bakteri, khamir, atau kapang. Teknik bioproses biasanya diajarkan sebagai suplemen teknik kimia karena persamaan mendasar yang dimiliki keduanya. Kesamaan ini meliputi ilmu dasar keduanya dan teknik penyelesaian masalah yang digunakan kedua jurusan. Aplikasi dari teknik bioproses dijumpai pada industri obat-obatan, bioteknologi, dan industri pengolahan air.

Sebuah bioreaktor adalah suatu alat atau sistem yang mendukung aktivitas agensia biologis. Dengan kata lain, sebuah bioreaktor adalah tempat berlangsungnya proses kimia yang melibatkan mikroorganisme atau enzim yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme. Bioreaktor dikenal juga dengan nama fermentor. Proses reaksi kimia yang berlangsung dapat bersifat aerobik ataupun anaerobik. Sementara itu, agensia biologis yang digunakan dapat berada dalam keadaan tersuspensi atau terimobilisasi. Contoh reaktor yang menggunakan agensia terimobilisasi adalah bioreaktor dengan unggun atau bioreaktor membran.           

Perancangan bioreaktor adalah suatu pekerjaan teknik yang cukup kompleks. Pada keadaan optimum, mikroorganisme atau enzim dapat melakukan aktivitasnya dengan sangat baik. Keadaan yang mempengaruhi kinerja agensia biologis terutama temperatur dan pH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme, kebutuhan untuk hidup seperti oksigen, nitrogen, fosfat, dan mineral lainnya perlu diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya berada dalam keadaan tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan dijaga agar kinerja agensia biologis tetap optimum.

Untuk bioreaktor skala laboratorium yang berukuran 1,5-2,5 L umumnya terbuat dari bahan kaca atau borosilikat, namun untuk skala industri, umunya digunakan bahan baja tahan karat (stainless steel) yang tahan karat. Hal ini dimaksudkan untuk mengurangi kontaminasi senyawa metal pada saat fermentasi terjadi di dalamnya. Bahan baja yang mengandung < 4% kromium disebut juga baja ringan, sedangkan bila kadar kromium di dalamnya >4% maka disebut stainless steel. Bioreaktor yang umum digunakan terbuat dari bahan baja 316 yang mengandung 18% kromium, 2-2,5% molibdenum, dan 10% nikel. Bahan yang dipilih harus bersifat non-toksik dan tahan terhadap sterilisasi berulang-ulang menggunakan uap tekanan tinggi. Untuk mencegah kontaminasi, bagian atas biorektor dapat ditambahkan dengan segel aseptis (aseptic seal) yang terbuat dari campuran metal-kaca atau metal-metal, seperti O-ring dan gasket. Untuk meratakan media di dalam bioreaktor digunakan alat pengaduk yang disebut agitator atau impeler. Sementara itu, untuk asupan udara dari luar ke dalam sistem biorektor digunakan sistem aerasi yang berupa sparger. Untuk bioreaktor aerob, biasanya digunakan kombinasi sparger-agitator sehingga pertumbuhan mikrooganisme dapat berlangsung dengan baik.

Pada bagian dalam bioreaktor, dipasang suatu sekat yang disebut baffle untuk mecegah vorteks dan meningkatkan efisiensi aerasi. Baffle ini merupakan metal dengan ukuran 1/10 diameter bioreaktor dan menempel secara radial di dindingnya. Bagian lain yang harus dimiliki oleh suatu bioreaktor adalah kondensor untuk mengeluarkan hasil kondensasi saat terjadi sterilisasi dan filter (0,2 μm) untuk menyaring udara yang masuk dan keluar tangki. Untuk proses inokulasi kultur, pengambilan sampel, dan pemanenan, diperlukan adanya saluran khusus dan pengambilannya harus dilakukan dengan hati-hati dan aseptis agar tidak terjadi kontaminasi. Untuk menjaga kondisi dalam bioreaktor agar tetap terkontrol, digunakan sensor pH, suhu, anti-buih, dan oksigen terlarut (DO).

Apabila kondisi di dalam sel mengalami perubahan, sensor akan memperingatkan dan harus dilakukan perlakuan tertentu untuk mempertahankan kondisi di dalam bioreaktor. Misalkan terjadi perubahan pH maka harus ditambahkan larutan asam atau basa untuk menjaga kestabilan pH. Penambahan zat ini dapat dilakukan secara manual namun juga dapat dilakukan secara otomatis menggunakan bantuan pompa peristaltik. Selain asam dan basa, pompa peristaltik juga membantu penambahan anti-buih dan substrat ke dalam bioreaktor.

 

Aplikasi bioreaktor

Awalnya bioreaktor hanya digunakan untuk memproduksi ragi, ekstrak khamir, cuka, dan alkohol. Namun, alat ini telah digunakan secara luas untuk menghasilkan berbagai macam produk dari makhluk hidup seperti antibiotik, berbagai jenis enzim, protein sel tunggal, asam amino, dan senyawa metabolit sekunder lainnya. Selain itu, suatu senyawa juga dapat dimodifikasi dengan bantuan mikroorganisme sehingga menghasilkan senyawa hasil transformasi yang berguna bagi manusia. Pengolahan limbah buangan industri ataupun rumah tangga pun sudah dapat menggunakan bioreaktor untuk memperoleh hasil buangan yang lebih ramah lingkungan.