REVOLUSI PENDETEKSI MIKROORGANISME MASA KINI MELALUI APLIKASI TEKNOLOGI NANO (NANOTECHNOLOGY)

Revolusi Pendeteksi Mikroorganisme Masa Kini Melalui Aplikasi Teknologi Nano (Nanotechnology)

PENDAHULUAN

Pertumbuhan teknologi pada zaman ini sangat pesat, apalagi teknologi bisa membantu pekerjaan manusia agar sedikit lebih ringan. Semua negara berkembang seakan berlomba mengeluarkan teknologi terbaru hasil buatan mereka. Bahkan hampir setiap tahun mereka selalu mengeluarkan teknologi terbaru buatan mereka. Negara-negara maju sekarang ini mulai menggunakan Mikroteknologi dan Nanoteknologi dalam setiap teknologi baru mereka.

Mikroteknologi adalah suatu teknologi yang ukurannya mendekati skala satu mikro. Pada awalnya mikroteknologi digunakan pada sebuah chip yang didalamnya terdapat sirkuit mikroelektronik yang bisa meningkatkan fungsi dan performanya. Bahkan karena bentuknya yang kecil, mikroteknologi tidak memerlukan tempat yang besar. Dalam industri sendiri, mikroteknologi juga bisa mengurangi biaya dan meningkatkan volume produksi. Bahkan bisa dikatakan mikroteknologi ini merupakan awal dari pengembangan teknologi  yang memicu para ilmuwan untuk membuat teknologi yang lebih canggih dan lebih kecil dari mikroteknologi. Seiring berjalannya waktu, para ilmuwan akhirnya berhasil membuat sebuah teknologi yang lebih kecil dari mikroteknologi yaitu nanoteknologi.

Nanoteknologi adalah sebuah teknologi yang ukurannya dalam skala nanometer, yang biasanya berukuran 0,1 sampai 100 nm. Satu nanometer sama dengan seperseribu mikrometer atau sepersejuta milimeter. Bisa dikatakan nanoteknologi adalah penyempurnaan dari mikroteknologi, yang lebih canggih dan lebih kecil. Nanoteknologi kadang disamakan dengan nanoteknologi molekul, yang dikenal juga sebagai “MNT”.

TEKNOLOGI NANO (NANOTECHNOLOGY)

Pertama kali konsep nanoteknologi diperkenalkan oleh Richard Feynman pada sebuah pidato ilmiah yang diselenggarakan oleh American Physical Society di Caltech (California Institute of Technology), 29 Desember 1959, dengan judul “There’s Plenty of Room at the Bottom”. Istilah nanoteknologi pertama kali diresmikan oleh Prof. Norio Taniguchi dari Tokyo Science University tahun 1974 dalam makalahnya yang berjudul “On the Basic Concept of Nano-Technology”, Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering, 1974. Pada tahun 1980an definisi Nanoteknologi dieksplorasi lebih jauh lagi oleh  Dr. Eric Drexler melalui bukunya yang berjudul “Engines of Creation:  The Coming Era of Nanotechnology”.

Teknologi nano atau Nanotechnology sekarang makin pesat perkembangannya. Teknologi nano adalah pembuatan dan penggunaan materi atau devais pada ukuran sangat kecil. Materi atau devais ini berada pada ranah 1 hingga 100 nanometer (nm). Satu nm sama dengan satu-per-milyar meter (0.000000001 m), yang berarti 50.000 lebih kecil dari ukuran rambut manusia. Sehingga teknologi ini juga berkaitan dengan penciptaan benda-benda kecil. Di dalamnya tergabung ilmu fisika, teknik, biologi molekuler, serta kimia.

Gambar 1. Perbandingan partikel nano dan rambut manusia (Satu nanometer berukuran sepermilyar meter, atau sepersejuta milimeter = ukuran 1/50.000 kali diameter rambut manusia).

Ilmuwan menyebut ukuran pada ranah 1 hingga 100 nm ini sebagai skala nano (nanoscale), dan material yang berada pada ranah ini disebut sebagai kristal-nano (nanocrystals) atau material-nano (nanomaterials). Tetapi, sebenarnya tidak semua teknologi nano tersebut benar-benar nano. Ada yang aslinya menangani struktur ukuran mikron atau satu per satu juta meter, seperseribu, dan yang lebih besar daripada nano lainnya. Teknologi nano pada kebanyakan kasus juga bukan benar-benar teknologi. Tetapi, lebih berupa penelitian dasar terhadap aneka struktur dengan dimensi satu sampai ratusan nanometer.

Alam telah banyak menciptakan struktur nano. Tetapi, definisinya yang lebih tepat mungkin seperti yang disampaikan Mihail C. Rocco dari National Science Foundation (NSF) di Amerika Serikat. Menurut Mihail dalam situs sciam.com, teknologi nano memiliki sejumlah unsur penting, dimensinya antara satu sampai 100 nanometer, didesain melalui proses pengontrolan bahan kimia dan fisika, serta bisa digabungkan membentuk struktur lebih besar.

Gambar 2. Ukuran berbagai jenis “benda”

Skala nano terbilang unik karena tidak ada struktur padat yang dapat diperkecil. Hal unik lainnya adalah bahwa mekanisme dunia biologis dan fisis berlangsung pada skala 0.1 hingga 100 nm. Pada dimensi ini material menunjukkan sifat fisis yang berbeda, sehingga ilmuwan berharap akan menemukan efek yang baru pada skala nano dan memberi terobosan bagi teknologi.

Beberapa terobosan penting telah muncul dibidang nanoteknologi. Pengembangan ini dapat ditemukan pada berbagai produk yang digunakan di seluruh dunia. Sebagai contohnya adalah katalis pengubah pada kendaraan yang mereduksi polutan udara, devais pada komputer yang membaca dari dan menulis ke hard disk, beberapa pelindung terik matahari dan kosmetik yang secara transparan dapat menghalangi radiasi berbahaya dari matahari, dan pelapis khusus pakaian dan perlengkapan olahraga yang dapat meningkatkan kinerja dan performa atlit. Hingga saat ini para ilmuwan yakin bahwa mereka baru menguak sedikit dari potensi teknologi nano.

Teknologi nano saat ini berada pada masa pertumbuhannya, dan tidak seorang pun yang dapat memprediksi secara akurat apa yang akan dihasilkan dari perkembangan penuh bidang ini di beberapa dekade kedepan. Meskipun demikian, para ilmuwan yakin bahwa teknologi nano akan membawa pengaruh yang penting di bidang medis dan kesehatan, produksi dan konservasi energi, kebersihan dan perlindungan lingkungan, elektronik, komputer dan sensor, serta keamanan dan pertahanan dunia.

Gambar 3. Prototype nanotechnology

Pada september 2009, seperti dikutip sciencedaily.com, biosensor berbasis nano dapat mendeteksi bakteri secara langsung tanpa melalui proses laboratorium terlebih dahulu. Sekelompok peneliti dari Rovira Virgili University (URV), Tarragona, mengembangkan biosensor yang dapat mendeteksi secara cepat Salmonella typhii, bakteri yang menyebabkan penyakit tipus. Biosensor merupakan alat yang mengenali target molekul dalam suatu sampel dan kemudian dapat menerjemahkan konsentrasi senyawa yang ada dalam sampel tersebut. Teknik biosensornya menggunakan carbon nanotube dan fragmen DNA sintetis yang mengaktivasi sinyal elektrik saat perangkat itu bertemu dengan patogen.

Penciptaan fragmen mini dalam DNA artifisial diperlukan agar nantinya desain DNA itu dapat diikatkan dengan molekul spesifik, sel atau mikroorganisme yang dalam kasus ini ialah Salmonella typhii. Kronologisnya, jika bakteri tidak ditemukan, fragmen mini akan tetap berada dalam dinding carbon nanotube. Namun jika alat mampu mendeteksi, fragmen mini akan aktif dan melekat pada molekul tersebut. Carbon nanotube berfungsi membangkitkan sinyal elektrik yang diambil dari potensiometer yang terkoneksi dengan biosensor.

Kehadiran bakteri akan mengubah interaksi antara fragmen mini dan nanotube, yang berarti posisi fragmen mini akan terelokasi dalam beberapa detik serta mampu meningkatkan voltase elektroda.

Biosensor memerlukan tiga unsur utama, yaitu unsur biologi (reseptor biologi), transduser, dan sistem elektronik pemproses sinyal. Unsur biologi yang umumnya digunakan dalam mendesain suatu biosensor berupa enzim, organel, jaringan, antibodi, bakteri, jasad renik, dan DNA. Unsur biologi harus terimobilisasi pada suatu transduser dan juga spesifik terhadap satu molekul yang hendak dianalisis. Imobilisasi dapat dilakukan dengan berbagai cara, diantaranya penyerapan fisik, memakai media membran atau perangkap matriks, serta membuat ikatan kovalen antara biomolekul dengan transduser.

Adapun transduser memiliki ragam pilihan berbeda, yakni transduser elektrokimia, optoelektronik, kristal piezoelektronik, field effect transistor, dan temistor. Proses yang terjadi dalam transduser bisa berupa calorimetric biosensor, potentiometric biosensor, amperometric biosensor, optical biosensor, maupun piezo electric biosensor. Dalam proses kerjanya, senyawa aktif biologi itu akan berinteraksi dengan molekul yang akan dideteksi. Molekul yang dideteksi tersebut dikenal sebagai molekul sasaran.

Hasil interaksi yang berupa besaran fisik, seperti panas, arus listrik, potensial listrik atau lainnya akan dimonitor oleh transduser. Hasil dari interaksi itu kemudian diproses sebagai sinyal elektrik sehingga diperoleh hasil yang dapat dikuantifikasi menjadi data di monitor komputer.

Apabila pada penelitian di laboratorium biasa membutuhkan waktu satu atau dua hari, maka dengan nano biosensor penelitian dapat dilakukan secara real time. Biosensor ciptaan URV itu dapat mendeteksi sel tunggal sampel Salmonella sp. berukuran lima mililiter dan berhasil mengukur secara kuantitatif hingga 1.000 bakteri per mililiter.

Gambar 4. Nano  biosensor atau nano sensor

Selain teknologi nano biosensor, sekelompok peneliti di Texas A & M University telah mengembangkan nanoteknologi untuk cepat mendeteksi dan mengidentifikasi bakteri. Para peneliti menyebut teknik mereka ‘Sensing of Phage-Triggered Ion Cascade’ atau SEPTIC.

Teknik SEPTIC menggunakan virus bakteriofag yang menyerang bakteri. Ketika suatu bakteriofag menginfeksi bakteri melalui suntikan ke dinding sel untuk menyuntikkan materi genetiknya. Akibatnya, kebocoran ion dari sel inang (sekitar 100 juta totalnya). Hal ini menyebabkan fluktuasi kecil dalam medan listrik di sekitar bakteri. Para ilmuwan menggunakan wadah yang sangat kecil (l nanowel) dan elektroda kecil untuk mendeteksi fluktuasi mikroskopis listrik lapangan.

Kunci untuk spesifisitas berasal dari sifat fag ini. Virus ini sangat pemilih tentang bakteri apa yang mereka infeksi. Para peneliti menguji teknik ini pada tiga strain bakteri E. coli, menggunakan tiga fag berbeda. Mereka memiliki tingkat keberhasilan 100 persen dalam mendeteksi dan mengidentifikasi bakteri.

Teknik SEPTIC ini juga cepat. Metode lain untuk mendeteksi bakteri sering menghabiskan waktu berjam-jam atau berhari-hari untuk menyelesaikan, serta memerlukan peralatan yang rumit dan mahal, membuat teknik tersebut tidak cocok untuk digunakan di lapangan.

Diperlukan sebuah metode untuk mendeteksi bakteri dengan cepat dan murah. Mengingat respon yang cepat, spesifisitas tinggi dan biaya yang relatif rendah, SEPTIC bisa sangat berharga dalam pertanian dan praktek klinis, serta dalam perang saat ini melawan bioterorisme.

Tujuan utamanya adalah untuk memiliki sebuah biochip yang berisi ratusan nanowells. Setiap nanowell mencakup fag yang berbeda. Jika nanowell sesuai dengan sinyal yang dihasilkan pada bakteri tertentu,  nanowell akan mengidentifikasi bakteri. Ini akan menjadi sebuah alat ukuran yang akan mampu mengidentifikasi ratusan bakteri dalam beberapa menit.

Pada tahun 2003, Livermore National Laboratory (LLNL) yang diketuai oleh  Slezak mengenalkan Lawrence Livermore Mikroba Deteksi Array (LLMDA). Dikembangkan antara Oktober 2007 sampai Februari 2008, LLMDA mendeteksi virus dan bakteri dengan penggunaan 388.000 probe yang cocok dalam pola kotak-kotak di tengah-tengah slide lebar satu inci, kaca tiga inci panjangnya. Versi operasional saat ini, LLMDA mengandung probe yang dapat mendeteksi lebih dari 2.000 virus dan sekitar 900 bakteri. Dapat dideteksi hanya dalam waktu 24 jam. Tidak seperti metode kini, yang hanya dapat mendeteksi patogen sekitar 50 atau lebih jumlah mikroorganisme, LLDMA dapat mendeteksi berbagai patogen dalam tes tunggal dari seluruh rentang virus yang dikenal dan bakteri.

Proses LLMDA dimulai dengan pemurnian DNA atau RNA dari sampel, seperti dahak atau darah. Sampel ini selanjutnya diberi label dengan pewarna fluoresen dan hibridisasi pada microarray di 420C atau sekitar 107,60F. Kemudian, scanner neon dan perangkat lunak analisis yang digunakan untuk mendeteksi probe yang menerangi, mengidentifikasi kehadiran urutan virus atau bakteri.

Para peneliti saat ini sedang menguji versi baru dari teknologi LLMDA yang mencakup lebih dari dua juta probe. Versi ini berisi probe mewakili sekitar 5.700sekuen virus dari 178.000  virus, dan sekitar ribuan urutan bakteri dari 785.000 bakteri. Versi LLMDA terbaru juga meliputi jamur dan protozoa dengan probe mewakili sekitar ribuan urutan jamur dari 237.000 jamur dan urutan protozoa sekitar 75dari  202.000 protozoa.

Tim Livermore berencana untuk memperbarui probe pada array dengan urutan baru bakteri, virus dan mikroorganisme lainnya dari Gen Bank dan database publik lainnya sekitar sekali per tahun, di samping menggunakan urutan yang diperoleh dari kolaborator untuk probe mereka.

Gambar 5. Alat LLMAD (Lawrence Livermore Mikroba Deteksi Array)

Sumber Referensi

Anonymous. 2010. Teknologi Nano (Nanotechnology). Diakses dari http://nanozr.co.id/. Tanggal 9 Januari 2011.

JG Victoria, C. Wang, MS Jones, C. Jaing, K. McLoughlin, S. Gardner, EL Delwart,. Nukleat virus asam hidup-dilemahkan dalam vaksin: deteksi minoritas varian dan adventif sebuah virus. 2010. Journal of Virologi DOI: 10.1128/JVI.02690-09.

Koran Jakarta. Senin, 09 September 2009 (online). Pendeteksi Molekul Berbasis Nano.

Science Daily.6 Mei 2010 (online).Teknologi Baru Deteksi Mengidentifikasi Bakteri, Virus, Organisme Lain Dalam 24 Jam.DOE/Lawrence LivermoreNational Labotatory.

Trust, Wellcome. 2010. Nanoteknologi Mendeteksi Bakteri. Diakses dari http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=id&langpair=en%7Cid&u=http://www.wellcome.ac.uk/Education-resources/Teaching-and-education/Big-Picture/All-issues/Nanoscience/index.htm&rurl=translate.google.co.id&usg=ALkJrhi1mako2G0LHe0NJeip4aUZ61mUYQ. Tanggal 9 Januari 2011.

Yohanes Surya dkk, Bina Sumber Daya MIPA ISBN 979-3070-69-1 (2004), Nanoteknologi : teknologi terkini menyambut masa depan.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: