Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Zebrafish: Si Kecil Bermanfaat Besar

Hewan memiliki peranan yang sangat penting dalam penelitian biologi dan kedokteran (biomedis). Kita bisa mempelajari penyebab atau proses terjadinya suatu penyakit pada level organisme, sel, atau molekul dengan cara membuat hewan memiliki penyakit yang sama atau mirip dengan penyakit-penyakit yang diderita manusia. Selanjutnya, berdasarkan informasi tersebut, kita bisa merancang terapi yang tepat untuk penyakit-penyakit ini. Hewan-hewan yang digunakan untuk keperluan tersebut dinamakan sebagai organisme model.

Organisme model yang ideal untuk penelitian biomedis adalah yang mirip dengan manusia secara filogenetis, memiliki tingkat reproduksi tinggi, dan biayanya terjangkau. Tikus rumah atau mus musculus sejauh ini merupakan hewan yang paling banyak digunakan. Namun, dalam artikel ini, kita akan berkenalan dengan hewan lain yang relatif masih baru sebagai organisme model yang tak kalah besar manfaatnya. Inilah dia, zebrafish.

Asal dan Karakteristik Zebrafish

Zebrafish atau Danio rerio adalah spesies ikan air tawar yang berasal dari Asia Selatan dan Pasifik. Mereka tidak hanya biasa ditemukan di sungai, rawa, atau di sawah, tetapi juga cukup sering dipelihara di akuarium dan mudah didapatkan di toko.

Zebrafish jantan (atas) dan betina (bawah).  Sumber gambar: http://scienceblog.com/58153/the-colour-of-love-zebrafish-perform-colourful-courtship-displays/

Zebrafish jantan (atas) dan betina (bawah).
Sumber gambar: http://scienceblog.com/58153/the-colour-of-love-zebrafish-perform-colourful-courtship-displays/

Spesies ini dinamakan zebrafish karena memiliki garis-garis hitam pada kulit luarnya yang membuat mereka tampak seperti zebra. Zebrafish betina dan jantan dapat dibedakan dari dua karakteristik utama. Pertama, zebrafish betina umumnya lebih besar dan memiliki bentuk abdomen (perut) lebih bundar karena membawa banyak telur, sedangkan zebrafish jantan terlihat lebih kurus di daerah abdomen. Kedua, zebrafish jantan cenderung berwarna lebih kekuningan di bagian sirip samping dan ekornya.

Keunggulan Zebrafish sebagai Organisme Model

Zebrafish memiliki beberapa karakteristik yang membuat hewan ini sangat bermanfaat sebagai organisme model. Di antaranya adalah tingkat reproduksi zebrafish yang sangat tinggi. Sepasang zebrafish dapat menghasilkan sekurangnya 200 embrio setiap minggu.

Perkembangan embrio zebrafish berlangsung di luar rahim sehingga memudahkan para peneliti untuk melakukan manipulasi. Embrio zebrafish memiliki kulit yang transparan sehingga proses perkembangan organ dapat diamati secara langsung di bawah mikroskop. Perkembangan embrio zebrafish terjadi secara cepat sehingga pengamatan tidak perlu dilakukan dalam waktu lama. Dalam 24 jam, organ-organ yang penting sudah mulai terbentuk, jantung sudah berkontraksi dan sirkulasi darah sudah berjalan.

Zebrafish biasanya menjadi dewasa di usia 3-4 bulan. Pada umur ini mereka mencapai kematangan seksual dan dapat mulai bereproduksi. Ukuran zebrafish dewasa hanya sekitar 2-3 cm sehingga tidak membutuhkan ruang yang besar untuk pemeliharaannya. Karena alasan ini pula, biaya pemeliharaan zebrafish relatif lebih murah daripada tikus.

Keuntungannya secara logistik menjadikan zebrafish sebagai organisme yang ideal untuk penelitian yang membutuhkan jumlah sampel yang besar seperti dalam studi screening. Selain itu, salah satu keuntungan utama dari zebrafish dalam penelitian biomedis adalah tingkat kemiripannya dengan manusia. Informasi genetik zebrafish menunjukkan bahwa 70% gen manusia terdapat pada zebrafish, yang berarti bahwa hasil-hasil penemuan dari studi zebrafish kemungkinan besar dapat diaplikasikan pada manusia. Angka ini tentu saja lebih kecil dibandingkan dengan kemiripan antara tikus dan manusia yang sama-sama termasuk golongan mamalia. Akan tetapi, kelebihan-kelebihan zebrafish yang lain yang tidak dimiliki oleh tikus membuat hewan ini sebagai organisme model komplemen yang dapat melengkapi tikus dalam penelitian biomedis.

Siklus hidup dan proses perkembangan zebrafish. Sumber gambar: http://www.daniorerio.com/zebrafish-conferences-meetings/ http://www.cas.vanderbilt.edu/bioimages/animals/danrer/zfish-devel.htm

Siklus hidup dan proses perkembangan zebrafish. Sumber gambar:
http://www.daniorerio.com/zebrafish-conferences-meetings/
http://www.cas.vanderbilt.edu/bioimages/animals/danrer/zfish-devel.htm

Zebrafish Mutan dan Transgenik

Manipulasi dan analisis genetik lebih mudah dilakukan pada zebrafish daripada tikus karena embrio zebrafish transparan dan perkembangannya terjadi di luar tubuh induk. Contohnya adalah pada tahun 1990an, saat dua penelitian genetik berskala besar dilakukan di Tubingen dan Boston. Dalam studi screening tersebut, mutagen (bahan yang menyebabkan mutasi) diberikan ke ribuan zebrafish untuk menginduksi mutasi secara acak. Screening ini menghasilkan ribuan mutan (zebrafish yang mengalami mutasi), yang teridentifikasi memiliki kelainan pada perkembangan embrionik.

Mutan-mutan zebrafish sangat berguna untuk mendapatkan informasi tentang gen-gen atau proses biologis penting dalam perkembangan embrionik pada vertebrata. Beberapa zebrafish mutan ini juga dapat digunakan sebagai model penyakit karena mengalami mutasi gen dan gejala yang sama dengan penderita penyakit tersebut. Kemudahan serta kekayaan informasi yang bisa didapatkan melalui zebrafish mutan mendorong para peneliti lain untuk melakukan screening serupa dalam skala yang lebih kecil.

Berikut ini adalah beberapa contoh mutan-mutan yang dihasilkan dari screening di Tubingen dan Boston:

a.       Mutan Jekyll

Pada mutan jenis ini terdapat kelainan katup jantung yang menyebabkan darah di ventrikel (bilik) dapat mengalir kembali ke atrium (serambi) jantung. Dari informasi ini kita tahu bahwa gen yang termutasi pada ikan ini sangat penting dalam pembentukan katup jantung. Kemudian setelah dianalisis lebih lanjut, gen jekyll merupakan gen yang mengkode enzim untuk produksi glikosaminoglikan. Oleh karena itu, kita mendapatkan informasi kedua bahwa glikosaminoglikan penting dalam pembentukan katup jantung pada embrio zebrafish.

b.      Mutan Yquem

Mutan ini memiliki mutasi gen dan gejala yang sama pada penderita hepatoerythropoietic porphyria, yaitu penyakit genetik akibat defisiensi gen yang penting dalam pembentukan heme (komponen hemoglobin) pada sel darah merah

c.       Mutan Sapje

Ini merupakan jenis mutan zebrafish yang bisa dijadikan model untuk penyakit otot Duchenne muscular dystrophy, yaitu penyakit genetik akibat mutasi pada gen pembentuk komponen struktur otot.

Morfologi jantung pada embrio normal (kiri) dan mutan jekyll (kanan) berumur 2 hari. Pada mutan jekyll terdapat pembengkakaan perikardium dan akumulasi darah di bilik jantung. Sumber gambar: E.C. Walsh dan D.Y.R. Stainier, "UDP-glucose dehydrogenase required for cardiac valve formation in zebrafish”, Science 293, 1670-1673 (2001).

Morfologi jantung pada embrio normal (kiri) dan mutan jekyll (kanan) berumur 2 hari. Pada mutan jekyll terdapat pembengkakaan perikardium dan akumulasi darah di bilik jantung. Sumber gambar: E.C. Walsh dan D.Y.R. Stainier, “UDP-glucose dehydrogenase required for cardiac valve formation in zebrafish”, Science 293, 1670-1673 (2001).

Selain mutan-mutan hasil screening ini, terdapat juga metode manipulasi genetik yang dinamakan transgenesis, yaitu dengan cara memasukkan gen ke dalam sel tertentu di zebrafish. Zebrafish ini dinamakan zebrafish transgenik. Sebagai contoh, zebrafish untuk model penyakit leukemia dibuat dengan memasukkan gen penyebab kanker, bernama myc, ke dalam sel limfosit. Ikan ini memiliki gejala yang mirip dengan leukemia limfoblastik akut pada manusia.

Beberapa zebrafish transgenik juga dihasilkan dengan memasukkan gen yang mengkode protein fluoresen yang berpendar ketika disinari dengan panjang gelombang tertentu. Contohnya adalah green fluorescent protein atau GFP, yang berasal dari ubur-ubur, ia mengeluarkan sinar berwarna hijau jika diberikan sinar biru atau ultraviolet. Protein fluoresen sangat berguna untuk identifikasi sel yang akan diobservasi. Metode ini sudah sangat umum dipakai pada tikus, namun kegunaannya menjadi lebih besar jika dikombinasi dengan embrio zebrafish yang transparan. Dengan metode ini kita bisa mengamati sel yang berwarna dengan jelas di bawah mikroskop.

Contoh penelitian menggunakan GFP misalnya pada penelitian sel endotel (sel yang membentuk dinding pembuluh darah) dilabel dengan GFP untuk pengamatan proses perkembangan sistem pembuluh darah pada masa embrionik. Contoh lainnya adalah pada zebrafish yang diberikan DNA zebrabow, yang terdiri dari gen fluoeresen merah, kuning, dan biru. Metode ini digunakan agar sel-sel di dalam tubuh ikan memiliki fluoresen dengan warna yang sangat bervariasi sebagai hasil kombinasi dari ketiga fluoresen tersebut. Salah satu kegunaan ikan ini adalah untuk mempelajari asal-usul dari sel-sel dalam suatu jaringan karena sel-sel yang berasal dari sel induk yang sama akan mempunyai fluoeresen yang sama pula.

Sayangnya, karakteristik kulit yang transparan tidak didapatkan pada zebrafish dewasa karena munculnya proses pigmentasi. Namun, mengingat manfaat yang besar dari organisme model yang memiliki kulit transparan, para peneliti di Boston kemudian membuat zebrafish bernama casper yang memiliki kulit transparan hingga saat mencapai usia dewasa. Casper merupakan hasil perkawinan ikan mutan nacre yang tidak memiliki melanosit (penghasil pigmen hitam) dan roy yang tidak memiliki iridophore (pigmen yang membuat kulit ikan tampak mengkilat).

ed31-biologi-4

Keterangan gambar di atas:

Zebrafish transgenik dan mutan.
(A) Pemberian gen myc pada zebrafish (kanan) mengakibatkan pertumbuhan sel limfosit (berwarna hijau, dilabel GFP) yang berlebihan pada ikan ini dibanding dengan zebrafish normal (kiri).
(B) dan (C) Kombinasi kulit embrio zebrafish yang transparan dan fluoresen memberikan informasi yang bermanfaat bagi peneliti.
(B) menunjukkan sistem pembuluh darah pada zebrafish. Sel endotel (sel pembentuk dinding pembuluh darah) pada ikan ini mengekspresikan protein GFP sehingga pembuluh darahnya dapat diamati dengan jelas dengan mikroskop fluoresen.
(C) menunjukkan embrio zebrafish yang diberikan gen zebrabow (kiri), dengan perbesaran yang lebih tinggi dapat dilihat bahwa sel-sel tubuh ikan ini secara acak terlabel fluoeresen dengan warna yang bervariasi(kanan).
(D) Zebrafish mutan casper (paling bawah) yang merupakan hasil perkawinan antara zebrafish mutan nacre (atas) dan roy (tengah) mempunyai kulit yang transparan. Sel darah yang berlabel GFP dan ditransplan ke ikan casper ini dapat diamati dengan jelas. Terlihat bahwa sel-sel ini terdapat di ginjal, yang merupakan organ penghasil darah di zebrafish. Sumber gambar: D. M. Langenau dkk, Proceedings of the National Academy of Sciences 102, 6068-6073 (2005); N. D. Lawson dan B. M. Weinstein. Developmental biology 248, 307-318 (2002); Y. A. Pan dkk, Development 140, 2835-2846 (2013); R. M. White dkk, Cell stem cell 2, 183-189 (2008).

Sangat menarik, bukan?

Dengan demikian, kini kita tahu bahwa zebrafish si hewan kecil ini ternyata punya manfaat yang sangat besar bagi dunia penelitian, yang tentunya bertujuan untuk kesehatan dan kemaslahatan umat manusia.

Bahan bacaan:

Penulis:
Yuliana Astuti, peneliti di Department of Pediatrics, Division of Blood and Marrow Transplantation, University of Minnesota. Kontak: astut001(at)umn(dot)edu.