KOMPUTER DNA
Komputer dan DNA… dua istilah yang biasanya dipergunakan dalam
konteks yang sangat berbeda. DNA merupakan istilah favorit di dunia
biologi dan
genetik, sedangkan komputer justru populer dalam dunia informatika
dan
teknologi modern. Lalu apa hubungan antara keduanya? Siapa pula
yang punya
ide gila untuk membuat komputer DNA?
Alkisah ada seorang ilmuwan komputer yang bekerja di University of
Southern California, bernama Leonard M. Adleman. Suatu malam
Adleman
sedang asyik membaca buku biologi, Molecular Biology of the Gene,
yang ditulis
oleh James Watson, ahli biologi yang pernah memenangkan Nobel pada
tahun
1962 atas penemuan struktur DNA Double-Helix pada tahun 1953. Ia
sangat
terpesona dengan isi buku tersebut, sampai-sampai ia tidak bisa
tidur malam itu.
Bayangan rantai DNA yang berpilin terus saja mengusik pikirannya.
Tiba-tiba
Adleman lompat dari tempat tidurnya. Terjadi pencerahan! Ia
menyadari sesuatu
yang sangat menarik: Sel hidup manusiamengolah dan menyimpan
informasi
dengan cara yang sangat mirip dengan program komputer!
Gambar 1 Deoxyribosenucleic
Acid(DNA) dengan struktur Double-Helix
Malam itu juga Adleman langsung membuat sketsa penting tentang DNA
Computer(Komputer DNA). Komputer yang kita kenal sehari-hari
menggunakan
data biner (binary data) untuk menyimpan dan mengolah
informasi/perhitungan.
Data biner ini merupakan sistem angka berbasis dua, yaitu 0 dan 1.
DNA,
singkatan dari Deoxyribosenucleic Acid, menyimpan dan mengolah
informasi
genetika manusia dalam molekul-molekul yangdiberi kode huruf A, C,
T, dan G.
A merupakan inisial untuk Adenine, C untuk Cytosine, T untuk
Thymine, dan G
untuk Guanine. Adeninehanya bisa berpasangan dengan Thymine,
Guaninehanya
bisa berpasangan dengan Cytosine. Ini berarti bahwa jika ada satu
rantai DNA
yang memiliki kode AACTAGGTC maka pasangannya pasti TTGATCCAG.
Kedua rantai itu akan berpasangan dan membentuk struktur berpilin
yang kita
kenal sebagai Double-Helix. Enzim dalam sel hidup membaca data-data
genetik
yang tersimpan dalam DNA (dalam bentuk kode A, C, T, G tadi)
menggunakan
cara yang sangat mirip dengan cara komputermembaca data biner.
Analogi antara
keduanya inilah yang dimanfaatkan dalam komputer DNA. Pada tahun
1994
untuk pertama kalinya Adleman mempublikasikan perhitungan dasar
komputer
DNA dalam jurnal ilmiah Science. Sejak itu ilmuwan-ilmuwan seluruh
dunia
berbondong-bondong melakukan penelitian untuk mengembangkan komputer
canggih yang sistemnya meniru dari sel makhluk hidup ini. NASA,
Pentagon, dan
banyak lagi lembaga dan agen federal berlomba-lomba mengucurkan
dana untuk
penelitian yang bisa menghasilkan DNA sintetik yang kemudian
digunakan untuk
penelitian yang berusaha mengembangkan sistem komputer masa depan
ini.
Adleman berhasil membuktikan pemikirannya bahwa DNA bisa
‘berhitung’. Ia menggunakan masalah perhitungan matematika yang
dikenal
sebagai Travelling Salesman Problem(TSP), yaitu masalah klasik yang
mencoba
mencari rute terpendek yang bisa dilalui seorang salesmanyang ingin
mengunjungi beberapa kota tanpa harus mendatangi kota yang sama
lebih dari
satu kali. Jika jumlah kota yang harus didatangi hanya sedikit,
misalnya hanya ada
5 kota, maka permasalahan ini dapat dipecahkan dengan sangat mudah.
Kita
bahkan tidak memerlukan komputer untuk menghitungnya. Tetapi
masalahnya
jadi rumit jika ada lebih dari 20 kotayang harus didatangi. Ada
begitu banyak
kemungkinan yang harus dicoba dan diuji untuk menemukan jawabannya.
Komputer DNA yang dibuat oleh Adleman berhasil memecahkan
perhitungan ini
dengan menggunakan 7 kota sebagai percobaan awal. Masing-masing
kota dan
semua kemungkinan rute dilambangkan oleh satu rantai DNA yang
masingmasing memiliki kode yang spesifik. Semua rantai DNA ini kemudian
direaksikan
dan membentuk rantai double-helix secara alamiah. Rantai-rantai
yang sudah
berpasangan ini melambangkan semua kemungkinan rute. Untuk mencari
rute
yang benar, Adleman menambahkan enzim yang secara alamiah
menghancurkan
molekul yang melambangkan rute yang salah. Satu-satunya rantai yang
tersisa
adalah rantai yang melambangkan jawaban yang dicari, yaitu rute
terpendek yang
menghubungkan ketujuh kota tersebut tanpa harus melewati
masing-masing kota
lebih dari satu kali. Komputer DNA ciptaan Adleman berhasil
menyelesaikan
perhitungan TSP untuk 7 kota ini dalam waktu beberapa hari. Padahal
komputer
biasa yang kita gunakan sehari-hari bisamenyelesaikannya hanya
dalam hitungan
menit. Lho? Komputer masa depan tetapijustru kalah dengan komputer
klasik?
Jadi untuk apa para ilmuwan di seluruh dunia berlomba-lomba
mengembangkan
komputer DNA ini?
Ada satu rahasia yang merupakan keunggulan utama komputer DNA.
Enzim-enzim yang terlibat bekerja secara paralel. Komputer klasik
membaca dan
mengolah data secara linier (berurutan).Melibatkan data dalam
jumlah besar,
komputer klasik akan sangat kerepotanmengolah data-data yang luar
biasa
banyaknya. Proses perhitungan membutuhkan waktu sangat lama karena
dilakukan satu per satu. Di sinilah keunggulan komputer DNA! Untuk
jumlah data
yang sangat banyak, komputer DNA dapat melakukan perhitungan jauh
lebih
cepat karena semua prosesnya dilakukan secara paralel (bersamaan).
Ukuran
molekul DNA yang sangat kecil juga merupakan keunggulan komputer
masa
depan ini. 1 gram DNA yang sudah dikeringkan memiliki kapasitas
menyimpan
informasi dalam jumlah yang sama dengan 1 trilyun CD (Compact Disc).
Padahal
1 gram DNA kering itu ukurannya hanya sebesar butiran gula pasir!
Dengan
semakin majunya perkembangan teknologi, jumlah data dan informasi
pun
semakin bertambah. Lama-kelamaan, data yang berlimpah ini tidak
dapat lagi
disimpan dalam memory chipkomputer yang terbuat dari silikon
seperti yang
selama ini kita gunakan. DNA merupakan alternatif yang sangat
menjanjikan.
Lagipula, microprocessoryang kita gunakan dalam komputer klasik
biasanya
terbuat dari bahan-bahan yang bersifat racun sehingga mengotori
udara dan
lingkungan. Biochip(chipbiologis) yang terbuat dari DNA merupakan
teknologi
yang ‘bersih’. Kita juga tidak akan pernah kehabisan DNA selama
masih ada selsel makhluk hidup. Ini menjadikannya sumber daya yang sangat
murah.
Dalam beberapa tahun terakhir teknologi komputer DNA menunjukkan
perkembangan yang sangat menggembirakan. Komputer DNA buatan
Adleman
mereaksikan cairan DNA dalam tabung-tabungreaksi. Pada bulan
Januari 2000
jurnal ilmiah Naturemempublikasikan keberhasilan para ilmuwan di
University of
Wisconsindi Madison yang melekatkan DNA pada permukaan padat gelas
dan
emas. Ini berarti komputer DNA dapat dibuat dalam bentuk
chippadatan yang
mirip dengan chipkomputer konvensional. Pada tahun 2001, seorang
ilmuwan
dari Weizmann Instituteof Sciencedi Israel, Ehud Shapiro,
mendapatkan paten
atas komputer DNA yang dibuatnya. Komputer DNA buatan Shapiro ini
hanya
terdiri dari satu tetes air
saja. Komputer terkecil di dunia ini menggunakan
molekul-molekul DNA dan enzim-enzimnya dalam satu tetes air
tersebut sebagai
sarana input(masukan data), output(keluaran data),
software(perangkat lunak),
dan hardware(perangkat keras). Pada bulan Februari 2003, penemuan
ini
akhirnya tercatat dalam Guinness World Recordssebagai ‘The Smallest
Biological
Computing Device’ atau Komputer Biologis Terkecil di Dunia.
Hebatnya lagi,
komputer super mini ini memiliki kecepatan 100.000 kali lebih cepat
dari
komputer konvensional tercanggih yang ada saat ini! (Yohanes Surya)
Di era modern saat ini, perkembangan teknologi seakan tidak dapat
dihentikan, tiap detik dalam kehidupan, ide – ide akan teknologi baru yang
mutakhir serta efektif dan efisien terus dibentuk, hal tersebut juga terjadi
pada teknologi komputer, kehandalan, kecepatan serta kemampuan teknologi
komputer terus dituntut untuk terus maju, dari mesin pengolahnya, hingga media
penyimpanannya.
Media penyimpanan komputer juga tidak kalah saing, produsen teknologi terus
memberi inovasi dan kondisi yang ekstrim untuk bersaing dalam keefektifan serta
keamanan sebuah media penyimpanan yang akan diproduksi, dari segi kapasitasnya,
dahulu yang hanya menggunakan pita (disket) yang memiliki kemampuan menyimpan
data sebanyak beberapa kb saja, namun terus berkembang ke flashdisk, harddisk
dan sebagainya, yang mampu menyimpan data dari beberapa Terabyte bahkan bisa
mencapai puluhan PetaByte (1 Peta = 1024 TeraByte, 1 TeraByte = 1024 GigaByte.
Nick goldman
Tidak hanya mementingkan kapasitas penyimpanan, bentuk media penyimpanan
pun dibuat sedemekian menarik dan sedemikian bentuk pula, keamanan media
penyimpanan tersebut pun seakan dinomor satukan, berbagai macam cara dan trik
diterapkan agar data yang disimpan aman dan terhindar dari hal yang tidak
diinginkan.
Namun sejenak terpikir didalam benak kita, apakah media penyimpanan hanya
berbentuk hardware saja? Adakah media penyimpanan lain yang lebih hebat dan
efisien?
Para peneliti juga telah memikirkan hal semacam itu, terlepas dari
perangkat keras, kemampuan cahaya juga dapat dimanfaatkan dalam media
penyimpanan, dengan logika gelap dan terangnya, dan yang paling menarik yakni
ide menyimpan data dengan menggunakan genetik, atau disebut juga dengan Bio
Disk, yakni penyimpanan data dalam organisme hidup (biostorage), seperti
bakteri, DNA dan sebagainya. Ide menyimpan data di dalam Bio Disk sudah
terlintas sekitar satu dekade terakhir. Pertimbangannya, organisme yang paling
sederhana sekalipun memiliki untaian DNA panjang yang bisa menyimpan enkripsi
data.
Selain itu, secara alamiah, Bio Disk jauh lebih tahan terhadap kerusakan
dibanding media penyimpanan elektronik manapun. Ia sanggup bertahan dari berbagai
macam bencana yang dapat menghancurkan harddisk atau media penyimpanan lainnya.
Media Penyimpanan genetik atau bio disk adalah media penyimpanan dalam organisme hidup (biostorage), atau disebut
Bio Disk
yang Terbilang masih sangat muda dalam bidang Teknologi Penyimpanan data
serta enskripsi informasi dalam organisme hidup (biostorage). Komputasi
biomolekuler telah muncul sebagai bidang yang menarik bersama biologi
molekuler, kimia, ilmu komputer dan matematika. Pengetahuan kita tentang DNA
nanoteknologi dan komputasi biomolekuler meningkat secara eksponensial dengan
melewati setiap tahun. Pertemuan tahunan internasional di lapangan dimulai pada
tahun 1995 tepat setelah karya monumentalnya oleh L. Adleman yang mempublikasikan
perhitungan dasar komputer DNA dalam jurnal ilmiah Science.
Kini, sebuah tim peneliti di chinese University hongkong, mengklaim telah
berhasil mengkodekan persamaan Teori Relativitas Einstein (E=MC2) dalam DNA bakteri pada 2007 lalu. Selain itu, mereka juga mampu
memetakan DNA bakteri tersebut, sehingga informasi yang disimpan bisa ditemukan
dengan mudah. Ini membuka peluang penyimpanan data selain teks, yaitu gambar, musik,
bahkan video.
Tidak seperti media penyimpanan lainnya, Bio Disk atau bakteri memiliki
beberapa keunggulan yang membedakannya dari media penyimpanan biasa, yakni:
a. Melimpahnya bahan baku yang sangat tahan banting. Bakteri bisa ditemukan di
mana saja dan mampu bertahan hidup bahkan dari bencana ledakan nuklir.
b. Umur penyimpanan data yang
sangat lama. Karena bakteri terus bereproduksi dan data yang tersimpan di DNA
mereka akan diteruskan ke generasi berikutnya, data tersebut masih akan
bertahan sampai ribuan tahun kemudian.
c. Dan yang terakhir, keamanan data. Tidak perlu khawatir terhadap serangan
hacker karena karena bakteri tidak bisa di-hack. Selain itu, bakteri tidak
membutuhkan listrik seperti peralatan elektronik.
Jika dihitung – hitung
besarnya hard drive computer saat ini, angka yang paling besar yang umum
digunakan saat ini adalah 2 TB (setara dengan 2000 GB), misalkan kita perlu
menyimpan data sebesar 900,000 GB, kita memerlukan 450 X 2 TB hard drive. Jika
masing-masing beratnya sekitar 3 kilogram, berat totalnya adalah lebih dari
satu ton. Belum lagi ukuran ruang yang diperlukan untuk meletakkan semuanya.
Tetapi setelah penelitian ini, kita bisa menyimpan 900.000 GB (900 TB) data
hanya dalam satu gram bakteri E.Coli.
2.1 Bakteri Escherichia Coli
Sebagai organisme yang paling banyak dipelajari umat manusia, bakteri Escherichia
Coli ternyata juga merupakan organisme penyimpanan data yang luar biasa,
seperti yang disinggung sebelumnya, 1 gram E. coli mampu tampung 900TeraByte
data dan itu lebih efisien dari harddisk.
Para peneliti asal Hong Kong telah menemukan cara untuk menyimpan data di
dalam DNA bakteri. Ternyata, bakteri yang digunakan sebagai sampel, bakteri E.
coli mampu menyimpan hingga 900 ribu gigabyte atau 900 terabyte data. Dalam uji
coba awal, seperti dikutip dari i09, 15 Desember 2010, peneliti meng-encode
sebuah pesan singkat ke dalam sebuah vektor bersama dengan dua pengulangan yang
dibalik.
Kemudian, peneliti mendesain sebuah primer yang menarget pesan yang sudah
di-encode baik dalam orientasi normal ataupun dalam orientasi tambahan yakni
yang sudah dibalik.
Kedua set primer tersebut bisa digunakan untuk meng-generate produk PCR
(Polymerase Chain Reaction). Ini mengindikasikan bahwa pesan ter-encode hadir
di pesan yang sudah direkombinasi dan di dalam bentuk normal. Hasil ujicoba
pengulangan juga mengonfirmasikan akurasi produk PCR yang bersangkutan.
Peluang dari penggunaan bioteknologi ini sendiri sangat luar biasa.
Peneliti menemukan, satu gram sek bakteri E. coli mampu menyimpan hingga 900
ribu gigabyte atau 900 terabyte data. Artinya, bakteri mampu menyimpan hampir
500 kali lipat lebih banyak dibandingkan harddisk terbesar saat ini.
Sebagai contoh, harddisk komputer desktop berkapasitas 1,5 terabyte saat
ini umumnya memiliki bobot seberat 1 kilogram. Jika harddisk itu terbuat dari
bakteri, maka kapasitasnya menjadi 900 petabyte.
Namun timbul pertanyaan, apakah menggunakan bakteri E. coli untuk menyimpan
data tidak berpotensi menimbulkan penyakit dan menurut para peneliti, hal
tersebut tak perlu dikhawatirkan. Peneliti sudah menemukan rangkaian
non-virulent dari bakteri tersebut. Bakteri E. coli yang digunakan sudah
didesain sedemikian rupa sehingga hanya berfungsi menyimpan data di DNA dan
melakukan reproduksi, dan DNA yang digunakan tidak meng-encode protein yang
berpotensi berbahaya.
Berpedoman pada
pemikiran sekelompok peneliti asal The Chinese University of Hong Kong mencari
cara bagaimana menyimpan data ke dalam DNA bakteri. Ternyata tidak sulit. Pada
bakteri, ada empat basis DNA yang bisa digunakan untuk membuat untaian DNA
yakni Adenine (A), Cytosine (C), Guanine (G), dan Thymine (T). Artinya,
penyimpanan akan menggunakan sistem angka basis empat.
Angka basis 4 ini kemudian diubah ke
dalam sistem DNA yang menggunakan kode A, T, C, dan G di mana A menggantikan
angka 0, T menggantikan 1, C menggantikan angka 2, dan G pengganti angka 3.
Dalam Pemrosesannya, data akan mengalami tahap – tahap :
Encode
Synthesize
Sequence
Decode
1. ENCODE
proses pegkodean
Data yang akan disimpan
dalam DNA, akan terlebih dahulu mengalami beberapa tahap pengkodean.
Contoh :
mengubah kata “iGEM” ke
dalam kode yang siap disimpan dalam DNA, Mereka menggunakan tabel ASCII untuk
mengonversi setiap huruf ke dalam nilai numerik. Dalam hal ini, digunakan
huffman kode. Jadi, Misalnya i = 105, G = 71, dan seterusnya. Angka ini
kemudian diubah menjadi penomoran basis 4 yakni 105 menjadi 1221, 71 menjadi
0113 dan seterusnya. Angka basis 4 ini kemudian diubah ke dalam sistem DNA yang
menggunakan kode A, T, C, dan G,
sehingga , kata iGEM
disimpan di dalam DNA sebagai ATCTATTGATTTATGT.
Berikut gambar Pengkodean
Digital dalam DNA
Keterangan:
(Dengan warna biru) Di
sini digit biner memegang kode ASCII untuk bagian dari Shakespeare soneta 18,
diubah ke basis-3.
(warna merah)
Menggunakan kode Huffman yang menggantikan setiap byte dengan lima atau enam
basis-3 digit (trits). Hal ini pada gilirannya dikonversi in silico ke kode DNA
kita
(Warna hijau) Dengan
penggantian setiap trit dengan salah satu dari 3 nukleotida yang berbeda dari
yang sebelumnya digunakan, memastikan tidak ada homopolimer yang dihasilkan.
Ini membentuk dasar untuk sejumlah besar tumpang tindih segmen panjang 100
basis dengan tumpang tindih dari 75 pangkalan, menciptakan redundansi empat
kali lipat
Dengan segmen
alternatif terbalik dilengkapi untuk data keamanan tambahan, ungu). Kode DNA
Indexing ditambahkan (kuning), juga dikodekan sebagai nukleotida DNA
non-berulang.
2. SYNTHESIZE
Data yang sudah selesai
di enskripsi, dan siap untuk disimpan dalam DNA, memasuki proses synthesize,
dimana proses ini adalah penempatan data pada sel – sel bakteri.
Dalam pemrosesannya,
peneliti membuat tiga struktur bagian untuk seluruh DNA yakni header, message,
dan checksum.
Keterangan:
Data disintesis
DNA dengan menggunakan proses yang tersedia secara komersial dikembangkan oleh
Agilent Technologies, proses ini mirip dengan jet tinta cetak kecuali empat
kartrid warna diganti dengan empat kartrid nukleotida.
Tumpukan warna di
piring adalah untai DNA dan nukleotida ditambahkan oleh nukleotida
"ink-jet" yang melayang di atas piring, dengan proses inilah data
ditempatkan pada sel – sel bakteri.
3. SEQUENCE
Data yang telah
disimpan dalam bakteri, dapat diambil kembali melalui proses Sequence, dimana
Sebuah decrypter akan mengambil DNA dan menjalankannya pada sebuah teknologi
yang disebut next-generation high-througput sequencing (NGS). Tipe sequencing
ini dapat menganalisa dan membandingkan banyak copy dari sequence yang sama dan
menggunakan modus terbanyak untuk mengetahui basis data mana yang benar dan
data mana yang telah mengalami perubahan. Setelah itu, algoritma kompresi akan
dibalikkan untuk mengembalikan data mentah ke dalam bentuk aslinya.
Keterangan:
Untai awal DNA
beruntai ganda dipanaskan sampai memisahkan dua helai (warna biru) dan kemudian
didinginkan untuk memungkinkan taq polimerase (dalam warna hijau dan pink)
untuk melampirkan kedua untai, Taq polymerase membangun untai komplementer
(garis berlekuk-lekuk biru) dalam 5 'ke 3' arah dan setelah itu dilakukan
dengan proses berulang, DNA ini kemudian diurutkan oleh suatu proses yang juga
dikembangkan oleh Agilent Technologies.
4. DECODE
Proses Decode adalah
penyusunan kembali pecahan-pecahan data dalam urutan yang benar agar rangkaian
DNA tersebut bisa diterjemahkan kembali menjadi data yang dapat digunakan.
Sampai tahap ini, data
sudah disimpan dalam bentuk enkripsi, untuk mengembalikan data kembali utuh
seperti semula, diperlukan semacam kata sandi untuk menyusunnya kembali, karena
data yang disimpan dapat dienkripsi–diacak sehingga tidak dapat dibaca tanpa
memasukkan semacam kata sandi.
Dengan menggunakan cara
tersebut berhasil menyimpan data bakteri E.coli. Dalam uji coba, data sebesar
90 gigabita (gigabyte) disimpan dalam 1 gram bakteri yang setara dengan 100
juta sel. Data yang disimpan
dapat dienkripsi–diacak sehingga tidak dapat dibaca tanpa memasukkan semacam
kata sandi.
Prinsip akses data terjadi karena adanya kemiripan Antara Kode Genetik dan
Kode Komputer. Proses pemrograman komputer saat ini didasarkan atas satu konsep
sederhana yang diusulkan oleh Alan Turing, yang kemudian dinamakan Mesin
Turing. Dalam Mesin Turing, tiga komponent utama.
(1) kode data, yang
ditulis dalam pita yang panjang;
(2) Peralatan IO (I/O),
untuk membaca data dari pita dan menulis ke pita;
(3) pusat pengolahan
untuk mengolah data.
Secara sederhana
begitu, misalnya seorang mau menyuruh komputer menghitung 2+3. Dia menulis data
di pita yang artinya: operasi penjumlahan, angka pertama (yaitu 2), angka kedua
(yaitu 3). Lalu mesin komputer sederhana itu membaca dari pita, menghitung
hasilnya, dan menulis hasil penjumlahan (yaitu 5) ke pita lagi.
Demikian juga sebuah sel makluk hidup, komponen-komponennya mirip dengan
Turing Machine, yaitu:
(1) kode data, ditulis
dalam rantai DNA yang panjang;
(2) Alat penyalin
(transcription), yaitu molekul RNA, untuk "membaca" kode dan
membawanya ke tempat lain untuk digunakan;
(3) Mesin Pembuat
Protein, proses dimana kode rumusan dari DNA digunakan untuk membuat protein.
Proses ini dilakukan
oleh ribosome. Kita lihat, kode dalam DNA itu seperti buku resep untuk semua
jenis protein yang dibutuhkan untuk membangun tubuh makluk hidup. Kode itu akan
disalin ulang lagi untuk memproduksi protein setiap kali dibutuhkan.
.jpg)
