PS-S1 Jurusan Biologi, FMIPA, UNEJ (2017)
PENGENALAN BIOINFORMATIKA
Oleh:
Syubbanul Wathon, S.Si., M.Si.
Pokok Bahasan
Sejarah Bioinformatika
Istilah-istilah biologi
Pangkalan data
Tools Bioinformatika
Sejarah Bioinformatika
Munculnya ilmu bioinformatika pada tahun 1960 yang diawali dengan pembuatan pangkalan data dan pengembangan algoritma untuk analisis sekuens biologi.
Pihak yang sukses merintis pangkalan data protein yaitu AS
Mulai pada tahun 1970, pangkalan data mulai dikerjakan bersama-sama, yang terdiri dari konsorsium Amerika Serikat dan Jerman di laboratorium Biologi Molekuler Eropa (European Molecular Biology Laboratory).
Akhirnya pada tahun 1970 dan 1990 an terjadi ledakan jumlah sekuens DNA organisme.
Pada tahun 1980 an, bioinformatika mengacu pada penerapan ilmu komputer (Perintis : Paulien Hogeweg)
Sejarah Bioinformatika
Penemuan teknologi lainnya, yaitu jaringan internet mendukung perkembangan ilmu bioinformatika
Para peneliti menghubungkan pangkalan data bioinformatika dengan jaringan internet sehingga dapat memudahkan peneliti lain dalam mengumpulkan hasil sekuensing ke dalam pangkalan data tersebut serta memperoleh sekuens biologi sebagai bahan analisis
Selain itu, adanya akses program-program aplikasi bioinformatika melalui internet semakin memudahkan ilmuwan dalam mengakses program-program tersebut.
Kemajuan ilmu bioinformatika ini lebih didesak lagi oleh genome project yang dilaksanakan diseluruh dunia dan menghasilkan banyak informasi gen dari makhluk hidup tingkat rendah hingga mahkluk hidup tingkat tinggi.
Sejarah Bioinformatika
Sebagai capaian yang progresif, pada tahun 2001, genom manusia yang terdiri dari 2,91 juta pasang basa telah selesai dibaca.
Bahkan baru-baru ini, genom patogen Plamodium penyebab penyakit Malaria dan Anopheles sp. Yang berperan sebagai vektor malaria juga telah berhasil dibaca.
Masih banyak gen-gen lain dari makhluk hidup yang telah selesai dibaca dan sedang proses pembacaan atau pengumpulan data
Pengorganisasian data memastikan informasi biologis tersedia melalui pengawasan kualitas, pemeriksaan silang dan standarisasi untuk selanjutnya bisa diakses atau ditelusuri dengan cepat dan mudah.
Bioinformatika....???
Bioinformatika merupakan cabang ilmu yang mempelajari tentang penerapan teknik komputasi dalam bidang biologi.
Bioinformatika merupakan paduan antara ilmu biologi, ilmu komputasional dan teknologi informasi
Tujuannya untuk mengelola dan menganalisis informasi-informasi biologis yang dapat mempermudah kerja para peneliti-peneliti (ilmuwan)
Selain bidang biologi, bioinformatika juga mencakup penerapan metode-metode matematika, biostatistika, kimia, fisika, kedokteran dan farmasi.
Informasi biologis umumnya merupakan data sekuens DNA dan asam amino dan informasi lain yang berkaitan.
Pendahuluan Bioinformatika
Ilmu bioinformatika berkembang karena munculnya ilmu lain yaitu bidang biologi molekuler dan teknologi informasi
Perkembangan dan kemajuan ilmu bioinformatika sangat erat kaitannya dengan perkembangan ilmu biologi molekuler
Salah satu konsep dalam bidang biologi molekular yang paling mendorong kemajuan ilmu bioinformatika adalah pemahaman manusia dalam bidang genomik yang terdapat dalam molekul DNA ataupun RNA.
Bioinformatika hadir untuk membantu dalam pemecahan-pemecahan masalah yang muncul dalam ilmu biologi molekuler yang tak mampu terselesaikan dengan teknik analisis konvensional
Pendahuluan Bioinformatika
Dasar pemikiran para biolog dan komputasionist bahwa semua gejala yang terjadi di alam dapat dibuat secara artifisial melalui simulasi dari gejala-gejala tersebut
Agar pendekatan tersebut dapat terwujud, maka diperlukan data-data yang menjadi kunci penentu tindak dan tanduk gejala alam tersebut.
Data-data tersebut berupa urutan nukleotida-nukleotida penyusun DNA ataupun penyusun RNA
Bioinformatika berperan penting dalam management data-data dari dunia biologi, kedokteran dan farmasi modern
Perangkat utama bioinformatika yaitu program software dan saluran internet
Latar Belakang Bioinformatika
Latar belakang bioinformatika diawali dengan ledakan data (data booming/ data explosion) observasi biologi sebagai hasil yang dicapai dari kemajuan bioteknologi
Salah satu contohnya adalah pertumbuhan pesat database DNA yang ada di Gene Bank
Gene Bank merupakan pusat database utama yang menyimpan segala data biologi molekuler dari seluruh penjuru dunia
Pengelola Gene Bank adalah badan khusus yang berada di AS, yaitu NCBI (National Center for Biotechnology Information).
Data yang ada pada Gene Bank tersebut dapat diakses (open access) oleh seluruh peneliti di dunia.
Perkembangan Gene Bank
1982 - 2008
Perkembangan Bioinformatika
Pengolahan data untuk mempelajari, memahami dan memanipulasi sandi/ kode genetik DNA didukung oleh perkembangan teknologi informasi (software dan hardware).
Beberapa software sengaja dibuat untuk mendukung perkembangan bioinformatika
Perusahaan besar yang bergerak di bidang bioteknologi AS (CELERA GENOMICS), mampu menganalisis informasi genetik dari genom manusia dengan analisis bioinformatika
Adanya peran bioinformatika membuat project pembacaan sekuens genom manusia dapat dilakukan dalam waktu yang singkat (hanya beberapa tahun)
Istilah – Istilah Biologi
Biologi Molekular
Sel
DNA
RNA
Gen
Molekul
Protein
Genom
Biologi Molekular
Cabang ilmu biologi yang mempelajari
tentang kehidupan pada tingkatan molekul
Biologi molekular mengkaji interaksi molekul dalam makhluk hidup, interaksi berbagai
sistem dalam kesatuan sel, interaksi DNA,
RNA dan sintesis protein (dogma genetik)
dan regulasi ekspresi gen.
Sel
Sel adalah satuan struktural terkecil dari suatu mahkluk hidup dan menjadi dasar kehidupan dalam arti biologis.
Segala proses metabolisme berawal dari satuan sel mahkluk hidup
Sel dapat bertindak secara autonom jika
seluruh kebutuhan hidup terpenuhi
Molekul
Molekul merupakah kumpulan atom (setidaknya tersusun dua atom) yang
terhubung dan brikatan dengan sangat kuat
(ikatan kovalen) dalam rangkaian tertentu
dan bermuatan netral serta cukup stabil
DNA
Deoxyribonucleid Acid atau disebut juga Asam
Deoksiribonukleat merupakan salah satu jenis asam nukleat yang tergolong biomolekul utama penyusun berat kering setiap organisme.
Lokasi DNA di dalam sel terletak pada inti sel
DNA berperan sebagai materi genetik, yang
bermakna bahwa DNA menyimpan cetak biru bagi
segala aktivitas sel
RNA
Ribonucleid Acid atau disebut juga Asam Ribonukleat
merupakan senyawa materi genetik yang memainkan peran utama dalam ekspresi gen.
RNA menjadi perantara antara informasi yang
dibawa DNA dan ekspresi fenotipik yang diwujudkan
dalam bentuk protein.
Gen
Gen adalah unit pewarisan sifat bagi organisme hidup.
Gen merupakan urutan DNA yang menyandi suatu protein, polipeptida atau seuntai RNA yang memiliki fungsi bagi organisme yang memilikinya.
Gen juga bertugas untuk menentukan kapan,
dimana, seberapa banyak suatu protein diproduksi
Adanya perubahan pada suatu gen akan
menyebabkan abnormalitas fungsi protein, pada gilirannya berkaitan erat dengan mekanisme
timbulnya penyakit pada seseorang
Analisis ekspresi gen menjadi sangat penting untuk
mengetahui mekanisme timbulnya penyakit
Protein
Protein merupakan senyawa organik yang kompleks dan umumnya memiliki massa molekul yang besar.
Merupakan polimer dari monomer-monomer asam amino yang dihubungkan satu dengan lainnya
melalui ikatan peptida
Komponen protein diantaranya adalah, karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, dan ada juga yang berupa sulfur dan juga fosfor
Protein berperan penting dalam struktur dan fungsi semua sel mahkluk hidup
Kebanyak protein berupa enzim dan hormon
Sintesis Protein
Sintesis protein merupakan proses pencetakan atau penerjemahan protein dalam sel
Sifat enzim sebagai pengendali dan penumbuh karakter makhluk hidup ditentukan oleh jumlah jenis dan urutan asam amino yang menyusunnya
Jenis dan urutan asam amino ditentuka oleh DNA
Sintesis protein terdiri dari dua tahapan yaitu transkripsi dan translasi
Trankripsi merupakan proses penyalinan informasi genetik yang ada pada DNA ke RNA
Translasi merupakan proses pembacaan atau
menerjemahan informasi genetik yang ada pada RNA menjadi urutan atau rangkayan asam amino (protein)
Genom
Genom merupakan istilah keseluruhan bahan genetik yang membawa semua informasi pendukung kehidupan pada suatu mahkluk hidup, baik yang merupakan gen atau bukan
Genom mencakup semua informasi genetik yang dibawa DNA, baik di inti sel (nukleus), mitokondria, maupun plastida
Setiap spesies memiliki paket genom yang berbeda
beda. Hal ini dapat dijelaskan karena perkawinan silang antara dua spesies sering menghasilkan keturunan
yang mandul (steril).
Kajian mengenai bahan genetik secara keseluruhan ini dikenal sebagai genomika (genomic)
Kariotipe Kromosom Manusia
Teknologi DNA Rekombinan
Munculnya ilmu bioinformatika juga didukung dengan perkembangan teknologi DNA
rekombinan
Teknologi DNA rekombinan memunculkan suatu pengetahuna baru dalam bidang rekayasa
genetik yang dikenal dengan bioteknologi
Evolusi bidang ilmu bioteknologi konvensional ke bioteknologi modern ditandai dengan capaian
manusia dalam melakukan analisis DNA,
sekuensing DNA dan manipulasi DNA
DNA Sekuensing
DNA sekuensing merupakan teknik pembacaan urutan nukleotida penyusun DNA atau RNA
Sebagian besar molekul DNA genom organisme telah diketahui berkat bantuan teknik DNA
sekuencing
Sebagai contoh, genom virus yang tersusun atas 5.000 nukleotida atau sekitar 11 gen telah
berhasil dibaca seluruhnya pada tahun 1977
Tidak hanya itu, sekuens genom manusia yang
terdiri sekitar 3 milyar nukleotida dari 100.000
telah mampu dipetakan dalam waktu 3 tahun
saja.
Topik - Topik Bioinformatika
Adapun topik dan informasi-informasi biologis yang dikerjakan diantaranya :
Pengelolaan informasi biologis
Pensejajaran sekuens DNA dan RNA (sequence alignment)
Prediksi dan desain struktur sekunder RNA
Prediksi dan desain struktur protein (2D dan 3D)
Identifikasi dan karakterisasi protein
Analisis biodiversitas dan filogenetik
Analisis Fingerprint
Analisis proteomik dan genomik
Analisis ekspresi gen lainnya
