Bioinformatika ?

PENGERTIAN BIOINFORMATIKA

Bioinformatika merupakan kajian yang memadukan disiplin biologi molekul, matematika dan teknik informatika (TI). Ilmu ini mempelajari penerapan teknik komputasional untuk mengelola dan menganalisis informasi biologis. bidang-bidang yang termasuk ke dalam cakupan penerapannya adalah metode-metode matematika, statistika, dan informatika untuk memecahkan masalah-masalah bilogis. Jadi intinya bioinformatika dapat diartikan dengan segala bentuk penggunaan komputer dalam menangani informasi-informasi biologi.

SEJARAH SINGKAT BIOINFORMATIKA

Kelahiran bioinformatika modern tidak lepas dari perkembangan bioteknologi di era 70-an, dimana seorang ilmuwan dari AS melakukan inovasi dalam mengembangkan teknologi DNA rekombinan. Berkat penemuan ini lahirlah perusahaan bioteknologi pertama di dunia yaitu Genentech di AS yang kemudian memproduksi protein hormon insulin dalam bakteri, yang dibutuhkan untuk para penderita diabetes. Selama ini insulin hanya bisa didapatkan dalam jumlah yang sangat terbatar dari organ pankreas sapi. 

Bioteknologi modern ditandai dengan kemampuan pada manipulasi DNA. Rantai/sekuen DNA yang mengkode protein disebut gen. Gen ditranskripsikan menjadi mRNA, mRNA ditranslasikan menjadi protein. Protein sebagai produk akhir bertugas menunjang seluruh proses kehidupan, antara lain sebagai katalis reaksi biokimia dalam tubuh (enzim), berperan serta dalam sistem pertahanan tubuh melawan virus, parasit dan lain-lain (antibodi), menyusus struktur tubuh dari ujung kaki (otot terbentuk dari protein actin, myosin, dan sebagainya) sampai ujung rambut (rambut tersusun dari protein keratin), dan lain-lain. Sehingga arus informasinya adalah DNA -> RNA-> Protein dan ini yang disebut dengan sentral dogma dalam biologi molekul.

Rantai DNA satu organisme, yaitu pada sejenis virus yang memiliki kurang lebih 5000 nukleotida/molekul DNA atau sekitar 11 gen, berhasil dibaca secara menyeluruh pada tahun 1997. Rantai sleuruh DNA manusia terdiri dari 3 milyar nukleotida yang menyusun 100000 gen dapat dipetakan dalam waktu 3 tahun. Saat ini terdapat milyaran data nukleotida yang tersimpan dalam database DNA, GenBank di AS yang didirikan tahun 1982. Di Indonesia, ada lembaga Biologi Molekul Eijkman yang terletak di Jakarta. Di sini kita bisa membaca ranta DNA sekitar 500 nukelotida hanya dengan membayar $15. Trend yang sama juga nampak pada database lain seperti database rantai asam amino penyususn protein, database struktur 3D protein, dan sebagainya. Inovasi teknologi DNA chip yang dipelopori oleh perusahaan bioteknolgi AS, Affymetrix di Silicon Valley telah mendorong munculya database baru mengenai RNA.

Desakan kebutuhan untuk mengumpulkan, menyimpan, dan menganalisa data-data biologis dari database DNA, RNA maupun protein inilah yang semakin memacu perkembangan Bioinformatika.

CABANG-CABANG YANG TERKAIT DENGAN BIOINFORMATIKA

Di bawah ini akan disebutkan beberapa bidang yang terkait dengan bioinformatika 

1. Biophysics : sebuah bidak interdispliner yang mengaplikasikan teknik-teknik dari ilmu Fisika untuk memahami struktur dan fungsi biologi

2. Computational Bilogy : bagian dari bioinformatika yang fokus terhadap gerak evolusi, populasi, dan bilogi teoritis.

3. Medical Informatics : memperhatikan struktur dan algoritma untuk pengolahan data medis

4. Cheminformatics : kombinasi dari sintesis kimia, penyaringan bilogis, dan pendekatan data-mining yang digunakan untuk penemuan dan pengembangan obat.

5. Mathematical Biology : menangani masalah-masalah bilogi, namun metode yang digunakan untuk menangani masalah tersebut tidak perlu secara numerik dan tidak perlu diimplementasikan dalam software maupun hardware.

6. Protemics : ilmu yang mempelajari protomea

7. Pharmacogenomics : aplikasi dari pendekatan genomik dan teknologi pada identifikasi dari target-targer obat.

CONTOH KASUS BIOINFORMATIKA

1. Bioinformatika untuk Penemuan Obat Baru

Cara untuk menemukan obat biasanya dilakukan dengan menemukan zat/senyawa yang dapat menekan perkembangbiakan suatu agent  penyebab penyakit. Karena perkembangbiakan agent tersebut dipengaruhi oleh banyak faktor, maka faktor-faktor inilah yang dijadikan target. Diantaranya adalah enzim-enzim yang diperlukan untuk perkembangbiakan suatu agentMula-mula yang harus dilakukan adalah analisa struktur dan fungsi enzim-enzim tersebut. Kemudian mencari atau mensintesa zat/senyawa yang dapat menekan fungsi dari enzim-enzim tersebut. 

Analisa struktur dan fungsi enzim ini dilakukan dengan cara mengganti asam amino tertentu dan menguji efeknya. Analisa penggantian asam amino ini dahulu dilakukan secara random sehingga memerlukan waktu yang lama. Setelah Bioinformatika berkembang, data-data protein yang sudah dianalisa bebas diakses oleh siapapun, baik data sekuen asam amino-nya seperti yang ada di SWISS-PROT http://www.ebi.ac.uk/swissprot/ maupun struktur 3D-nya yang tersedia di Protein Data Bank (PDB) http://www.rcsb.org/pdb/. Dengan database yang tersedia ini, enzim yang baru ditemukan dapat dibandingkan sekuen asam amino-nya, sehingga bisa diperkirakan asam amino yang berperan untuk aktivitas (active site) dan kestabilan enzim tersebut. 

Setelah asam amino yang berperan sebagai active site dan kestabilan enzim tersebut ditemukan, kemudian dicari ataudisintesa senyawa yang dapat berinteraksi dengan asam amino tersebut. Dengan data yang ada di PDB, maka dapat dilihat struktur 3D suatu enzim termasuk active site-nya, sehingga bisa diperkirakan bentuk senyawa yang akan berinteraksi dengan active site tersebut. Dengan demikian, kita cukup mensintesa senyawa yang diperkirakan akanberinteraksi, sehingga obat terhadap suatu penyakit akan jauh lebih cepat ditemukan. Cara ini dinamakan “docking” dan telah banyak digunakan oleh perusahaan farmasi untuk penemuan obat baru. 

Meskipun dengan Bioinformatika ini dapat diperkirakan senyawa yang berinteraksi dan menekan fungsi suatu enzim,namun hasilnya harus dikonfirmasi dahulu melalui eksperimen di laboratorium. Akan tetapi dengan Bioinformatika, semua proses ini bisa dilakukan lebih cepat sehingga lebih efisien baik dari  segi waktu maupun finansial. 

Tahun 1997, Ian Wilmut dari Roslin Institute dan PPL Therapeutics Ltd, Edinburgh, Skotlandia, berhasil mengklon gen manusia yang menghasilkan faktor IX (faktor pembekuan darah), dan memasukkan ke kromosom biri-biri. Diharapkan biri-biri yang selnya mengandung gen manusia faktor IX akan menghasilkan susu yang mengandung faktor pembekuan darah. Jika berhasil diproduksi dalam jumlah banyak maka faktor IX yang diisolasi dari susu harganya bisa lebih murah untuk membantu para penderita hemofilia.

2. Bioinformatika untuk Diagnosis Penyakit Baru

Untuk menangani penyakit baru diperlukan diagnosa yang akurat sehingga dapat dibedakan dengan penyakit lain. Diagnosa yang akurat ini sangat diperlukan untuk pemberian obat dan perawatan yang tepat bagi pasien. Ada beberapa cara untuk mendiagnosa suatu penyakit, antara lain: isolasi agent penyebab penyakit tersebut dan analisa morfologinya, deteksi antibodi yang dihasilkan dari infeksi dengan teknik enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), dan deteksi gen dari agent pembawa penyakit tersebut dengan Polymerase Chain Reaction (PCR). 

Teknik yang banyak dan lazim dipakai saat ini adalah teknik PCR. Teknik ini sederhana, praktis dan cepat. Yang penting dalam teknik PCR adalah disain primer untuk amplifikasi DNA, yang memerlukan data sekuen dari genom agent yang bersangkutan dan software seperti yang telah diuraikan diatas. Disinilah Bioinformatika memainkan peranannya. Untuk agent yang mempunyai genom RNA, harus dilakukan reverse transcription  (proses sintesa DNA dari RNA) terlebih dahulu dengan menggunakan enzim reverse transcriptase. Setelah DNA diperoleh baru dilakukan PCR.  Reverse transcription dan PCR ini bisa dilakukan sekaligusdan biasanya dinamakan RT-PCR. 

Teknik PCR ini bersifat kualitatif, oleh sebab itu sejak beberapa tahun yang lalu dikembangkan teknik lain, yaitu Real Time PCR yang bersifat kuantitatif. Dari hasil Real Time PCR ini bisa ditentukan kuantitas suatu agent di dalam tubuh seseorang, sehingga bisa dievaluasi tingkat emergensinya. Pada Real Time PCR ini selain primer diperlukan probe yang harus didisain sesuai dengan sekuen agent yang bersangkutan. Di sini juga diperlukan software atau program Bioinformatika.