BIOINFORMATIKA
Bioinformaika adalah suatu ilmu atau metode mengumpulkan, dan
menganalisa data biologi yang bersifat kompleks seperti data DNA, RNA, dan
protein, menggunakan pendekatan komputasi. Bioinformatika melibatkan bidang
ilmu komputer, matematika, dan statistik dalam memproses informasi yang masif
dan sulit untuk dianalisa secara manual. Bidang ini berkembang seiring dengan
penambahan data biologi yang terus bertambah secara cepat, terutama di awal
tahun 2000-an ketika peneliti berhasil mengumpulkan genome manusia.
Berbeda dengan komputasi biologi atau computational biology yang
bertujuan untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan biologi menggunakan teknik
komputasi, bioinformatika lebih berfokus pada proses komputasi.
Pada awal perkembangan ilmu pengetahuan biologi molekuler, ahli
biologi melakukan pengambilan data biologis dengan menggunakan beberapa
eksperimen atau pendekatan lainnya. Data tersebut disimpan di dalam suatu
database seperti data gen disimpan di NCBI, struktur protein berada di Protein
Data Bank, dan data sekuen protein berada di UniProt. Data yang masif tersebut
tidak dapat dianalisa secara efektif karena keterbatasan manusia. Oleh karena
itu, dibutuhkan ahli komputer untuk membantu kerja dari ahli biologi.
Ahli komputer melakukan penelitian dalam membangun software,
algoritma, metode penyimpanan data untuk menyelesaikan masalah yang dihadapi
ahli biologi. Sebagai contoh, Needleman dan Wunsch membuat algoritma yang
berfungsi untuk mencari sekuen DNA pada database pada tahun 1960-an. Meski
tujuan awalnya untuk menyelesaikan kasus biologi, algoritma yang dirancang
diterapkan pada kasus yang mirip, seperti pencarian teks.
Data biologi yang dikumpulkan merupakan raw data atau data
mentah sehingga perlu dilakukan analisa untuk mendapatkan informasi yang
tersirat. Beberapa pendekatan statistik digunakan seperti klasifikasi,
klasterisasi digunakan untuk melihat korelasi antar data sehingga data mentah
tersebut dapat tervisualisasi dengan baik di mata manusia.
Perkembangan data biologis dan kebutuhan untuk menciptakan tools
dan hasil analisa yang akurat melahirkan disiplin ilmu baru yang disebut dengan
bioinformatika. Ruang lingkup penelitian dan kerja bioinformatika secara khusus
berkaitan dengan proses pengumpulan, dan analisa data biologi menggunakan
teknik komputasi.
Biological Research Modality
Tren metode yang digunakan di bidang biologi mengalami
pergeseran dari masa ke masa. Pada awalnya, penelitian di biologi hanya
berdasarkan pengamatan seperti yang dilakukan oleh Charles Darwin di pulau
Galapagos. Darwin melakukan pengamatan pada berbagai jenis paruh pada burung
Finch selama berhari-hari. Metode yang dilakukan oleh Darwin merupakan Observation-driven.
Setelah melakukan observasi, Darwin mulai mengemukan teori yang
menyebabkan munculnya variasi burung Finch. Teori evolusi dan natural selection
menjadi terobosan ilmu pengetahuan pada saat itu. Pada penelitian kali ini
Darwin menggunakan metode Theory-driven.
Di abad yang sama, Gregor Mendel mengemukan hipotesis sekaligus
eksperimen mengenai pekawinan silang pada kacang polong. Penelitian antara
tahun 1856–1863 menghasilkan kesimpulan bahwa pada makhluk hidup terdapat alel
resesif dan alel dominan yang mempengaruhi fenotip makhluk hidup. Apa yang
dilakukan oleh Mendel merupakan metode Hypothesis/Experiment-driven.
Di tahun 1950-an, penelitian di bidang biologi molekuler menjadi
topik yang hangat untuk dikerjakan. Terlebih dengan ditemukannya metode X-Ray
Crystallograpy yang mampu menggambarkan struktur 3D molekul. Rosalind Franklin
adalah orang yang pertama kali melakukan . Hasil penelitian Rosalind
menginspirasi James Watson, Francis Crick dan Maurice Wilkins untuk memodelkan
struktur DNA yang dirujuk sampai saat ini. Para peneliti bersemangat untuk
memperdalam penelitian di DNA dan RNA. Data yang dikumpulkan sangat banyak dan
disimpan di dalam database yang bersifat publik. Hingga tahun 2000-an peneliti
berhasil mengumpulkan genome manusia secara utuh. Paradigma penelitian berfokus
pada large-scale molecular data accumulation.
Setelah data terkumpul, masalah selanjutnya ialah mengolah data
yang bersifat masif. Para peneliti biologi menggunakan tools dan software untuk
menganalisa data tersebut sehingga mendapatkan informasi yang diperlukan. Tidak
hanya dengan eksperimen di dalam laboratorium, para ahli juga menggunakan
komputer dalam melakukan penelitian mulai terfokus pada bidang bioinformatika.
Bioinformatika dalam
Dunia Kedokteran
1. Bioinformatika dalam
bidang klinis
Perananan Bioinformatika
dalam bidang klinis ini sering juga disebut sebagai informatika klinis
(clinical informatics). Aplikasi dari clinical informatics ini adalah berbentuk
manajemen data-data klinis dari pasien melalui Electrical Medical Record (EMR)
yang dikembangkan oleh Clement J. McDonald dari Indiana University School of
Medicine pada tahun 1972 [5]. McDonald pertama kali mengaplikasikan EMR pada 33
orang pasien penyakit gula (diabetes). Sekarang EMR ini telah diaplikasikan
pada berbagai penyakit. Data yang disimpan meliputi data analisa diagnosa
laboratorium, hasil konsultasi dan saran, foto ronsen, ukuran detak jantung,
dll. Dengan data ini dokter akan bisa menentukan obat yang sesuai dengan
kondisi pasien tertentu. Lebih jauh lagi, dengan dibacanya genom manusia, akan
memungkinkan untuk mengetahui penyakit genetik seseorang, sehingga personal
care terhadap pasien menjadi lebih akurat.
Sampai saat ini telah
diketahui beberapa gen yang berperan dalam penyakit tertentu beserta posisinya
pada kromosom. Informasi ini tersedia dan bisa dilihat di home page National
Center for Biotechnology Information (NCBI) pada seksi Online Mendelian in Man
(OMIM) (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=OMIM).
OMIM adalah search tool untuk gen manusia dan penyakit genetika (Gambar 2).
Selain berisikan informasi tentang lokasi gen suatu penyakit, OMIM ini juga
menyediakan informasi tentang gejala dan penanganan penyakit tersebut beserta
sifat genetikanya. Dengan demikian, dokter yang menemukan pasien yang membawa
penyakit genetika tertentu bisa mempelajarinya secara detil dengan mengakses
home page OMIM ini.
Sebagai salah satu
contoh, jika kita ingin melihat tentang kanker payudara, kita tinggal masukan
kata-kata “breast cancer” dan setelah searching akan keluar berbagai jenis
kanker payudara. Kalau kita ingin mengetahui lebih detil tetang salah satu
diantaranya, kita tinggal klik dan akan mendapatkan informasi detil mengenai
hal tersebut beserta posisi gen penyebabnya di dalam koromosom. Gambar 3 adalah
salah satu hasil searching dari breast cancer.
Bioinformatika untuk
identifikasi agent penyakit baru
Bioinformatika juga
menyediakan tool yang esensial untuk identifikasi agent penyakit yang belum
dikenal penyebabnya. Banyak sekali contoh-contoh penyakit baru (emerging
diseases) yang muncul dalam dekade ini, dan diantaranya yang masih hangat di
telinga kita tentu saja SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome).
Pada awal munculnya
penyakit ini, ada beberapa pendapat tentang penyebabnya. Dari gejala pengidap
SARS, diperkirakan bahwa penyakit ini disebabkan oleh virus influenza karena
gejalanya mirip dengan gejala pengidap influenza. Tetapi virus influenza tidak
terisolasi dari pasien, sehingga dugaan ini salah. Selain itu juga diperkirakan
bahwa penyakit ini disebabkan oleh bakteri Candida karena bakteri ini
terisolasi dari beberapa pasien. Tapi karena hanya terisolasi dari sebagian
kecil pasien, perkiraan ini juga salah. Akhirnya ditemukan bahwa dari
sebagian besar pasien SARS terisolasi virus corona yang jika dilihat dari
morfologinya. Sekuen genom virus ini kemudian dibaca dan dari hasil analisa
dikonfirmasikan bahwa penyebab SARS adalah virus corona yang telah berubah
(mutasi) dari virus corona yang ada selama ini [6].
Dalam rentetan proses
ini, Bioinformatika memegang peranan penting. Pertama pada proses pembacaan
genom virus corona. Karena di database seperti GenBank, EMBL (European
Molecular Biology Laboratory), dan DDBJ (DNA Data Bank of Japan) sudah tersedia
data sekuen beberapa virus corona, yang bisa digunakan untuk men-design primer
yang digunakan untuk amplifikasi DNA virus SARS ini. Software untuk mendesign
primer juga tersedia, baik yang gratis yang bisa kita gunakan online maupun
yang komersial yang berupa software. Diantara yang gratis adalah Web primer
yang disediakan oleh Stanford Genomic Resources (http://genome-www2.stanford.edu/cgi-bin/SGD/web-primer),
GeneWalker yang disediakan oleh Cybergene AB (http://www.cybergene.se/primerdesign/genewalker),
dlsb. Untuk yang komersial ada seperti Primer designer yang dikembangkan oleh
Scientific & Education Software, dan pada software-software untuk analisa
DNA lainnya seperti Sequencher (GeneCodes Corp.), SeqMan II (DNA STAR Inc.),
Genetyx (GENETYX Corp.), DNASIS (HITACHI Software), dll.
Bioinformatika untuk
penemuan obat
Usaha penemuan obat
biasanya dilakukan dengan penemuan zat/senyawa yang bisa menekan
perkembangbiakan suatu agent penyebab penyakit. Karena banyak faktor yang bisa
mempengaruhi perkembangbiakan agent tersebut, faktor-faktor itulah yang
dijadikan target. Diantara faktor tersebut adalah enzim-enzim yang diperlukan
untuk perkembangbiakan suatu agent. Langkah pertama yang dilakukan adalah
analisa struktur dan fungsi enzim-enzim tersebut. Kemudian mencari atau
mensintesa zat/senyawa yang bisa menekan fungsi dari enzim-enzim tersebut.
Penemuan obat yang efektif adalah penemuan senyawa yang berinteraksi dengan
asam amino yang berperan untuk aktivitas (active site) dan untuk kestabilan
enzim tersebut.
Karena itu analisa
struktur dan fungsi enzim ini biasanya difokuskan pada analisa asam amino yang
berperan untuk aktivitas (active site) dan untuk kestabilan enzim tersebut.
Analisa ini dilakukan dengan cara mengganti asam amino tertentu dan menguji
efeknya. Sebelum perkembangan
MANFAAT BIOINFORMATIKA
DALAM PENGEMBANGAN KEILMUAN BIOLOGI
Marilah berikutnya kita
lihat dua contoh di dunia dan Indonesia untuk melihat manfaat bioinformatika
dalam pengembangan keilmuan biologi.
Dalam biologi ada
misteri besar yang coba dipecahkan ilmuan dengan teori evolusi Darwin. Sebagian
ummat beragama termasuk bangsa Indonesia meyakini teori penciptaan yaitu
manusia diciptakan oleh Tuhan. Sementara teori Darwin menyandarkan pada
fenomena seleksi alam untuk menjelaskan bahwa nenek moyang manusia adalah kera.
Mana yang benar?
Ledakan informasi
biologi molekuler telah memungkinkan membaca genom manusia Eropa, Amerika,
Asia, Afrika juga manusia purba homo Neanderthal yang berasal dari Jerman.
Sebuah proyek internasional yang didanai
oleh lembaga Amerka
Serikat, National Geographic, perusahaan komputer IBM
dan Yayasan keluarga
Waitt pemilik perusahaan komputer Gateway beberapa
tahun terakhir ini
diluncurkan dengan nama Genographic Project yang diketuai
17
oleh ahli genetika,
Spencer Wells . Proyek ini pertama membaca sekuen gen tertentu dari suku-suku
yang masih asli dari seluruh penjuru dunia lalu membandingkannya dengan
bioinformatika. Tujuannya untuk melacak siapa Ibu pertama dan Bapak pertama
manusia modern Homo sapiens di muka bumi ini. Untuk melacak jejak Ibu pertama
digunakan sekuen gen dari mitokondria. Sebabnya karena jumlah mitokondria pada
sel telur 99,99 % dari pada sel sperma yang membuahinya jadi setiap manusia,
DNA mitokondrianya bisa dibilang pasti berasal dari Ibu, bukan Bapak. Itulah
yang dijelakan di bagian pertama tulisan ini bahwa DNA mitokondria menyimpan
rahasia asal-usul manusia. Sementara untuk melacak Bapak pertama digunakan
sekuen dari kromosom Y yang hanya terdapat pada laki-laki. Bagaimana
bioinformatika menjawab soal besar ilmu biologi ini? Pertama, kita perlu mengakses
pusat data GenBank melalui internet yang gratis. Kita perlu unduh gen
mitokondria manusia dari suku Tengger dan suku Manado misalnya. Setelah dapat,
kita gunakan perangkat lunak CLUSTAL yang sudah diperkenalkan sebelumnya.
Hasilnya dari 546 pb yang telah ditentukan, hanya 2 yang berbeda. Ini
menunjukkan suku Tengger dan suku Manado relatif berkerabat dekat. Maklum
tinggal di daerah yang berdekatan. Sekarang apa yang terjadi kalau kita
membandingkan DNA mitokondria dari suku Tengger dengan suku Bamileke dari
Afrika pada wilayah DNA yang sama. Hasilnya kali ini terdapat 11 perbedaan
basa. Jumlah yang sangat besar dibanding 2 sebelumnya. Hal ini menunjukkan
kekerabatan yang jauh antara kedua suku ini yang bisa juga diamati dari bentuk
badan, warna kulit, bentuk rambut dan seterusnya. Menggunakan 78.590 data
sekuen DNA mitokondria dari suku-suku yang ada di seluruh dunia, proyek
Genographic bisa membuat peta silsilah yang para ilmuwan menyebutnya sebagai
pohon filogenetik tentang asal-usul manusia pertama berasal dari mana. Teori
yang menyatakan bahwa manusia berasal dari banyak tempat melalui proses seleksi
alam ternyata terbantahkan dan memastikan kejadian manusia dari satu tempat
yang berada di Afrika, saat ini wilayah Somalia. Dengan demikian bioinformatika
mendukung teori satu Ibu dan satu Bapak dari seluruh ummat manusia saat ini.
SUMBER :
Tidak ada komentar:
Posting Komentar