Transformasi (genetik)

Transformasi genetik adalah proses perpindahan materi genetik antara organisme yang tidak merupakan keturunan langsung (bukan melalui reproduksi seksual). Dalam biologi molekuler, istilah ini sering merujuk secara spesifik pada penyerapan DNA, suatu mekanisme di mana sel menyerap DNA asing dari lingkungan dan mengintegrasikannya ke dalam genomnya, sehingga mengalami perubahan genetik. Proses ini pertama kali diamati secara sistematis oleh Frederick Griffith pada tahun 1928 dalam eksperimen dengan bakteri Streptococcus pneumoniae, yang menjadi landasan penemuan materi genetik adalah DNA. Transformasi dapat terjadi secara alami di alam, maupun secara buatan di laboratorium (transformasi rekombinan), dan merupakan alat fundamental dalam bidang genetika dan teknologi rekayasa genetika.

Mekanisme Transformasi Alami

Transformasi alami adalah kemampuan bakteri tertentu untuk mengambil DNA dari lingkungan, umumnya dari sel bakteri lain yang telah lisis (pecah). Proses ini melibatkan interaksi kompleks antara dinding sel, membran sel, dan berbagai protein spesifik. Dinding sel bakteri gram-positif mengandung peptidoglikan yang tebal, sehingga memerlukan mekanisme khusus untuk memfasilitasi masuknya DNA, sementara bakteri gram-negatif memiliki membran luar eksternal yang membatasi akses langsung ke ruang periplasmik.

Dalam bakteri gram-positif, DNA beruntai ganda (dsDNA) dari lingkungan pertama-tama berikatan dengan reseptor permukaan sel. Enzim nuklease kemudian memotong DNA tersebut menjadi fragmen yang lebih kecil. Transporter khusus, seringkali merupakan kompleks kompetensi, memindahkan satu untai DNA melintasi membran plasma ke dalam sitoplasma. Protein pengikat DNA (DBP) di sitoplasma melindungi untai DNA dari degradasi enzimatis dan membantu menyerahkannya ke mesin replikasi.

Setelah masuk ke sitoplasma, untai DNA yang tunggal ini harus diintegrasikan ke dalam kromosom bakteri inang. Integrasi ini memerlukan rekombinasi homolog, suatu proses yang dimediasi oleh enzim RecA. RecA melapisi untai DNA tunggal dan mencari urutan DNA yang homolog (sama persis atau sangat mirip) pada kromosom inang. Jika ditemukan pertautan homolog, pertukaran strand terjadi, menggantikan sebagian urutan gen inang dengan urutan dari DNA asing.

Kemampuan untuk mengambil DNA (kompetensi) tidak dimiliki oleh semua bakteri secara konstitutif. Banyak spesies mengatur kompetensi secara fisiologis, di mana sel hanya menjadi kompeten pada fase pertumbuh tertentu atau sebagai respons terhadap kondisi stres lingkungan seperti kepadatan sel tinggi atau kelaparan. Regulasi ini sering dikendalikan oleh sistem quorum sensing.

Transformasi pada Eukariota

Meskipun transformasi lebih umum diamati pada prokariota, proses serupa juga terjadi pada organisme eukariota, termasuk jamur, tumbuhan, dan bahkan hewan. Pada jamur seperti Saccharomyces cerevisiae, transformasi alami terjadi secara alami, memungkinkan pertukaran materi genetik antar sel yang berdekatan melalui plasmida atau integrasi langsung ke kromosom.

Pada tumbuhan, transformasi alami seringkali dimediasi oleh agen vektor seperti bakteri tanah Agrobacterium tumefaciens. Bakteri ini memiliki plasmida Ti (Tumor-inducing) yang dapat mentransfer segmen DNA (T-DNA) langsung ke dalam genom tumbuhan, menyebabkan tumor krown gall. Para ilmuwan telah memodifikasi plasmida Ti ini untuk menghilangkan gen penyebab tumor dan menggantinya dengan gen bermanfaat, menjadikannya alat utama dalam pertanian transgenik.

Dalam konteks biomedis, transformasi sel hewan jarang terjadi secara alami melalui penyerapan DNA bebas. Namun, fenomena transfer gen horizontal telah diamati pada virus dan retroelement yang dapat mengintegrasikan materi genetik mereka ke dalam genom inang. Di laboratorium, transformasi buatan pada sel mamalia dilakukan untuk tujuan riset dan terapi gen, menggunakan metode seperti elektroporasi atau transfeksi kimia.

Transformasi Rekombinan (Buatan)

Dalam bioteknologi, transformasi rekombinan mengacu pada penyisipan gen asing ke dalam sel inang untuk menghasilkan produk protein tertentu atau untuk mempelajari fungsi gen. Langkah pertama adalah menyiapkan vektor, yaitu DNA pembawa (biasanya plasmida) yang mengandung gen penanda (misalnya gen ketahanan antibiotik) dan promoter untuk mengontrol ekspresi gen target.

Sebelum plasmida dimasukkan ke dalam sel, plasmida harus diisolasi dari bakteri inang dan dipotong menggunakan enzim pemotong spesifik (restriksi). DNA target yang akan disisipkan juga dipotong dengan enzim yang sama untuk menghasilkan ujung yang kompatibel (ujung lengket atau ujung rata). Kemudian, enzim ligase digunakan untuk menyambungkan DNA target ke dalam vektor, membentuk plasmida rekombinan.

Metode transformasi laboratorium bervariasi tergantung pada jenis sel inang. Untuk bakteri seperti Escherichia coli, metode kalsium klorida (CaCl₂) sering digunakan. Bakteri diinkubasi dalam larutan CaCl₂ berpendingin untuk membuat dinding selnya lebih permeabel. Setelah penambahan DNA, pemanasan singkat (heat shock) diterapkan (biasanya pada suhu 42°C selama 45-90 detik) untuk memfasilitasi masuknya plasmida ke dalam sitoplasma.

Metode lain yang sangat efisien adalah elektroporasi. Prinsip kerjanya adalah pemberian medan listrik yang kuat dan singkat ke sel. Medan listrik ini menginduksi pembentukan pori-pori sementara pada membran sel, yang memungkinkan DNA masuk ke dalam sitoplasma. Elektroporasi dapat diterapkan pada berbagai jenis sel, termasuk bakteri, ragi, dan sel mamalia.

Seleksi dan Deteksi

Tidak semua sel yang terkena plasmida akan mengambilnya. Oleh karena itu, diperlukan metode seleksi yang ketat untuk memisahkan sel yang telah sukses ditransformasi dari yang tidak. Metode yang paling umum adalah seleksi berdasarkan ketahanan antibiotik.

Plasmida vektor biasanya mengandung gen yang memberikan ketahanan terhadap antibiotik spesifik (misalnya ampicilin atau kanamisin). Setelah transformasi, sel-sel ditanam pada media yang mengandung antibiotik tersebut. Hanya sel yang mengandung plasmida (dan karenanya memiliki gen ketahanan) yang dapat bertahan hidup dan tumbuh membentuk koloni.

Untuk membedakan antara plasmida kosong (tanpa insert DNA target) dengan plasmida rekombinan, metode seleksi berwarna (blue-white screening) sering digunakan. Vektor mengandung gen lacZ yang memotong substrat X-Gal untuk menghasilkan warna biru. Jika DNA target disisipkan di dalam gen lacZ, gen tersebut terganggu (inaktif). Koloni yang tumbuh dari sel yang membawa plasmida rekombinan akan berwarna putih, sementara yang membawa plasmida kosong akan berwarna biru.

Selain seleksi, deteksi juga dilakukan menggunakan PCR (Polymerase Chain Reaction) untuk memverifikasi keberadaan insert, atau dengan sekuensing DNA untuk memastikan urutan basa dari gen yang dimasukkan benar-benar sesuai dengan yang diinginkan dan tidak mengalami mutasi.