Ilmu dan Teknologi Berasaskan Omik Memacu Bidang Bioteknologi

Oleh: Dr. Nazmi Harith Fadzilah¹ & Mohd Shakir Mohamad Yusop²

¹Penyelidik Pasca-doktoral, Fakulti Biosumber dan Industri Makanan (FBIM), Universiti Sultan Zainal Abidin (UniSZA)
²Pembantu Penyelidik Siswazah (GRA) Institut Biologi Sistem (INBIOSIS), UKM

Biologi Ialah Pengetahuan. Bioteknologi Ialah Penggunaan

Biologi merujuk kepada kajian memahami proses-proses benda hidup manakala bioteknologi ialah ilmu sains yang menjurus kepada kajian yang menggunakan mikroorganisma, biologi sistem, dan/atau proses biologi di dalam industri pengeluaran dan perkhidmatan untuk penghasilan produk. Ilmu biologi menjadi dasar bagi inovasi bidang bioteknologi. Sebagai contoh, ilmu biologi menerangkan bagaimana spesis yis (Saccharomyces cerevisiae) mempunyai struktur DNA tambahan dipanggil plasmid. Ilmu biologi juga menjelaskan bagaimana plasmid tersebut boleh dipotong menggunakan enzim pembatasan. Bioteknologi memanfaatkan kedua-dua pengetahuan tersebut dengan menggunakan enzim pembatasan untuk memotong plasmid tersebut dan memasukkan jujukan gen tertentu bagi mengubahsuai yis tersebut bagi menghasilkan protein-protein bernilai. Teknik bioteknologi ini telah digunakan untuk menghasilkan hormon insulin berskala besar pada harga yang berpatutan. Contoh-contoh produk bioteknologi lain termasuklah antibiotik, vaksin, produk daging bersumberkan tumbuhan dan sel dalam makmal, haiwan ternak menghasilkan organ pengganti manusia, dan sebagainya.

Zaman Data Raya (Big Data) Mempercepatkan Penemuan Bioteknologi

Para saintis berlumba-lumba untuk mendapatkan penemuan baharu. Ini termasuklah antiobiotik yang mempunyai cara tindakan terbaharu, enzim yang menguraikan sisa buangan atau pencemaran, metabolit yang boleh membunuh serangga perosak, pengenalpastian mikroorganisma penyebab penyakit, dan sebagainya. Pengenalpastian molekul bernilai ini akan diteruskan dengan kajian-kajian lanjutan untuk mengenal pasti proses penghasilannya. Kajian lanjutan termasuklah berkaitan tapak jalan biosintesis, pengenalpastian gen-gen dan protein-protein yang terlibat serta pencirian jujukan-jujukan berkaitan, serta proses penghasilan molekul. Dapatan daripada kajian-kajian ini dapat membolehkan gen penting dikenalpasti dan diekspreskan secara khas untuk penghasilan molekul bernilai pada skala komersil.

Merungkai sesuatu proses biologi melibatkan pemahaman pelbagai proses yang kompleks. Terdapat banyak protein dan metabolit yang mempunyai peranan penting dalam lebih daripada satu proses dalam sesuatu sel hidupan. Di samping itu, protein dan metabolit tersebut dikawal atur oleh pelbagai jenis molekul lain termasuk faktor transkripsi yang mengawal penghasilannya. Oleh itu, saintis perlu menganalisis sesuatu proses biologi secara menyeluruh supaya segala faktor penghasilan molekul bernilai itu dapat dikenal pasti dengan tepat. Maka, corak penyelidikan kini telah berubah daripada penyelidikan spesifik terhadap beberapa gen, protein, atau metabolit kepada penyelidikan keseluruhan genom, proteom atau metabolom. Namun begitu, data-data ini amat besar dan kompleks. Sebagai contoh, terdapat sekitar 6275 gen dengan lebih kurang 12 juta jujukan DNA di dalam genom yis sahaja. Dalam kalangan gen-gen itu, hanya segelintir sahaja mempunyai peranan penting dalam proses penghasilan protein bernilai yang dikehendaki. Sejak beberapa tahun yang lalu, saintis mula menggunakan kaedah penyelidikan omik bagi menganalisis data raya untuk memberi petunjuk jelas dan menyeluruh berkenaan mekanisme-mekanisme penting penghasilan molekul bernilai.

Omik dan cabang-cabangnya

Secara amnya, omik merujuk kepada bidang sains yang namanya berakhir dengan -omik; contoh yang akan dibincangkan di dalam artikel ini ialah genomik, epigenomik, transkriptomik, proteomik, metabolomik, mikrobiomik, dan viromik. Omik berfokus kepada pencirian menyeluruh serta pengkuantitian molekul biologi yang terlibat dalam pembentukan struktur, fungsi, dan tindak balas sesuatu organisma. Semua jenis omik mempunyai persamaan dalam aspek pemprosesan data secara skala besar dan daya pemprosesan tinggi (high throughput).

**Rajah 1: Gambar rajah umum menunjukkan interaksi di antara omik berbeza serta teknologi berkaitan.**

Genomik

Genomik mengkaji jujukan DNA dalam genom organisma hidup dengan cara menganalisis variasi jujukan gen. Variasi pada jujukan sesuatu gen boleh mengakibatkan perubahan corak aktiviti dan fungsi protein yang terhasil. Variasi jujukan genom yang tidak terlibat dalam gen pula boleh memberi kesan pada kadar penghasilan mRNA daripada DNA. Di dalam konteks kajian perubatan, genomik mempunyai matlamat untuk membangunkan perubatan secara peribadi (personalised healthcare). Objektif perubatan diperibadikan ialah untuk menyiasat genom individu dan memberikan rawatan optimum bersandarkan variasi gen-gen yang berkait rapat dengan penyakit yang menjangkiti pesakit atau status kesihatan pesakit tersebut. Pendekatan genomik untuk menghasilkan perubatan diperibadikan ini ialah kajian asosiasi keseluruhan genom (genome-wide association studies (GWAS)). GWAS mengenal pasti variasi jujukan gen yang kerap muncul dalam genom sesuatu kumpulan pesakit. Kajian GWAS ini memproses maklumat genom daripada ribuan populasi manusia agar boleh menyaring variasi gen yang benar-benar mempunyai hubung kait dengan sesuatu penyakit berbanding variasi yang muncul secara rawak. Data yang banyak ini membolehkan kekerapan genotip di dalam populasi manusia dikaitkan dengan penyakit yang dikaji, sekaligus membolehkan pemahaman yang lebih mendalam bagaimana sesetengah manusia lebih mudah dijangkiti penyakit tersebut. Kebanyakan kajian genomik pada masa kini menggunakan mesin penjujukan DNA moden yang mampu menjalankan proses analisis dengan pantas berserta kos yang berpatutan.

Transkriptomik

Transkriptomik melihat kepada RNA yang mengekod protein dalam keseluruhan genom secara kualitatif dan kuantitatif. RNA yang mengekod protein ini dipanggil mRNA (messenger RNA). Dogma pusat biologi (central dogma of biology) meletakkan mRNA sebagai pengantara selepas DNA dan sebelum protein; di mana mRNA berperanan sebagai pengantar maklumat DNA ke ribosom lalu diterjemahkan menjadi protein. Analisis kualitatif transriptomik melibatkan penyelidikan yang menilai kekerapan variasi jujukan mRNA dalam suatu populasi sama ada spesies, organisma, kumpulan pesakit yang berbeza, dan sebagainya. Sebaliknya, analisis kuantitatif pula mengukur dan membandingkan bilangan mRNA yang terhasil dalam sesuatu keadaan pemboleh ubah. Contohnya, keadaan jangkitan penyakit pada pesakit atau pendedahan tumbuhan kepada suhu panas dan membandingkannya dengan keadaan normal.

Analisis transkriptomik lebih ‘ringkas’ dibandingkan dengan genomik kerana saiz transkriptom yang lebih kecil berbanding genom. Sebagai konteks, transkripsi DNA hanya berlaku pada 80% kawasan keseluruhan genom, dan hanya lebih kurang 3% sahaja dari keseluruhan genom yang bertanggungjawab mengekodkan protein. Selain menghasilkan protein, terdapat juga RNA yang tidak mengekodkan protein tetapi berfungsi dalam kawal atur proses transkripsi DNA. Jujukan ini mempunyai peranan penting dalam mengawal atur pelbagai proses fisiologi dalam sel seperti pembezaan tisu adipos perang (brown adipose differentiation), kawal selia endokrin (endocrine regulation), dan pembentukan sel neuron. Tambahan pula, sistem kawal atur transkripsi RNA di kawasan jujukan ini mempunyai hubung kait dengan pelbagai penyakit seperti serangan jantung, diabetes, serta kanser.

Proteomik

Proteomik memproses proteom bagi menganalisis kandungan peptida (protein), jenis-jenis pengubahsuaian pada peptida, struktur-struktur protein, dan interaksi antara protein. Analisis dan kuantifikasi protein mengguna pakai teknologi mesin spektrometri jisim (mass spectrometry (MS)) di mana spektra MS tersebut dipadankan dengan peptida tertentu menggunakan algoritma komputer. Kandungan peptida dalam sampel ujikaji – contohnya sampel sel yang terjangkit – dibandingkan dengan sampel normal untuk mengenalpasti tapak jalan biologi yang berkaitan jangkitan penyakit tersebut. Selain itu, pengubahsuaian protein juga boleh dikaji menggunakan pendekatan proteomik untuk melihat hubungkait di antara perubahan jujukan dan aktiviti protein tersebut. Contoh pengubahsuaian pada protein adalah seperti proteolisis, glikosilasi, fosforilasi, serta penambahan nitrisil dan ubiquitin. Proses ini memberi kesan pengaktifan, penyahaktifan, pengangkutan kepada bahagian sel tertentu, atau pelupusan.

Proteomik struktur pula menggunakan kaedah in silico (menggunakan komputer) dengan menggunakan pemodelan perbandingan (comparative modelling). Struktur protein yang dikaji akan diramalkan menggunakan perbandingan jujukan protein dikaji dengan model protein rujukan. Antara perisian komputer yang digunakan bagi memodelkan protein ialah MODELLER dan AlphaFold. Selepas model protein diramalkan, struktur ini digunakan untuk melihat interaksi dengan protein yang lain menggunakan perisian tambahan seperti AutoDock. Kemudian, ramalan interaksi di antara dua protein atau lebih ini boleh diperkukuh dengan kaedah in vitro (luar organisma hidup) dinamakan asai yis dua hybrid (yeast two-hybrid assay).

Metabolomik

Metabolomik memproses data metabolom dengan menggunakan teknologi MS. Metabolit merujuk kepada molekul kecil yang terlibat dalam proses metabolisme dalam sesuatu sel. Kajian metabolomik bertujuan untuk mencari metabolit yang mempunyai kandungan berbeza dalam suatu keadaan tertentu, atau menstrukturkan metabolit baharu. Metabolit yang dianalisis dalam kajian metabolomik termasuklah asid amino, asid lemak, karbohidrat, dan pelbagai produk daripada kefungsian metabolik sel pada satu-satu masa. Tahap dan nisbah metabolit mencerminkan fungsi mereka, di mana tahap dan nisbah di luar ‘normal’ boleh dijadikan penanda bagi mengisyaratkan keadaan tertentu yang dikaji. Bagi metabolit baharu, mesin resonans magnet nukleus (nuclear magnetic resonance (NMR)) digunakan untuk memetakan resonans magnet metabolit di samping meramalkan struktur metabolit baharu tersebut.

Omik-Omik Lain

Selain daripada omik yang telah dibincangkan, semakin banyak cabang-cabang yang terbentuk berdasarkan pendekatan teknologi yang sama. Di antara contoh ialah epigenomik, metagenomik/mikrobiomik dan viromik. Epigenomik berfokuskan protein dan RNA yang mengubahsuai struktur genom tanpa mengubah jujukan genom tersebut. Contoh termasuk protein yang berkaitan DNA/RNA seperti pemetil DNA atau pengasitil histon (DNA methylator or histone acetylator). Pengubahsuaian pada histon dan DNA ini mengawal akses komponen-komponen transkripsi gen justeru mengawal penghasilan gen tersebut dan seterusnya, aktiviti sel. Perubahan pada elemen epigenom ini boleh menjelaskan proses seseorang anak yang mewarisi sebahagian ciri-ciri fizikal daripada sebelah ibu, dan sebahagian lain daripada bapa. Proses yang dinamakan penaggapan genom (genomic imprinting) juga boleh berubah akibat faktor persekitaran dan akhirnya mewujudkan perbezaan ciri etnik-etnik manusia. Kajian epigenomik menggunakan teknologi penjujukan DNA sama seperti kaedah genomik.

Mikrobiomik yang juga dikenali sebagai metagenomik ialah kajian keseluruhan yang dijalankan ke atas kesemua organisma mikro di dalam sesuatu komuniti. Contoh termasuklah pada kulit manusia, permukaan mukosa, dan usus yang mengandungi organisma mikro seperti bakteria, virus, kulat (fungi), yang secara kolektifnya digelar mikrobiota (kandungan gen mikrobiota pula digelar mikrobiom). Mikrobiom manusia adalah terlalu kompleks; contoh: usus mengandungi kira-kira 100 trilion bakteria daripada 1000 spesis berbeza. Mikrobiota dalam setiap individu berbeza kerana beberapa faktor seperti pemakanan, persekitaraan, ubat-ubatan, dan umur. Terdapat kajian yang menjelaskan perkaitan di antara perubahan/gangguan dalam mikrobiota usus dengan keadaan kesihatan termasuk diabetes, obesiti, kanser, penyakit jantung, serta autism. Analisis mikrobiomik membuka ruang baharu pada kaedah rawatan terperibadi di mana doktor mampu memberikan preskripsi ubat berdasarkan profil mikrobiota pesakit. Mikrobiomik mengguna pakai mesin penjujukan DNA sama seperti kaedah genomik.

Viromik ialah kajian virus pada skala genom dan populasi keseluruhan. Kajian terhadap organisma ini semakin mendapat tempat apabila semain banyak maklumat berkaitan genom virus yang berjaya direkodkan. Kaedah genomik membolehkan genom virus dikesan, direkod, dan diakses secara menyeluruh pada kos yang berpatutan. Viromik digunakan dalam diagnostik, pengesanan, rawatan, epidemiologi, dan patogenesis. Selepas virus-virus ini dikaji dengan menyeluruh, maka pembangunan strategi perlindungan daripada penyakit dapat dilaksanakan dengan lebih tepat dan teliti.

Manfaat Omik Terhadap Bioteknologi

Sumbangan terbesar omik adalah kemampuan data pemprosesan tinggi yang membolehkan pencarian gen, protein, serta metabolit yang akan berpotensi menjadi penawar penyakit, racun perosak, perawat pencemaran, dan sebagainya. Pengenalpastian gen, protein, dan elemen pengawalan proses untuk menghasilkan molekul bernilai dapat dilakukan dengan menyeluruh dalam sesuatu kajian dengan menggabungkan kaedah-kaedah omik berbeza. Pemahaman secara holistik ini akan membantu para saintis untuk menuai hasil penyelidikan yang mempunyai potensi besar dalam pembangunan ekonomi negara. Bukan sahaja teknologi omik ini dapat memacu perkembangan penyelidikan negara dengan penemuan terkini, malah penghasilan paten akan memastikan para saintis negara kekal kompetitif dan terkehadapan di persada global.

Rujukan: