M Bagus Firdaus - Lapsem Biomolekuler Materi 6 [PDF]

Citation preview

LAPORAN SEMENTARA PRAKTIKUM BIOLOGI MOLEKULER “BIOINFORMATIKA”



Disusun Oleh : Nama



: Muhammad Bagus Firdaus



NPM



: 18025010179



Golongan



: A3



PROGRAM STUDI AGROTEKNOLOGI FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL “VETERAN” JAWA TIMUR SURABAYA 2021



I. PENDAHULUAN



1.1



Latar Belakang Setelah diselesaikannya proyek pengurutan sekuen genom manusia (human



genome project) pada tahun 2001, semakin banyak peneliti dalam ilmu biologi yang terlibat dalam kegiatan pengurutan sekuen genom organisme lainnya. Genom adalah DNA total yang dimiliki organisme hidup dalam keadaan haploid. Tujuan pengurutan sekuen genom adalah untuk mengungkap berbagai fakta baru dari sistem kehidupan ini. Hingga saat ini data biologis terus dihasilkan secara masif dan berakumulasi sebagai hasil dari berbagai penelitian dan kajian biologi molekuler di seluruh dunia. Penanganan data yang besar ini dalam file dan buku catatan eksperimental semakin sulit dari hari ke hari. Hal ini telah mendorong munculnya suatu ilmu pengetahuan baru sebagai bagian dari tren penelitian masa depan terkait penanganan data biologi yang besar dengan bantuan komputer, yaitu bioinformatika (Goel dan Padole, 2019; Sharma, 2015). Sebagaimana dinyatakan oleh Hogeweg (2011), istilah "bioinformatika" pertama kali digunakan pada tahun 1970 dan digunakan untuk menyatakan "studi proses informatika dalam sistem biotik." Sejak saat itu, bioinformatika secara bertahap mendapatkan tempat dalam komunitas ilmiah ditandai misalnya dengan, pembuatan CABIOS tahun 1985 (Computer Applicotions in the Biosciences, yang sekarang dikenal sebagai Bioinformatika (Oxford, Inggris). Pada dasarnya bioinformatika adalah suatu bidang interdisiplin yang merupakan pertemuan antara biologi molekuler dan teknologi komputasi (Heo et al., 2017). Bioinformatika didefinisikan sebagai bidang ilmu yang merupakan pertemuan berbagai disiplin ilmu seperti biologi, komputasi, dan teknologi informasi dengan tujuan bertujuan mengatur dan menyimpan sejumlah besar informasi biologis yang didorong oleh kemajuan yang dihasilkan dalam genetika, biologi molekuler, dan bioteknologi (Lesk, 2014). Berdasarkan hal tersebut, pentingnya dilakukan praktikum Bioinformatika.



1.2



Tujuan Tujuan praktikum materi ini adalah praktikan mampu memahami



bioinformatika dan mampu secara mandiri menggunakan beberapa aplikasi bioinformatik (program/software baik online maupun offline) untuk keperluan analisis sekuens gen.



II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1



Pengertian Bioinformatika Bioinformatika adalah konseptualisasi biologi molekul dan aplikasi teknik



informatika (yang berasal dari berbagai ilmu seperti matematika terapan, ilmu komputer dan statistik untuk mengetahui dan mengelompokan informasi yang terkait dengan molekul yang dianalisis pada skala yang luas. Bioinformatika merupakan seni dan ilmu pengetahuan yang fokus pada penggunaan komputer untuk area penelitian biologi seperti genomik, transkriptomik, proteomik, genetik dan evolusi 4. Tujuan utamanya adalah mampu memberikan pandangan baru dalam mencapai prespektif global yang menunjang perkembangan bioteknologi di masa depan. Analisis dalam bioinformatika difokuskan pada tiga jenis dataset: urutan genom, struktur makromolekul dan percobaan genomik fungsional. Tetapi analisis bioinformatika juga diterapkan pada berbagai data lain, seperti pohon taksonomi, data tentang hubungan jalur metabolik, teks artikel ilmiah dan statistik. Berbagai macam teknik yang digunakan termasuk pencocokan sekuen, struktur protein 3D, konstruksi pohon filogenetik, prediksi dan klasifikasi struktur protein, prediksi struktur RNA, prediksi fungsi protein, dan ekspresi kluster data. (Ismaun dan Amirullah, 2017). Secara umum ada dua pengertian bioinformatika: 1.



Bioinformasi klasik yang menitikberatkan pada analisis sekuen.



2.



Bioinformatika baru (pasca genom), yang dimulai ketika pekerjaan rekayasa pemetaan genom manusia sudah selesai. Di sini sudah melakukan perbandingan genom dari berbagai spesies yang



bias



berbeda,



mengukur jumlah relative dari kopi/cetakan dari sebuah pesan genetic, menemukan fungsi dan keterkaitan dari gen, dan melihat kerja fungsi genom (Irianto, 2019). Beberapa jenis data biologi di dalam bioinformatika: 1. Manajemen data, termaksud pemeliharaan database dan pemrosesan data, merupaka tugas paling dasar dan yang paling utama. Sejumlah besar data yang bisa digunakan bersama dibuat oleh berbagai lembaga penelitian yang dibiayai public, dan diletakkan di dalam bank data publik. Anotasi data mentah, yang



artinya menambahkan



berbagai deskripsi dan fungsi, merupakan bagian yang sangat penting dari pekerjaan ini, dan sebagian besar



didanai oleh lembaga penelitian



pemerintah. 2. Struktur dan sekuens protein dan gen Sekuen digunakan untuk mempersentasikan molekul



makro.



Struktur gen yang mengkodifikasi sekuen asam amino di dalam protein dibuat menggunakan proyek sekuensial genom. Data



genomic akan



diterjemahkan menggunakan komputer menjadi sekuens protein. 3. Struktur molekul 3D Pemodelan



komputer



bisa



mengambarkan



struktur



menggunakan pengukuran fisik menggunakan sinar X atau



ini



resonansi



magnet nuklir. 4. Fungsi dan struktur genom Genom dari suatu organisme (mahluk hidup) terdiri dari materi genetik keseluruhan. Informasi fungsi dan struktur genom adalah informasi detail dasar yang selalu diperbaharui dengan berbagai informasi baru termaksud tautan ke berbagai database yang lain. 5. Data bibliographic, seperti abstrak dari suatau artikel sains Jumlah data yang meningkat secara eksponensial, terutama yang berhubungan dengan proyek genom, seperti protek sekuensial



genom



manusia. Data yang saat ini bias diakses public melalui internet merupakan susunan data dalam bentuk kecil (Ismaun dan Amirullah, 2017). Pensejajaran sekuen (sequence alignment) merupakan salah satu cara untuk mensejajarkan sekuen DNA, RNA atau protein untuk mengidentifikasi region yang memiliki kemiripan yang diduga mempunyai kesamaan hubungan fungsi, struktur atau evolusi antar sekuen. Multiple sequencealignment merupakan lanjutan dari alignment berpasangan untuk membandingkan lebih dari dua sekuen pada saat yang sama. Multiple alignment sering digunakan pada identifikasi region sekuen yang conserved antar kelompok sekuen (Mount, 2004). BLAST adalah salah satu metode alignment yang sering digunakan dalam penelusuran basis data sekuen. BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) merupakan alat cepat pembanding sekuen dengan mengkonstruksi alignment untuk



mengoptimasi kemiripan antara sekuen nukleotida dan protein dengan database sekuen di GeneBank. Program ini dirancang untuk mengeksplorasi semua database sekuen yang diminta baik berupa nukleotida maupun protein. Program BLAST juga dapat digunakan untuk mendeteksi



hubungan antar sekuen yang hanya



mempunyai kesamaan pada region tertentu. Analisis BLAST digunakan untuk menbandingkan sekuen nukleotida dan sekuen asam amino lain yang ada pada GeneBank (Altschul et al., 1990).



II. METODOLOGI PRAKTIKUM



3.1



Waktu dan Tempat Praktikum Biologi Molekuler materi III “Bioinformatika” ini dilaksanakan



pada hari Jumat, 26 November 2021 pukul 14.50-16.30 WIB yang dilaksanakan secara daring di rumah masing-masing praktikan.



3.2



Alat dan Bahan 3.2.1 Alat Alat yang digunakan pada paktikum Bionformatika yaitu alat laptop atau smartphone dan alat tulis. 3.2.2 Bahan Bahan yang diperlukan dalam praktikum Bionformatika yaitu mdoul praktikum Biologi Molekuler, dan video ajar materi Bionformatika.



3.3



Langkah Kerja a. Mempersiapkan alat dan bahan b. Membaca dan memahami materi praktikum Bionformatika pada modul/buku ajar biologi molekuler. c. Melihat dan memahami video ajar yang telah diberikan. d. Mencari referensi artikel, jurnal ataupun web dari materi yang telah dipahami melalui laptop atau smartphone. e. Membuat laporan dari hasil praktikum yang telah dilakukan.



IV. HASIL DAN PEMBAHASAN



4.1



Hasil Pengamatan Tabel 4.1 Prosedur kerja database GenBank (NCBI) untuk identifikasi sekuens DNA Keterangan



Tahapan ke-



4.2



1



Apabila sekuens DNA telah dilakukan, selanjutnya melakukan proses pengeditan secara manual pada software DNAStar atau BioEdit, file sekuens DNA disimpan dalam format rich text format.



2



Membuka laman website NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) dan pilihan BLAST yang tersedia pada laman tersebut diklik serta kotakpilihan “nucleotide BLAST” diklik.



3



Sekuens DNA disalin (copy) dan ditempelkan (paste) pada kotak “Enter accession number(s), gi(s), or FASTA sequence(s)”.



4



Pilihan “others” pada bagian Database dipilih (untuk sekuens DNA yang bukan berasal dari manusia dan tikus).



5



Jenis sekuens yang akan ditelusuri dipilih menjadi “Nucleotide collection (nr/nt)”.



6



Program seleksi dipilih (megablast)”.



7



Program dijalankan dengan mengklik “BLAST”.



8



Hasil penelusuran akan keluar beserta informasinya berupa tabel similaritas.



menjadi “Highly



similar



sequences



Pembahasan Praktikum Biomolekuler kali ini berbicara mengenai Bioinformatika.



Bioinformatika sendiri menurut Hogeweg (2011) merupakan kajian kecil bioteknologi yang mempelajari tentang kemampuan teknik informasi dalam mengelola data biologi. Nirmala et al (2017) juga menambahkan bahwa bioinformatika merupakan gabungan antara ilmu biologi dan teknik informasi. Topik utama pada bidang bioinformatika meliputi basis data untuk mengelola



informasi biologis, sequence alignment, prediksi bentuk struktur protein maupun struktur sekunder RNA, analisis filogenetik, dan analisis gen. Prosedur kerja database GenBank (NCBI) untuk identifikasi sekuens DNA dalam Bionformatika ini ditunjukkan pada Tabel 4.1. Tabel tersebut menunjukkan bahwa untuk mengidentifikasi sekuens DNA diperlukan databese GenBank. Menurut NCBI (2009), Database GenBank merupakan suatu bentuk koleksi data dari semua urutan nukleotida serta hasil translasi berua sequen protein yang dapat diakses untuk umum. Database ini dihasilkan di National Center for Biotechnology Information (NCBI) sebagai bagian dari kerjasama internasional dengan Laboratorium Biologi Molekuler Eropa (EMBL) , Perpustakaan Data dari Eropa Bioinformatics Institute (EBI) dan DNA Data Bank of Japan (DDBJ). GenBank dan kolaborator menerima urutan diproduksi di laboratorium di seluruh dunia dari lebih dari 100.000 organisme yang berbeda. GenBank terus tumbuh pada tingkat eksponensial, dua kali lipat setiap 10 bulan. Rilis 134, diproduksi pada bulan Februari 2003, berisi lebih dari 29,3 miliar basa nukleotida di lebih dari 23,0 juta urutan. GenBank dibangun dengan pengiriman langsung dari laboratorium individu, serta dari pengiriman massal dari skala besar pusat sekuensing. Sekuen data yang akan dianalisis untuk mengidentifikasi suatu gen dimana konfirmasi sebaik untuk menemukan homolog yang terdekat dengan menggunakan BLAST. Web berbasis NCBI BLAST (BLASTn) digunakan untuk mengobservasi sekuen homolog pada non redundan nukleotida database (Bhattacharyya, 2014). BLAST adalah membandingkan data urutan nukleotida atau protein dengan data base nukleotida atau protein di seluruh dunia melalui situs dan beberapa situs lainnya. Selain sekadar menyimpan informasi biologis database itu juga bisa digunakam untuk menganalisis gen-gen, fungsi-sungsinya dan evolusinya, sebagai contoh jika ada sebuah gen diklona dan di sekuensing , sekuens itu bisa digunakan untuk penelusuran yang disebut BLAST terhadap semua sekuens yang diketahui (Sinaga, 2012). Data-data sekuens tersebut dihimpun dalam suatu database yang dapat diakses secara online. Saat ini, terdapat tiga situs penyedia database sekuen molekular yang tergabung dalam INSDC (International Nucleotide Sequence Database Collaboration) selain GenBank pada NCBI (National Center



Biotechnology Information-USA), yaitu ada EMBL-Bank (European Molecular Biology Laboratory) pada EBI (Europe Bioinformatic Institute-England), dan DDBJ (DNA Datat Bank of Japan) pada CIB (Center for Information BiologyJepang). Ketiga situs tersebut bertukar data setiap hari sehingga database ketiganya relatif serupa. Perbedaan ketiganya hanya format tampilan data. Sedangkan software yang dapat digunakan untuk mengedit sekuens hasil sekuensing antara lain: Bioedit, DNAStar, Mega Software, Bionumeric software, DNA Baser, Finch TV software, dan lain-lain. Two read direction adalah proses sekuensing yang dilakukan secara dua arah untuk menentukan ututan basa nitrogen sampel DNA, sekuensing ini meminimalisasi kemungkinan kesalahan dalam proses sekuensing. Partial gene atau partial sequence adalah gen yang urutan sekuennya saling berhubungan atau lengkap. Tujuan analisis VecScreen adalah untuk menemukan secara tepat segmen urutan asam nukleat yang mungkin dari vektor dan untuk mencari urutan kueri pada segmen yang cocok dengan urutan yang ada di UniVec. Sedangkan Pensejajaran bertujuan untuk menemukan kemiripan dua sekuens DNA.



V. KESIMPULAN



Berdasarkan kegiatan praktikum Biologi Molekuler materi Isolasi DNA dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Bioinformatika merupakan kajian kecil bioteknologi yang mempelajari tentang kemampuan teknik informasi dalam mengelola data biologi. 2. Terdapat beberapa website genebank selain NCBI yaitu EBI (Europe Bioinformatic Institute-England), dan DDBJ (DNA Datat Bank of Japan) pada CIB (Center for Information Biology-Jepang). 3. Two read direction adalah proses sekuensing yang dilakukan secara dua arah untuk menentukan ututan basa nitrogen sampel DNA, sekuensing ini meminimalisasi kemungkinan kesalahan dalam proses sekuensing. 4. Partial gene atau partial sequence adalah gen yang urutan sekuennya saling berhubungan atau lengkap. 5. Beberapa software yang dapat digunakan untuk mengedit sekuens hasil sekuensing antara lain: Bioedit, DNAStar, Mega Software, Bionumeric software, DNA Baser, Finch TV software, dan lain-lain. 6. Analisis VecScreen bertujuan untuk menemukan secara tepat segmen urutan asam nukleat yang mungkin dari vektor dan untuk mencari urutan kueri pada segmen yang cocok dengan urutan yang ada di UniVec. Sedangkan Pensejajaran bertujuan untuk menemukan kemiripan dua sekuens DNA



DAFTAR PUSTAKA



Altschul, S. F., Gish, W., Miller, W., Myers, E. W., & Lipman, D. J. (1990). Basic local alignment search tool. Journal of molecular biology, 215(3), 403-410. Bhattacharyya, P. N., Tanti, B., Barman, P., Jha, D. K. 2014. Culture-Independent Metagenomic Approach To Characterize The Surface And Subsurface Soil Bacterial Community In The Brahmaputra Valley, Assam, North-East India,An Indo-Burma Mega-Biodiversity Hotspot. World Journal of Microbiology Biotechnology. Goel, P., & Padole, M. 2019. Bioinformatics: An Application in Information Science. In First International Conference on Artificial Intelligence and Cognitive Computing (pp. 223-238). Springer, Singapore. Heo, G. E., Kang, K. Y., Song, M., & Lee, J. H. (2017). Analyzing the field of bioinformatics with the multi-faceted topic modeling technique. BMC bioinformatics, 18(7), 45-57. Hogeweg, P. 2011. The roots of bioinformatics in theoretical biology. PLoS computational biology, 7(3), e1002021. Hogeweg, P. 2011. The Roots of Bioinformatics in Theoretical Biology. Plos Computational Biology, 7 (3):1—5. Irianto, K. (2019). Biologi Molekuler Teori-Praktikum-glosarium. Alfabeta: Bandung. hlm: 495. ISMAUN, M. S., & AMIRULLAH, A. (2017). Analisis Keragaman Fragmen Gen Penyandi Enzim Kitinase Berbasis Web Berdasarkan Kemiripan Sekuen (Doctoral dissertation, IAIN Kendari). Lesk, A. 2014. Introduction to bioinformatics. Oxford University Press. Mount WD (2004). Bioinformatics: sequence and genome analysis. Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York. NCBI.



2009. GenBank: The Nucleotide Sequence http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21105/. Tanggal November 2021.



Database. akses 2



Nirmala, M., Indriyani, I., Shahensha, M. R., Nieate, M. K., & Diana, N. E. (2017, August). Studi Literatur Pemanfaatan High Performance Computing dalam Bidang Bioinformatics. In Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi (SNATI). Sharma, R. K. 2015. Role of Bioinformatics in Various Aspects of Biological Research: A Mini Review. Research and Reviews: Research Journal of Biology, 1-20. Sinaga, N.R. 2012. Isolasi DNA dan Teknik PCR. Jakarta : PT factorry.