Biologi molekuler
atau
biologi molekul
merupakan salah satu cabang
biologi
yang merujuk kepada pengkajian mengenai
kehidupan
pada skala
molekul
. Ini termasuk penyelidikan tentang interaksi molekul dalam benda hidup dan kesannya, terutama tentang interaksi berbagai sistem dalam
sel
, termasuk interaksi
DNA
,
RNA
, dan
sintesis protein
, dan bagaimana interaksi tersebut diatur. Bidang ini bertumpang tindih dengan bidang
biologi
(dan
kimia
) lainnya, terutama
genetika
dan
biokimia
.
[1]
Keterkaitan dengan ilmu hayati "skala-molekul" lainnya
[
sunting
|
sunting sumber
]
Para peneliti biologi molekuler menggunakan teknik-teknik khusus yang khas biologi molekuler (lihat subbab
Teknik
di bagian lain artikel), tetapi kini semakin memadukan teknik-teknik tersebut dengan teknik dan gagasan-gagasan dari
genetika
dan
biokimia
. Tidak terdapat lagi garis tegas yang memisahkan disiplin-disiplin ilmu ini seperti sebelumnya. Secara umum keterkaitan bidang-bidang tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:
Semakin banyak bidang biologi lainnya yang memfokuskan diri pada
molekul
, baik secara langsung mempelajari interaksi molekuler dalam bidang mereka sendiri seperti pada
biologi sel
dan
biologi perkembangan
, maupun secara tidak langsung (misalnya dengan menggunakan teknik biologi molekuler untuk menyimpulkan ciri-ciri historis
populasi
atau
spesies
) seperti pada
genetika populasi
dan
filogenetika
.
Salah satu teknik dasar biologi molekuler adalah
kloning
ekspresi, yang digunakan misalnya untuk mempelajari fungsi
protein
. Pada teknik ini, potongan DNA penyandi protein yang diinginkan ditransplantasikan ke suatu plasmid (DNA sirkuler yang biasanya ditemukan pada
bakteri
; dalam teknik ini, plasmid disebut sebagai vektor ekspresi).
Plasmid yang telah mengandung potongan DNA yang diinginkan tersebut kemudian dapat disisipkan ke dalam sel bakteri atau sel hewan. Penyisipan DNA ke dalam sel bakteri disebut
transformasi
, dan dapat dilakukan dengan berbagai metode, seperti
elektroporasi
,
mikroinjeksi
, dan secara kimia. Penyisipan DNA ke dalam sel
eukaryota
, misalnya sel hewan, disebut sebagai transfeksi, dan teknik transfeksi yang dapat dilakukan termasuk transfeksi kalsium fosfat, transfeksi liposom, dan dengan reagen komersial. DNA dapat pula dimasukkan ke dalam sel dengan menggunakan
virus
(disebut transduksi viral).
Setelah penyisipan ke dalam sel, protein yang disandi oleh potongan DNA tadi dapat diekspresikan oleh sel bersangkutan. Berbagai jenis cara dapat digunakan untuk membantu ekspresi tersebut agar protein bersangkutan didapatkan dalam jumlah besar, misalnya
inducible promoter
dan
specific cell-signaling factor
. Protein dalam jumlah besar tersebut kemudian dapat diekstrak dari sel bakteri atau eukaryota tadi.
Reaksi berantai polimerase merupakan teknik yang sangat berguna dalam membuat salinan
DNA
. PCR memungkinkan sejumlah kecil sekuens DNA tertentu disalin (jutaan kali) untuk diperbanyak (sehingga dapat dianalisis), atau dimodifikasi secara tertentu. Sebagai contoh, PCR dapat digunakan untuk menambahkan situs enzim
restriksi
, atau untuk me
mutasikan
(mengubah) basa tertentu pada DNA. PCR juga dapat digunakan untuk mendeteksi keberadaan sekuens DNA tertentu dalam sampel.
PCR memanfaatkan enzim
DNA polimerase
yang secara alami memang berperan dalam perbanyakan DNA pada proses
replikasi
. Namun, tidak seperti pada
organisme
hidup, proses PCR hanya dapat menyalin fragmen pendek DNA, biasanya sampai dengan 10 kb (kb=
kilo base pairs
=1.000
pasang basa
). Fragmen tersebut dapat berupa suatu
gen
tunggal, atau hanya bagian dari suatu gen.
Proses PCR untuk memperbanyak DNA melibatkan serangkaian siklus
temperatur
yang berulang dan masing-masing siklus terdiri atas tiga tahapan. Tahapan yang pertama adalah
denaturasi
cetakan DNA (
DNA template
) pada temperatur 94-96 °C, yaitu pemisahan utas ganda DNA menjadi dua utas tunggal. Sesudah itu, dilakukan penurunan temperatur pada tahap kedua sampai 45-60 °C yang memungkinkan terjadinya penempelan (
annealing
) atau
hibridisasi
antara
oligonukleotida
primer dengan utas tunggal cetakan DNA. Primer merupakan oligonukelotida utas tunggal yang sekuens-nya dirancang komplementer dengan ujung fragmen DNA yang ingin disalin;
primer
menentukan awal dan akhir daerah yang hendak disalin. Tahap yang terakhir adalah tahap ekstensi atau elongasi (
elongation
), yaitu pemanjangan primer menjadi suatu utas DNA baru oleh enzim
DNA polimerase
. Temperatur pada tahap ini bergantung pada jenis DNA polimerase yang digunakan. Pada akhirnya, satu siklus PCR akan menggandakan jumlah
molekul
cetakan DNA atau DNA target, sebab setiap utas baru yang disintesis akan berperan sebagai cetakan pada siklus selanjutnya.
Elektroforesis
gel merupakan salah satu teknik utama dalam biologi molekuler. Prinsip dasar teknik ini adalah bahwa
DNA
,
RNA
, atau
protein
dapat dipisahkan oleh
medan listrik
. Dalam hal ini, molekul-molekul tersebut dipisahkan berdasarkan laju perpindahannya oleh
gaya gerak listrik
di dalam matriks gel. Laju perpindahan tersebut bergantung pada ukuran molekul bersangkutan. Elektroforesis gel biasanya dilakukan untuk tujuan analisis, tetapi dapat pula digunakan sebagai teknik preparatif untuk memurnikan molekul sebelum digunakan dalam metode-metode lain seperti
spektrometri massa
,
PCR
,
kloning
,
sekuensing
DNA, atau
immuno-blotting
yang merupakan metode-metode karakterisasi lebih lanjut.
Gel yang digunakan biasanya merupakan
polimer
bertautan silang yang porositasnya dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Untuk memisahkan
protein
atau
asam nukleat
berukuran kecil (
DNA
,
RNA
, atau
oligonukleotida
), gel yang digunakan biasanya merupakan gel
poliakrilamida
, dibuat dengan konsentrasi berbeda-beda antara
akrilamida
dan zat yang memungkinkan pertautan silang, menghasilkan jaringan poliakrilamida dengan ukuran rongga berbeda-beda. Untuk memisahkan asam nukleat yang lebih besar (lebih besar dari beberapa ratus
basa
), gel yang digunakan adalah
agarosa
(dari ekstrak
rumput laut
) yang sudah dimurnikan.
Dalam proses elektroforesis, sampel molekul ditempatkan ke dalam sumur pada gel yang ditempatkan di dalam
larutan penyangga
, dan
listrik
dialirkan kepadanya. Molekul-molekul sampel tersebut akan bergerak di dalam matriks gel ke arah salah satu
kutub listrik
sesuai dengan
muatannya
. Dalam hal asam nukleat, arah pergerakan adalah menuju
elektrode
positif, disebabkan oleh muatan negatif alami pada rangka
gula
-
fosfat
yang dimilikinya. Untuk menjaga agar laju perpindahan asam nukleat benar-benar hanya berdasarkan ukuran (yaitu panjangnya), zat seperti
natrium hidroksida
atau
formamida
digunakan untuk menjaga agar asam nukleat berbentuk lurus. Sementara itu, protein didenaturasi dengan
deterjen
(misalnya natrium dodesil sulfat, SDS) untuk membuat protein tersebut berbentuk lurus dan bermuatan negatif.
Setelah proses elektroforesis selesai, dilakukan proses pewarnaan agar molekul sampel yang telah terpisah dapat dilihat.
Etidium bromida
,
perak
, atau pewarna "biru Coomassie" dapat digunakan untuk keperluan ini. Jika molekul sampel berpendar dalam sinar
ultraviolet
(misalnya setelah "diwarnai" dengan etidium bromida), gel di
foto
di bawah sinar ultraviolet. Jika molekul sampel mengandung atom
radioaktif
,
autoradiogram
gel tersebut dibuat.
Pita-pita pada lajur-lajur yang berbeda pada gel akan tampak setelah proses pewarnaan; satu lajur merupakan arah pergerakan sampel dari "sumur" gel. Pita-pita yang berjarak sama dari sumur gel pada akhir elektroforesis mengandung molekul-molekul yang bergerak di dalam gel selama elektroforesis dengan kecepatan yang sama, yang biasanya berarti bahwa molekul-molekul tersebut berukuran sama. "Marka" atau
penanda
yang merupakan campuran molekul dengan ukuran berbeda-beda dapat digunakan untuk menentukan ukuran molekul dalam pita sampel dengan meng-elektroforesis marka tersebut pada lajur di gel yang paralel dengan sampel. Pita-pita pada lajur marka tersebut dapat dibandingkan dengan pita sampel untuk menentukan ukurannya. Jarak pita dari sumur gel berbanding terbalik terhadap
logaritma
ukuran molekul.
- (Inggris)
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. 2002.
Molecular Biology of the Cell
. Edisi ke-4. Garland Science: New York.
ISBN 0-8153-3218-1
(
versi
online
di NCBI Bookshelf)
- (Inggris)
Sambrook J., Russel D.W. 2001.
Molecular Cloning: A Laboratory Manual
. Edisi ke-3. Cold Spring Harbor Laboratory Press: Cold Spring Harbor, NY.
ISBN 0-87969-577-3