KOMPUTER BIO DNA

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)

Teknologi Masa Depan - Memory penyimpanan DNA

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.

Memori DNA Bakteri Eschericia Coli

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.

Proses Logika Penyimpanan Genetik (DNA)

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.

Akses dan Penyimpanan Memori DNA Disk

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.