Minggu, Oktober 12

DNA Sequencing

BAB I
PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang
Asam nukleat merupakan salah satu makromolekul yang memegang peranan  sangat penting dalam kehidupan organisme karena di dalamnya tersimpan informasi genetik. DNA atau DeoxyriboNucleic Acid merupakan asam nukleat yang menyimpan semua informasi tentang genetika. DNA inilah yang menentukan jenis rambut, warna kulit dan sifat-sifat khusus dari manusia. DNA ini akan menjadi cetak biru (blue print) ciri khas manusia yang dapat diturunkan kepada generasi selanjutnya. Sehingga dalam tubuh seorang anak komposisi DNA nya sama dengan tipe DNA yang diturunkan dari orang tuanya.
Asam nukleat sering dinamakan juga polinukleotida karena tersusun dari sejumlah molekul nukleotida sebagai monomernya. Tiap nukleotida mempunyai struktur yang terdiri atas gugus fosfat, gula pentosa, dan basa nitrogen atau basa nukleotida (basa N). Ada dua macam asam nukleat, yaitu asam deoksiribonukleat atau deoxyribonucleic acid (DNA) dan asam ribonukleat atau ribonucleic acid (RNA). Dilihat dari strukturnya, perbedaan di antara kedua macam asam nukleat ini terutama terletak pada komponen gula pentosanya. Pada RNA gula pentosanya adalah ribosa, sedangkan pada DNA gula pentosanya mengalami kehilangan satu atom O pada posisi C nomor 2’ sehingga dinamakan gula 2’-deoksiribosa Perbedaan struktur lainnya antara DNA dan RNA adalah pada basa N-nya. Basa N, baik pada DNA maupun pada RNA, mempunyai struktur berupa cincin aromatic heterosiklik (mengandung C dan N) dan dapat dikelompokkan menjadi dua golongan, yaitu purin dan pirimidin. Basa purin mempunyai dua buah cincin (bisiklik), sedangkan basa pirimidin hanya mempunyai satu cincin (monosiklik). Pada DNA, dan juga RNA, purin terdiri atas adenin (A) dan guanin (G). Akan tetapi, untuk pirimidin ada perbedaan antara DNA dan RNA. Kalau pada DNA basa pirimidin terdiri atas sitosin (C) dan timin (T), pada RNA tidak ada timin dan sebagai gantinya terdapat urasil (U). Timin berbeda dengan urasil hanya karena adanya gugus metil pada posisi nomor 5 sehingga timin dapat juga dikatakan sebagai 5-metilurasil.
Di antara ketiga komponen monomer asam nukleat tersebut di atas, hanya basa N lah yang memungkinkan terjadinya variasi. Pada kenyataannya memang urutan (sekuens) basa N pada suatu molekul asam nukleat merupakan penentu bagi spesifisitasnya. Dengan perkataan lain, identifikasi asam nukleat dilakukan berdasarkan atas urutan basa N-nya sehingga secara skema kita bisa menggambarkan suatu molekul asam nukleat hanya dengan menuliskan urutan basanya saja.
Untuk mengetahui informasi genetik yang terdapat dalam DNA digunakan teknik DNA Sequencing, yaitu metode yang digunakan untuk menentukan urutan basa nukleotida (adenine, guanine, cytosine dan thymine) pada molekul DNA. Saat ini teknik DNA Sequencing sudah memasuki tahap baru yang mengarah pada large scale atau high-throughput sequencing, jutaan bahkan miliaran basa nukleotida DNA dapat ditentukan urutannya dalam sekali putaran saja.

1.2. Permasalahan
Terkait dengan persoalan tersebut diatas, maka yang akan dibahas dalam kajian ini adalah:
1. Apakah pengertian sekuensing ?
2. Bagaimana prinsip dasar sekuensing?
3. Bagaimanakah metode sekuensing?

1.3. Tujuan Penulisan
1. Untuk mengetahui pengertian sekuensing
2. Untuk mengetahui prinsip dasar sekuensing
3. Untuk mengetahui metode sekuensing



BAB II
PEMBAHASAN

A.    Pengertian Sequencing
Sequencing adalah penentuan urutan  basa DNA dalam segmen molekul DNA yang relatif pendek . Pengurutan ( sequencing ) asam nukleat memungkinkan kita mengetahui kode genetic dari molekul DNA.

B.     Prinsip Dasar DNA Sequencing
DNA sequencing menggunakan metode PCR (Polymerase Chain Reaction) sebagai pijakannya. DNA yang akan ditentukan urutan basa ACGT-nya dijadikan sebagai cetakan (template) untuk kemudian diamplifikasi menggunakan enzim dan bahan-bahan yang mirip dengan reaksi PCR, namun ada penambahan beberapa pereaksi tertentu. Proses ini dinamakan cycle sequencing.
Yang membedakan cycle sequencing dengan PCR biasa adalah:
  1. Primer yang digunakan hanya satu untuk satu arah pembacaan, tidak dua (sepasang) seperti PCR
  2. ddNTPs (dideoxy-Nucleotide Triphosphate) adalah modifikasi dari dNTPs dengan menghilangkan gugus 3′-OH pada ribosa.

Saat proses ekstensi, enzim polimerase akan membuat rantai baru DNA salinan dari template dengan menambahkan dNTP-dNTP sesuai dengan urutan pada DNA cetakannya. Jika yang menempel adalah ddNTP, maka otomatis proses polimerisasi akan terhenti karena ddNTP tidak memiliki gugus 3′-OH yang seharusnya bereaksi dengan gugus 5′-Posfat dNTP berikutnya membentuk ikatan posfodiester.
Pada akhir cycle sequencing, yang dihasilkan adalah fragmen-fragmen DNA dengan panjang bervariasi. Jika fragmen-fragmen tersebut dipisahkan dengan elektroforesis, maka akan terpisah-pisah dengan jarak antar fragmennya satu basa-satu basa.

C.  Metode Sekuensing
Ada dua metode yang dapat digunakan untuk mengurutkan molekul DNA. Metode Maxam-Gilbert dan  metode Sanger. Kedua metode tersebut menghasilkan fragmen-fragmen DNA dengan panjang bervariasi, yang satu sama lain berbeda sebanyak satu basa tunggal. Dari fragmen-fragmen tersebut kita dapat menarik kesimpulan mengenai sequence asam nukleat molekul DNA yang diperiksa. Tekhnik yang digunakan adalah gel-gel poliakrilamid pendenaturasi      (denaturing polyacrylamide gels). Gel agarosa dapat memisahkan molekul-molekul DNA dengan perbedaan panjang 30-50 basa, sedangkan gel poliakrilamid dapat memisahkan molekul-molekul DNA dengan perbedaan panjang satu basa. Gel-gel pendenaturasi menyebabkan molekul DNA menjadi beruntai tunggal dan tetap dalam keadaan seperti itu sepanjang proses elektroforesis. Gel pendenaturasi mengandung urea dan dijalankan dengan suhu yang ditinggikan. Kedua hal tersebut mendorong terjadinya pemisahan kedua untai molekul DNA.
1.      Metode Maxam-Gilbert
Metode Maxam-Gilbert merupakan metode yang didasarkan atas pemotongan DNA didaerah spesifik oleh zat-zat kimiawi selain enzim. Akan tetapi, metode ini sekarang jarang digunakan .
2.       Metode Sanger.
Metode yang pertama kali dikembangkan oleh Frederick Sanger pada tahun 1975, yaitu dengan melakukan reaksi cycle sequencing pada empat tabung terpisah yang masing-masing berisi semua pereaksi yang dibutuhkan. Khusus untuk ddNTP, yang ditambahkan hanya 1 jenis untuk setiap tabung. Setiap tabung diberi tanda, A jika yang ditambahkan adalah ddATP, G jika ddGTP, C jika ddCTP dan T jika ddTTP.
Setelah reaksi cycle sequencing selesai, keempat hasil reaksi tersebut dirunning pada gel electrophoresis sehingga fragmen-fragmen yang dihasilkan dapat terpisah. Urutan basa DNA dapat ditentukan dengan mengurutkan fragmen yang muncul dimulai dari yang paling bawah (paling pendek). Fragmen DNA dapat divisualisasi karena primer yang digunakan dilabel dengan radioaktif atau fluorescent. Pada teknik lain, bukan primer yang dilabel melainkan dNTP.

a.      Dye Primers dengan Label Berbeda
Agar proses pemisahan fragmen pada gel electrophoresis bisa digabung dalam 1 lajur saja, digunakanlah pelabel fluorescent dengan 4 warna berbeda untuk setiap reaksi cycle sequencing

Dengan teknik ini visualisasi dan penentuan urutan basa dapat dilakukan dengan lebih mudah karena keempat reaksi dipisahkan dalam satu lajur electrophoresis dengan 4 warna berbeda
  
b.      Dye-Terminators Sequencing
Para ilmuwan menemukan cara yang lebih simple untuk melabel ddNTP dengan 4 label fluorescent yang berbeda-beda untuk ddATP, ddCTP, ddGTP dan ddTTP. Dengan demikian, reaksi cycle sequencing dapat dilakukan dalam 1 tabung reaksi dan diputar pada satu lajur gel electrophoresis saja. Sangat simple dan cepat.
Dalam metode Sanger, sintesis DNA secara enzimatik terjadi melalui pembentukan secara berurut ikatan fosfodiester antara gugus fosfat ujung 5’ bebas dari nukleotida baru dengan gugus OH dari ujung 3’ rantai yang sedang memanjang . proses ini berlangsung sepanjang molekul DNA. Dideoksinukleotida tidak mempunyai gugus OH pada ujung 3’nya, melainkan gugus H. adanya dideoksinukleotida menyebabkan sintesis DNA terhenti, karena ikatan difosfat tidak terbentuk. Pemanjangan rantai kan terhenti pada titik ini dan basa terakhir diujung 3’ rantainya dalah sebuah terminator dideoksi. Modifikasi dari metode sanger ini disebut dideoxy termination sequencing
Dalam metode pengurutan Sanger, digunakan empat campuran reaksi dalam pengurutan fragmen DNA. Tiap campuran reaksi mengandung molekul DNA cetakan yang akan diurutkan, primer yang telah diberi label dengan radioaktif, keempat macam deoksinukleotida. DNA polymerase dan empat terminator dideoksi (ddATP, ddCTP, ddGTP, atau ddTTP). Jika salah satu dari terminator ini digunakan pada untai DNA yang baru terbentuk, maka sintesis untai baru ini akan terhenti; hasilnya adalah semua untai dengan panjang yang bervariasi pada campuran reaksi akan berakhir dengan basa yang sama. Produk-produk radioaktif tersebut akan dipisahkan dengan elektroforesis dan divisualisasikan melalui autoradiografi. Hasil autoradiografi dibaca dari bawah gel (fragmen terpendek yang berhenti paling dekat dengan ujung 5’) kearah atas untuk mengetahui sekuens basa komplementer dari untai cetakan.
Berikut rangkuman metode Frederick Sanger 
  1. Primer bersama-sama dengan DNA polimerase dan nukleotida ditambahkan ke sampel. Melanjutkan langkah-langkah yang sama ke Proses PCR ke fase ekstensi
  2. Sampel dibagi menjadi empat kelompok.
  3. The novalty dari metode ini melibatkan molekul yang disebut
dideoksinukleosida trifosfat (ddNTP), yang mirip dengan nukleotida normal  kecuali bahwa atom oksigen hilang dalam 3 ‘spot dari deoksiribosa. Mereka ditetapkan sebagai ddTTP, ddATP, ddCTP, dan masing-masing sesuai ddGTP ke T, A, C, dan G. Tidak adanya atom oksigen berakhir ekstensi primer reaksi ketika nukleotida normal digantikan oleh ddNTP. Selain itu, masing-masing ddNTP neon memancarkan sinyal yang berbeda untuk mengidentifikasi T, A, C, G basa.
4.      Sampel diproses oleh elektroforesis gel seperti biasa mengungkap urutan
DNA  komplementer label pada akhir dari setiap fragmen seperti ditunjukkan pada gambar diatas.

BAB III
PENUTUP

Berdasarakan penjelasan yang dikemukakan sebelumnya, maka dapat di kemukakan beberapa simpulan diantaranya:
1.      Sequencing adalah penentuan urutan  basa DNA dalam segmen molekul DNA yang relatif pendek yang memungkinkan kita mengetahui kode genetic dari molekul DNA.
2.      Komponen-komponen yang terlibat dalam proses squencing meliputi:
  • Beberapa kopi dari  template DNA utas tunggal
  • Primer yang sesuai (sepotong DNA yang dapat berpasangan dengan DNA template yang bertindak sebagai titik mulai untuk replikasi)
  • DNA polymerase (suatu enzim yang meng-kopi  DNA, menambahkan nukleotid baru pada ujung 3’ dari template)
  • Suatu ‘kolam’ berisi nukleotida normal
  • Sejumlah kecil dideoksinukleotida terlabel (radioaktif atau dengan pewarna fluoresent
3.      Ada dua metode yang dapat digunakan untuk mengurutkan molekul DNA yaitu Metode Maxam-Gilbert dan  metode Sanger.
4.      Hasil dari skuencing adalah fragmen-fragmen DNA dengan panjang bervariasi, yang satu sama lain berbeda sebanyak satu basa tunggal. Dari fragmen-fragmen tersebut kita dapat menarik kesimpulan mengenai sequence asam nukleat molekul DNA yang diperiksa.
5.      DNA Sequencing yang berbasis fragment analysis saat ini  bisa dikembangkan untuk berbagai aplikasi, seperti penentuan SNP (Single Nucleotide Polymorphism), analisa keragaman genetik seperti DNA Microsatellite dan AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism), community analysis seperti tRFLP (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) untuk mengetahui apakah individu tersebut membawa varian tertentu dari satu gen atau mengetahui adanya mutasi dan aplikasi lainnya.
 DAFTAR PUSTAKA

Campbell, Reece, Mitchel. 2002. Biologi Terjemahan edisi kelima jilid 1. Jakarta. Erlangga
Triwibowo Yuwono. 2005. Biologi Molekuler. Jakarta. Erlangga

1 comments: