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

Genom-genom yang Kecil

Genom adalah kumpulan dari semua material genetik dalam suatu sel atau makhluk hidup. Genom dapat diibaratkan sebagai buku kumpulan resep untuk membuat segala sesuatu yang ada pada makhluk hidup. Genom ditulis dalam bahasa universal yang terdiri dari empat huruf ACTG yang mewakili empat macam basa nitrogen penyusun DNA, yakni adenina (A), sitosina (C), timina (T), dan guanina (G). Ukuran genom biasanya dinyatakan dalam kilobasa (kb), megabasa (Mb), dan gigabasa (Gb), yang menyatakan ada berapa banyak huruf ACGT di dalamnya.

Sel tubuh manusia (autosom) memiliki dua set dari 23 kromosom (total 46 kromosom). Gen penunjuk kode insulin terletak di kromosom nomor 11.

Resep insulin terletak di dalam kromosom 11, ditulis dalam bahasa DNA (ACTG). Gen pengode insulin (INS) ditulis dengan warna biru. Insulin adalah hormon yang terdiri dari 51 asam amino.

Apakah besarnya genom berkaitan dengan ukuran suatu organisme? Belum tentu. Genom manusia sebesar 3,2 Gbp(giga pasang basa) yang mengode sekitar 21.000 resep protein (gen) tampak kecil dibandingkan dengan genom gandum (16,8 Gbp). Namun, pada umumnya, bakteria mikroskopis memiliki genom yang lebih kecil dibandingkan dengan organisme eukariot. Lantas, berapa ukuran genom terkecil yang memungkinkan sel untuk hidup? Pertanyaan ini tidak bisa dengan lugas dijawab.

Berbagai ukuran genom makhluk hidup. Genom manusia (3,2 Gbp) tampak besar bila dibandingkan dengan genome E. coli (4,6 Mbp). Namun, genom marbled lungfish jauh lebih besar dibanding keduanya (130 Gbp).

Hingga tahun 2006, rekor genom terkecil dipegang oleh Mycoplasma genitalium, bakteri parasit yang hanya dapat tinggal dalam tubuh inangnya (580 Kbp, 470 gen pengkode protein) dan berbagai strain Buchnera aphidicola, bakteri simbion obligat dalam tubuh serangga (616–642 kb, 507–574 gen pengode protein [CDS]). Oleh karenanya, ukuran genom yang dapat mengode sekitar 500 gen dianggap sebagai batas terkecil dari suatu genom yang dapat menopang kehidupan suatu sel.

Lonjakan pengurutan DNA pada tiga dekade ke belakang. Teknologi pembacaan genom menjadi semakin mudah dan murah, membuat lonjakan penyimpanan data pengurutan DNA pada pusat data, misalnya NCBI genbank.

Seiring dengan perkembangan teknologi pembacaan DNA yang memudahkan berbagai jenis genom untuk dibaca dan diketahui ukuran dan isinya, standar minimal 500 gen kembali dipertanyakan, karena telah ditemukan organisme dengan genom yang mengode kurang dari standar tersebut. Kebanyakan mereka hidup sebagai simbion obligat dalam tubuh serangga pada jaringan khusus yang disebut bacteriomes. Hubungan simbiosis ini terjadi karena serangga inang tidak mendapatkan beberapa jenis asam amino esensial (EAA) dari makanannya yang berupa getah tumbuhan, sedangkan bakteri simbion dapat memproduksi EAA dengan imbalan terlindungi dari dunia luar dan mendapatkan asupan makanan yang teratur dari inang. Kebanyakan dari bakteri simbion ini berasal dari filum Proteobacteria dan ordo Bacteroidetes.

Diagram untuk menunjukkan letak bakteri simbion dalam tubuh serangga. Bakteri simbion dilingkupi membran khusus yang dihasilkan oleh serangga inang, mereka hidup di dalam sitosol bacteriocytes yang merupakan bagian dari sel inang serangga. Bacteriocytes dapat berkumpul membentuk bacteriomes. Bacteriomes biasanya terletak di bagian perut serangga.

Contoh bakteri dengan genom yang mengode kurang dari 500 gen

Candidatus Sulcia muelleri” (S. muelleri) adalah simbion obligat yang hidup dalam tubuh berbagai serangga pemakan getah dari subordo Auchenorrhyncha. S. muelleri telah mengalami co-diversification bersama inangnya sejak lebih dari 270 juta tahun yang lalu.  S. muelleri  biasanya tidak sendirian sebagai simbion dalam tubuh serangga inangnya; ada bakteri simbion lain yang hidup bersamanya. S. muelleri dan simbion pasangannya dapat memproduksi EAA yang dibutuhkan oleh si inang serangga. Genom S. muelleri berada dalam kisaran 190–248 kb, gen yang terkode di dalamnya pun biasanya sinkron, saling melengkapi dengan bakteri simbion pasangannya.

Candidatus Hodgkinia cicadicola” (Alphaproteobacteria), “Candidatus Zinderia insecticola” (Betaproteonacteria) dan “Candidatus Nasuia deltocephalinicola” adalah contoh  pasangan simbiosis S. muelleri. “Ca. Hodgkinia cicadicola” hidup pada tubuh tonggeret (cicadas, Cicadidae), genomnya hanya sebesar 143 kb. Pada serangga spittlebug, partner simbiosis S. muelleri adalah “Ca. Zinderia insecticola” yang memiliki genom berukuran sekitar 208 kb. Pasangan simbion S. muelleri lainnya dengan genom terkecil adalah “Ca. Nasuia deltocephalinicola” (112 kb), yang tinggal pada inang serangga wereng (leafhopper) dari famili Deltocephalinae.

Magicicada tredecim (tonggeret) yang merupakan inang dari dua simbion bakteri Sulcia dan Hodgkinia (atas). Jaringan bacteriome (bawah) yang menunjukkan pasangan bakteri simbion, Hodgkinia (merah) dan Sulcia (hijau). Skala foto 100 µm.

Clastoptera spittlebug (kiri). Foto Bacteriome yang mengandung bakteri simbion Zinderia diambil dengan transsmission electron microscope (kanan). Skala foto 10 µm.

Sampai seberapa kecil?

Genom dengan ukuran kecil yang ekstrem ditemukan pada serangga yang telah sangat Iama bersimbiosis (ancient symbiont, sekitar lebih dari 200 juta tahun) dengan bakteri endosimbionnya. Pada hubungan seperti ini, inang serangga biasanya sudah dapat mengontrol dan menyokong kehidupan bakteri simbionnya yang sudah kehilangan banyak gen tersebut. Mereka dipertahankan sebagai simbion hanya karena kemampuan metabolismenya untuk menghasilkan asam amino esensial yang tidak bisa diproduksi oleh inang serangganya.

Bahan bacaan:

  • Moran, N. A. & Bennett, G. M. (2014). The tiniest tiny genomes. Annu Rev Microbiol.  68:195–215.
  • Campbell, M. A., Van Leuven, J. T., Meister, R. C., Carey, K. M., Simon, C., & McCutcheon, J. P. (2015). Genome expansion via lineage splitting and genome reduction in the cicada endosymbiont Hodgkinia. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(33), 10192–10199.
  • Kobiałka, M., Michalik, A., Szwedo, J., & Szklarzewicz, T. (2018). Diversity of symbiotic microbiota in Deltocephalinae leafhoppers (Insecta, Hemiptera, Cicadellidae). Arthropod Structure & Development, 47(3), 268–278.
  • http://book.bionumbers.org/how-big-are-genomes/
  • https://www.wikiwand.com/en/Marbled_lungfish
  • https://bugguide.net/node/view/505862
  • https://www.britishbugs.org.uk/homoptera/Cicadellidae/Euscelis_incisus.html
  • https://www.britishbugs.org.uk/homoptera/Cicadellidae/Turrutus_socialis.html
  • https://bugguide.net/node/view/1522965/bgimage

Penulis:

Ajeng K. Pramono, alumnus  Tokyo Institute of Technology, Jepang.

Kontak: ajengpramono(at)gmail(dot)com

Mari sebarkan!
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •