KOMPUTER DNA

PENDAHULUAN

Manusia sebagai makhluk ciptaan Tuhan yang diberi akal dan pikiran yang lebih dibanding makhluk lain, tentu memanfaatkan kelebihannya  untuk hal – hal yang menguntungkan seperti teknologi masa kini. Kemajuan teknologi informasi dan komunikasi yang sangat pesat saat ini menimbulkan dampak yang besar di masyarakat. Sistem komunikasi dan pertukaran informasi global melaui internet bisa dilakukan di mana saja dan kapan saja. Besarnya pengguna internet dan pesatnya perkembangan internet telah mewujudkan timbulnya budaya internet. Dunia kedokteran juga tidak bisa menghindari pengaruh perkembangan ini. Dalam bidang kedokteran, pesatnya perkembangan internet sangat berperan sebagai sarana pertukaran informasi dan komunikasi tanpa batas, forum diskusi ilmiah kedokteran dan juga lahirnya disiplin ilmu informatika kedokteran.

Berkomunikasi tanpa batas ruang dan waktu bukan lagi suatu hal yang mustahil dengan canggihnya perkembangan internet. Pasien kini dapat berkonsultasi dengan seorang dokter secara online di internet setiap saat. Sebaliknya, dokter juga dapat memantau kemajuan terapi dari pasiennya. Selain itu, para kalangan medis di seluruh penjuru dunia dapat memecahkan suatu permasalahan medis secara bersama-sama dari tempat yang berbeda, melalui video konferens. Melalui internet pula, penyebaran dan pertukaran informasi kedokteran semakin meluas ke seluruh penjuru dunia. Oleh karena itu, pasien kini tidak hanya bergantung pada informasi yang diberikan oleh dokter tetapi juga informasi tentang penyakit dan penatalaksanaanya yang tersedia secara lengkap dan bebas di internet.

Dahulu para dokter masih menggunakan sistem “perkiraan” dan belum bisa dipertanggungjawabkan kepastiannya. Namun, setelah adanya kemajuan teknologi para tenaga medis  lebih ringan dalam menyimpan data pasiennya karena kini telah ada teknologi komputer DNA. Di mana komputer DNA ini mampu menyimpan data dengan akurat sehingga dapat dipertanggungjawabkan.

PEMBAHASAN

Komputer DNA adalah dua istilah yang biasanya dipergunakan dalam konteks yang sangat berbeda. DNA merupakan sejenis asam lemak yang secara alami membentuk sebuah tangga memutar yang disebut ulir rangkap (Anna Claybourne,2005).DNA sangat populer di dunia biologi dan genetika sedangkan komputer justru populer dalam dunia informatika dan teknologi modern.

Berawal dari 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. Ia menyadari sesuatu yang sangat menarik yaitu sel hidup manusia mengolah dan menyimpan informasi dengan cara yang sangat mirip dengan program komputer.

 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 yang diberi kode huruf A, C, T, dan G. A merupakan inisial untuk  Adenine, C untuk  Cytosine, T untuk  Thymine, dan G untuk Guanine. Adenine hanya bisa berpasangan dengan Thymine, Guanine hanya 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 komputer membaca 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  salesman yang 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 kota yang harus didatangi. Ada begitu banyakkemungkinan 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 masing-masing 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 bisa menyelesaikannya hanya dalam hitungan menit.

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 kerepotan mengolah 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 chip komputer yang terbuat dari silikon seperti yang selama ini kita gunakan. DNA merupakan  alternatif yang sangat menjanjikan. Lagipula,  microprocessor yang kita gunakan dalam komputer klasik biasanya terbuat dari bahan-bahan yang bersifat racun sehingga mengotori udara dan lingkungan. Biochip (chip biologis) yang terbuat dari DNA merupakan teknologi yang ‘bersih’. Kita juga tidak akan pernah kehabisan DNA selama masih ada sel-sel 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-tabung reaksi. Pada bulan Januari 2000 jurnal ilmiah Nature mempublikasikan keberhasilan para ilmuwan di University of Wisconsin di Madison yang melekatkan DNA  pada permukaan padat gelas dan emas. Ini berarti komputer DNA dapat dibuat dalam bentuk  chip padatan yang mirip dengan  chip komputer konvensional. Pada tahun 2001, seorang ilmuwan dari  Weizmann Institute of Science di 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 Records sebagai ‘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.       

Meski tak mirip benar, Ehud Shapiro beserta timnya dari Institut Sains Weizmann, Rehovot, Israel, telah membuat komputer DNA ultrakecil yang mampu mendiagnosis dan mengobati kanker tertentu. Komputer DNA tersebut mampu mendiagnosis penyakit sekaligus memberi obat .Alat yang saat ini hanya bekerja di dalam tabung reaksi, dalam waktu dekat akan dipakai dalam aplikasi klinis. Kelak komputer biologi tersebut akan menjadi perintis obat- obat cerdas yang menjelajahi tubuh sekaligus membetulkan penyakit di tempatnya.

Logika komputer DNA sama dengan logika komputer pribadi/PC. Keduanya dapat diprogram untuk mengolah masukan tertentu dan menghasilkan luaran yang diharapkan. Perbedaannya, komputer DNA punya kecepatan dan keakuratan perhitungan jauh lebih tinggi. Komponen penyusun komputer DNA adalah materi genetik yang diketahui urutan basanya. Seperti diketahui bahwa urutan gen secara intrinsik mempunyai kemampuan inheren untuk mengolah informasi layaknya komputer. Oleh karena itu triliunan mesin-mesin biomolekul-yang bekerja dengan ketepatan lebih dari 99,8%-itu, dapat dikemas dalam setetes larutan.Komputer DNA menggunakan untai nukleotida sebagai masukan data, dan molekul biologi aktif sebagai luaran data, dapat menghasilkan sistem kendali logis dari proses - proses biologi. Mesin ini bahkan mampu mengerjakan soal-soal matematika.Komputer beroperasi pada konsentrasi mendekati satu triliun komputer DNA per mikroliter, terdiri dari tiga modul yang dapat diprogram. Modul pertama adalah modul komputasi (otomata molekul stokastik). Modul kedua adalah modul masukan, misalnya kadar mRNA spesifik atau mutasi titik mengatur piranti konsentrasi molekul, dan karenanya probabilitas transisi otomata. Terakhir adalah modul luaran, yang dapat mengendalikan pelepasan molekul DNA untai tunggal pendek.Komputer DNA memiliki tiga segmen utama yang bekerja otomatis.

1.    Segmen pertama bekerja mengindera tingkat senyawa-senyawa abnormal, seperti yang diproduksi sel-sel kanker. Fungsi segmen ini mirip komputer yang dijalankan dengan algoritma sederhana. Deteksi kanker prostat misalnya. Jika kadar dua molekul mRNA (RNA pembawa pesan, membantu membuat protein dari informasi dalam gen) PPAP2B/fosfatidat fosfatase tipe 2B dan GSTP1/Glutation S-transferase Pi berada pada tingkat di bawah kadar normal, dan kadar mRNA lain (PIM1/onkogen manusia dan HPN/hepsin-protease transmembran) meningkat, di sanalah ada sel-sel kanker prostat.Saat segment komputasi/ analitik ini “memutuskan” adanya kanker, ia memerintahkan segmen kedua untuk melepas segmen ketiga yang merupakan obat antikanker (berupa DNA antisens).

2.    Segmen kedua menginformasikan piranti keras enzim untuk memotong untai DNA pada daerah yang sudah dikenal di segmen ketiga.

3.    Untai tunggal segmen ketiga yang lepas ini menekan aktivitas gen kanker prostat. Sejauh ini, komputer DNA hanya bekerja dalam batas-batas keseimbangan larutan garam sangat renik. Banyak rintangan yang harus dihadapi sebelum menerapkan untuk penyakit sesungguhnya. Komputer DNA adalah komputer canggih di masa depan,karena komputer ini tidak lagi menggunakan bilangan biner dalam menjalankan operasinya. Komputer DNA adalah singkatan dari (Deoxyribose Nucrelic Acid). komputer DNA dapat melakukan perhitungan dengan sangat cepat karena menggunakan sistem paralel(bersamaan) dibandingkan dengan komputer biasa yang menggunakan sistem linier,yaitu dengan cara menghitung satu per satu yang memakan waktu lama.

Bentuk fisik dari komputer ini, masih sangat mentah dan “asal-asalan” yaitu berupa cairan yang berada di dalam tabung reaksi. Belum ada monitor yang menghubungkan prosesor DNA tersebut untuk melihat hasilnya seperti monitor yang kita lihat sekarang ini. Namun ilmuwan di Institut Sains Weiszmann berhasil mengamati bahwa molekul DNA tersebut telah berhasil melakukan komputasi seperti yang diharapkan.