Kajian Rabu, Mengenali Agrobacterium Tumefaciens

AGROBACTERIUM TUMEFACIENS

Oleh: Dr. dr. H. Tauhid Nur Azhar, M.Kes.

Masih oleh-oleh dari ceramah ba’da Subuh di masjid super keren Baitul Mukmin, pada kesempatan pagi tadi sempat pula saya sedikit kupas adanya mekanisme “komunikasi” antar tumbuhan yang ditandai dengan adanya pertukaran sifat genetik.

Misalnya 2 batang pohon jeruk yang ditanam bersebelahan dan memiliki fenotip atau tampilan fisik yang berbeda, misal dari aspek ukuran buah, rasa buah, ataupun kelebatan tajuk, serta kekuatan akar dan batang; ternyata dalam kurun waktu tertentu dapat saling mempengaruhi dan seolah dapat saling melengkapi sifat.

Para petani kerap memperhatikan hal semacam itu terjadi, meski kadang belum mengetahui mekanisme yang mendasarinya. Apakah memang di alam ada mekanisme transfer gen yang dapat merubah sifat tumbuhan atau makhluk hidup lainnya?

Untuk menyibak misteri transfer sifat alami itu, elok kiranya jika kita berkenalan dengan mikroba dari jenis bakteri yang bernama Agrobacterium tumefasciens. Bakteri yang semula diduga hanyalah patogen biasa yang menyebabkan penyakit tumor tanaman (gall).

Agrobacterium tumefaciens adalah bakteri patogen tanah yang dikenal sebagai penyebab penyakit crown gall pada berbagai tanaman dikotil. Penyakit ini ditandai dengan pembentukan tumor atau “gall” pada bagian tanaman yang terinfeksi.

Namun, di balik sifat patogeniknya, A. tumefaciens menyimpan mekanisme biologis yang luar biasa: kemampuan untuk mentransfer segmen DNA spesifik (T-DNA) dari plasmidnya ke dalam genom sel tanaman inang.

Proses ini merupakan contoh transfer gen lintas kingdom (dari prokariot ke eukariot) yang diketahui terjadi secara alami. Penemuan mekanisme ini, yang dipelopori oleh para peneliti termasuk Mary-Dell Chilton pada tahun 1977, telah merevolusi bioteknologi tanaman.

Dengan memodifikasi sistem transfer gen alami ini, para ilmuwan telah berhasil memanfaatkan Agrobacterium sebagai vektor yang sangat efisien untuk memasukkan gen asing (transgen) ke dalam sel tanaman, yang menjadi dasar produksi tanaman transgenik dengan berbagai sifat unggul.

Sebenarnya dalam dunia biologi, transfer materi genetik umumnya terjadi secara vertikal (dari induk ke keturunan). Namun, Agrobacterium tumefaciens menunjukkan fenomena langka berupa transfer gen horizontal (HGT) yang melintasi batas kingdom.

Bakteri Gram-negatif ini, yang hidup di rizosfer, dapat menginfeksi tanaman melalui luka. Infeksi ini tidak membunuh sel inang, melainkan “memprogram ulang” sel tersebut untuk kepentingan bakteri.

Program ulang ini dicapai dengan mentransfer dan mengintegrasikan segmen DNA yang disebut T-DNA (Transfer DNA) ke dalam genom inti sel tanaman. T-DNA ini tersimpan dalam sebuah plasmid besar yang disebut plasmid Ti (Tumor-inducing). Begitu terintegrasi, gen-gen pada T-DNA diekspresikan oleh mesin transkripsi sel tanaman, memaksa sel tersebut memproduksi dua hal:

• Hormon tanaman (auksin dan sitokinin), dimana produksi berlebih dari hormon ini dapat menyebabkan pembelahan sel yang tidak terkendali, sehingga terbentuklah tumor atau crown gall.
• Opin (opines), yaitu suatu senyawa turunan asam amino dan gula yang tidak dapat dimetabolisme oleh tanaman, tetapi menjadi sumber karbon dan nitrogen spesifik bagi Agrobacterium yang memiliki gen untuk mengkatabolismenya.

Dengan kata lain, A tumefaciens memiliki cara untuk mengendalikan tanaman yang diinfeksi sebagai sumber pemenuhan kebutuhan fisiologisnya.

Pada tahun 1970-an, hipotesis bahwa bakteri dapat mentransfer gen ke tanaman masih kontroversial. Meskipun keberadaan plasmid Ti diketahui berhubungan dengan virulensi, bukti langsung bahwa DNA dari plasmid tersebut benar-benar menjadi bagian dari genom tanaman masih kurang.

Barulah pada tahun 1977, penelitian fundamental oleh tim Mary-Dell Chilton (dan secara independen oleh tim Jeff Schell dan Marc Van Montagu) memberikan bukti definitif. Dengan menggunakan teknik hibridisasi DNA, tim Chilton menunjukkan bahwa segmen spesifik dari plasmid Ti (yang kemudian kita kenal sebagai T-DNA) ditemukan secara stabil terintegrasi dalam DNA inti (nukleus) sel-sel tumor crown gall. Sebaliknya, DNA ini tidak ditemukan pada jaringan tanaman sehat.

Penemuan ini adalah tonggak sejarah. Ini membuktikan bahwa transfer gen lintas kingdom adalah fenomena alami dan membuka mata para ilmuwan terhadap potensi Agrobacterium sebagai alat rekayasa genetika.

Dan bakteri inilah yang saya gunakan saat saya mengajukan proposal penelitian doktoral di ranah edible vaccine. Saya mencoba untuk menyisipkan beberapa gen pengenal virus HPV-16 (gen E6 dan E7) ke buah tomat Lycopersicum esculantum. Tujuannya agar wanita yang memakan tomat dalam jumlah tertentu di kurun waktu tertentu pula, akan dapat memiliki kekebalan terhadap virus HPV-16, dan takkan menderita kanker leher rahim.

Untuk dapat digunakan dalam riset S3 saya tersebut, A tumefaciens haruslah diubah sifatnya dari yang semula patogen, menjadi vektor pembawa gen yang akan disisipkan atau yang kerap dikenal sebagai GoI, alias gene of interest.

Langkah-langkah kuncinya antara lain adalah:
“Disarming” (melucuti) Plasmid Ti, dimana gen-gen penyebab tumor (sintesis auksin dan sitokinin) dan gen sintesis opin di dalam T-DNA dihilangkan. Ini penting agar bakteri tidak lagi menyebabkan penyakit.

Sebagai gantinya, kami mencoba untuk menyisipkan “gen yang diinginkan” (Gene of Interest/GOI) di antara sekuens batas T-DNA. GOI ini, selain untuk vaksin, bisa juga berupa gen untuk ketahanan hama (misalnya, gen Bt dari Bacillus thuringiensis), ketahanan herbisida, peningkatan nutrisi (seperti Golden Rice), atau sifat-sifat yang diharapkan lainnya.

Bersama GOI ini, biasanya dimasukkan pula gen penanda seleksi (misal gen resistensi antibiotik atau herbisida) untuk memudahkan identifikasi sel-sel tanaman yang telah berhasil ditransformasi.

Agrobacterium yang telah dimodifikasi ini (membawa T-DNA “rekayasa”) digunakan untuk menginfeksi jaringan tanaman (eksplan), seperti potongan daun atau kalus, dalam kondisi kultur in vitro. Selanjutnya bakteri akan mentransfer T-DNA yang berisi GOI ke dalam genom sel tanaman. Sel-sel yang berhasil tertransformasi kemudian diseleksi menggunakan media yang mengandung agen seleksi (antibiotik/herbisida).

Sel-sel yang selamat kemudian diregenerasi menggunakan hormon pertumbuhan untuk membentuk tanaman utuh yang baru. Setiap sel dalam tanaman baru ini akan membawa gen yang diinginkan (transgen).

Demikianlah ternyata alam memberi banyak pelajaran tentang berbagai mekanisme biologi makhluk hidup bekerja. Pengetahuan dan ketrampilan serta teknologi yang kita kembangkan dari penelitian terkait berbagai mekanisme itu, pada hakikatnya dapat digunakan untuk menghasilkan kebaikan.

Akan tetapi juga terbuka peluang untuk memanfaatkannya sebagai cara untuk memanipulasi dan menciptakan berbagai hal yang bersifat kontra produktif, atau bahkan destruktif.

Semuanya kembali kepada kita, yang telah didapuk sebagai khalifah; sang pen generate rahmah di semesta sekalian alam.

Wallahualam bissawab