Perkembangan Biologi Sel dan Genetika

Dengan adanya penemuan Virchow tentang “omnis cellula e cellula” pada tahun 1858, ini berarti bahwa sel mempunyai kemampuan untuk berkembang biak atau membelah dengan menghasilkan sel baru yang mempunyai sifat yang sama dengan induknya. Jadi jelas bahwa ada faktor-faktor yang diturunkan oleh sel induk kepada sel anaknya/ keturunannya.

Menurut Wilson, sifat menurun akan muncul sebagai konsekuensi adanya kontinuitas genetik dari sel melalui pembelahan.

Tahun 1883, Weissman menyatakan bahwa pemindahan faktor menurun dari satu generasi ke generasi berikutnya karena adanya “germ plasm” yang terdapat dalam sel kelamin.

Dengan ditemukannya hakekat konsepsi oleh Hertwig pada tahun 1875 maka penelitian tentang faktor-faktor yang menurun makin berkembang. Tahun 1879, H. Fold dan Strassburger mengemukakan teori bahwa inti sel memegang peran penting dalam proses pengalihan faktor-faktor yang diturunkan. Kemudian Roux menemukan adanya benang-benang dalam inti sel yang disebut benang-benang kromatin yang mengandung faktor-faktor yang menurun.benang–benang kromatin inilah yang menurut Waldeyer mengandung kromosom yang kemudian oleh Weissmann dikatakan mengandung unit-unit tertentu yang mengandung faktor-faktor yang diturunkan.

Asal kejadian genetika modern dimulai dari taman sebuah biara, di mana seorang biarawan bernama Gregor Mendel mencatat sebuah mekanisme penurunan sifat partikulat. Mendel menemukan prinsip dasar hereditas dengan membudidayakan kacang ercis dalam suatu percobaan yang terencana dan teliti. Mendel mungkin memilih untuk bekerja menggunakan kacang ercis karena kacang ercis memiliki banyak varietas. Sebagai contoh, ada varietas yang mempunyai bunga ungu, sementara varietas yang lain ternyata mempunyai bunga putih. Ahli genetika menggunakan istilah karakter untuk menjelaskan sifat yang dapat diturunkan, seperti warna bunga, yang terdapat pada individu. Setiap varian dari suatu karakter, seperti warna bunga ungu dan putih pada bunga, dinamakan sifat (trait).

Penggunaan kacang ercis juga membuat Mendel dapat melakukan kontrol yang ketat berkenaan dengan tanaman mana saja yang dapat saling dikawinkan. Organ kelamin dari tanaman kacang ercis terdapat pada bunganya dan setiap bunga kacang ercis mempunyai sekaligus organ kelamin jantan dan betina—masing-masing stamen (benang sari) dan karpel (putik). Biasanya tanaman ini berfertilisasi sendiri; butir-butir polen (serbuk sari) lepas dari stamen dan jatuh di karpel dari bunga yang sama, dan sperma dari polem membuahi ovum di karpel. Untuk mendapatkan penyerbukan silang (fertilisasi di antara tanaman-tanaman yang berbeda), Mendel memindahkan stamen yang belum matang dari sebuah tanaman sebelum stamen-stamen tersebut menghasilkan polen dan selanjutnya menaburkan butir-butir polen dari tanaman lain ke atas bunga yang telah “dikebiri” tersebut. Setiap zigot yang dihasilkan kemudian akan berkembang menjadi embrio tanaman yang disimpan di dalam biji (kacang). Terlepas ia memastikan memilih untuk membiarkan penyerbukan sendiri atau melakukan penyerbukan silang buatan, Mendel selalu dapat mengetahui dengan pasti asal-usul (induk) biji yang baru.

Mendel memilih untuk menelusuri hanya karakter-karakter yang bervariasi dengan pendekatan apakah karakter tersebut “ada atau tidak ada” dan bukan dengan apakah karakter tersebut “lebih banyak atau lebih sedikit”. Sebagai contoh, tanaman Mendel mempunyai bunga yang ungu saja atau putih saja; tidak ada karakter antara pada kedua varietas tersebut. Seandainya Mendel ternyata memfokuskan penelitiannya pada karakter-karakter yang terus berubah-ubah pada individu—contohnya berat biji—Mendel tidak akan pernah menemukan sifat partikulat pada penurunan sifat.

Mendel juga memastikan bahwa dia memulai percobaannya dengan varietas galur murni (true-breeding), yang berarti ketika tanaman menyerbuk sendiri, semua keturunannya akan mempunyai varietas yang sama. Contohnya, suatu tanaman dengan bunga ungu adalah perkawinan galur murni jika biji dihasilkan melalui penyerbukan sendiri menghasilkan tanaman yang juga mempunyai bunga ungu.

Dalam sebuah percobaan pengembangbiakan yang biasa dilakukan, Mendel biasanya akan melakukan penyerbukan silang terhadap dua varietas ercis galur murni yang kontras—contohnya tanaman berbunga ungu dan tanaman berbunga putih. Perkawinan, atau penyilangan dua varietas ini disebut hibridisasi. Contoh yang dijelaskan di sini lebih spesifik yaitu penyilangan monohibrid, istilah untuk penyilangan yang menelusuri penurunan sifat sebuah karakter pada kasus ini adalah warna bunga. Induk galur murni disebut generasi P (dari kata parental), dan keturunan hibridnya adalah generasi F₁ (dari kata filial keturunan pertama). Membiarkan hibrid F₁ ini melakukan penyerbukan sendiri menghasilkan generasi F₂ (filial kedua). Mendel biasanya mengikuti sifat-sifat bawaan paling sedikit untuk tiga generasi P, F₁, dan F₂. Seandainya saja Mendel menghentikan percobaannya pada generasi F₁, pola dasar penurunan sifat bisa saja menipunya. Analisis kuantitatif Mendel pada tanaman F₂ inilah yang terutama mengungkapkan dua prinsip dasar hereditas yang sekarang dikenal dengan hukum segregasi dan hukum pemilahan bebas. Hukum dasar tentang genetika telah dikemukakan oleh Gregor Mendel pada tahun 1865, tetapi perubahan-perubahan yang terjadi dalam sel belum dapat dijelaskan atau belum banyak diketahui.

Para ahli sitologi berhasil mempelajari proses mitosis pada tahun 1875 dan proses meiosis pada tahun 1890-an. Kemudian di sekitar tahun 1900-an, sitologi dan genetika bersatu pada saat ahli-ahli biologi mulai melihat kesamaan antara perilaku kromosom dan perilaku faktor-faktor Mendel. Sebagai contoh, kromosom dan gen kedua-duanya hadir dalam bentuk pasangan di dalam sel diploid. Kromosom-kromosom homolog berpisah dan alel-alel bersegregasi selama meiosis, dan fertilisasi (pembuahan) memulihkan kembali kondisi berpasangan ini baik untuk kromosom maupun untuk gen. Pada abad XX setelah biologi sel berkembang dengan pesat barulah mekanisme distribusi faktor-faktor yang menurun ini dapat dijelaskan, yaitu berdasarkan pada penelitian-penelitian Correns, Tschermack dan De Vries pada tahun 1901. Sekitar tahun 1902, Walter S. Sutton, Theodor Boveri, dan yang lain-lainnya secara terpisah memperhatikan kesamaan-kesamaan tersebut dan akhirnya suatu teori kromosom mengenai penurunan sifat mulai terbentuk. Menurut teori tersebut, gen-gen “Mendel” mempunyai lokus-lokus khusus pada kromosom, dan kromosomlah yang mengalami segregasi dan pemilahan independen.

Thomas Hunt Morgan, seorang ahli embriologi pada Columbia University adalah orang pertama yang menghubungkan suatu gen tertentu dengan kromosom khusus, di awal abad kedua puluh. Meskipun pada awalnya Morgan meragukan Mendelisme dan teori kromosom, eksperimen-eksperimen awalnya memberikan bukti yang meyakinkan bahwa kromosom memang merupakan lokasi dari faktor sifat keturunan Mendel.

Kemudian dapat pula dijelaskan bagaimana terjadinya proses pembelahan meiosis dimana dalam sel kelamin hanya terdapat kromosom yang bersifat haploid.

Penelitian-penelitian di bidang genetika berkembang terus sejalan dengan perkembangan yang terjadi dalam biologi sel dan kemudian muncul ilmu baru yang dikenal sebagai sitogenetika. Perkembangan sitogenetika ini kemudian sejalan pula dengan perkembangan biokimia sehingga akhirnya muncul ilmu baru yang mempelajari tentang genetika ditingkat molekul yang dinamakan genetika molekuler.

Perkembangan biologi sel dan molekuler semakin pesat dengan ditemukannya materi genetik oleh F Miescher pada awal abad ke19. Dengan menggunakan mikroskop sederhana, F Miescher telah menemukan  adanya  bahan aktif  di dalam nucleus dan  disebut sebagai nuclein. Akan tetapi peneliti ini belum bisa menetapkan apakah nuclein ini kromosom ataukah DNA. Gagasan bahwa gen terletak di dalam kromosom baru dikemukakan oleh W.Sutton pada tahun 1903 dan gagasan ini mendapat dukungan secara eksperimental oleh T.H.Morgan pada tahun 1910. Pada tahun 1922 Morgan melakukan pemetaan gen dan melakukan analisis menyeluruh mengenai posisi relatif lebih dari 2000 gen pada keempat kromosom Drosophila melanogaster.

Pada tahun 1953, James Watson and Francis Crick telah berhasil menemukan model struktur DNA. Publikasi dari model double heliks DNA ini disusun berdasarkan penemuan:

1. Penemuan struktur asam nukleat dari Pauling & Corey

2. Pola difraksi DNA (Single-crystal X-ray analysis) dari Wilkins & Franklin

3. Pola perbandingan jumlah A-T, G-C (1:1) dari Chargaff atau dikenal sebagai Hukum Ekivalen  Chargaff:

 · Jumlah purin sama dengan pirimidin

· Banyaknya adenin sama dengan timin, juga jumlah glisin sama dengan sitosin

Dengan menggunakan model-model molekuler yang terbuat dari kawat, Watson dan Crick mulai membuat model terskala dari suatu heliks ganda yang sesuai dengan hasil pengukuran sinar-X dan dengan apa yang kemudian dikenal tentang kimia DNA. Setelah gagal membuat model yang memuaskan yang menempatkan rantai gula-fosfat di bagian dalam molekul, Watson mencoba menempatkan rantai-rantai ini di bagian luar dan memaksa basa-basa nitrogen meliuk-liuk menuju bagian dalam heliks ganda. Bayangkan heliks ganda ini sebagai tangga tali yang mempunyai anak tangga yang kaku, dengan tangga terpuntir membentuk spiral. Tali-tali di sampingnya equivalen dengan tulang belakang gula-fosfat, dan anak tangganya mewakili pasangan basa nitrogen. Data sinar-X Franklin mengindikasikan bahwa heliks membentuk satu putaran penuh setiap 3,4 nm panjang heliks. Karena basa-basa tersebut tertumpuk hanya dengan jarak pemisah 0,34 nm, maka akan terdapat 10 lapis pasangan basa, atau anak tangga pada tangga, untuk setiap putaran heliks. Pengaturan ini menarik karena basa-basa nitrogen yang relatif hidrofobik ditempatkan di bagian dalam molekul sehingga jauh dari medium air di sekelilingnya.

Basa-basa dari nitrogen dari heliks ganda ini berpasangan dalam kombinasi yang spesifik: adenin (A) dengan Timin (T), dan guanin (G) dengan sitosin (C). Watson dan Crick menemukan unsur penting DNA ini terutama dengan proses trial and error. Pada awalnya, Watson membayangkan basa-basa tersebut berpasangan dengan basa sejenis (like-with-like, sejenis-dengan-sejenis)—sebagai contoh, A dengan A dan C dengan C. Tetapi model ini tidak sesuai dengan data sinar-X, yang menunjukkan bahwa heliks ganda tersebut mempunyai diameter yang seragam. Mengapa persyaratan ini tidak sesuai dengan konsep pasangan basa sejenis-dengan-sejenis? Adenin dan guanin adalah purin, basa nitrogen dengan dua cincin organik. Sebaliknya, sitosin dan timin adalah anggota famili basa nitrogen yang dikenal sebagai pirimidin, yang mempunyai satu cincin tunggal. Oleh karena itu, purin (A dan G) kurang lebih dua kali lebih lebar daripada pirimidin (C dan T). Pasangan purin-purin terlalu lebar, sedangkan pasangan pirimidin-pirimidin terlalu sempit untuk heliks ganda yang diameternya 2 nm. Jalan keluarnya adalah selalu memasangkan satu purin dengan satu pirimidin.

Watson dan Crick beralasan bahwa pasti ada kekhususan tambahan lain mengenai pemasangan yang ditentukan oleh struktur basa-basa itu. Setiap basa memiliki gugus-gugus samping kimiawi yang dapat membentuk ikatan hidrogen dengan pasangannya yang sesuai: Adenin dapat membentuk dua ikatan hidrogen dengan timin dan hanya dengan timin; Guanin membentuk tiga ikatan dengan sitosin dan hanya dengan sitosin. Notasi pendeknya, A berpasangan dengan T, dan G berpasangan dengan C.

Model Watson-Crick ini menjelaskan aturan-aturan Chargaff. Di mana saja satu untai molekul DNA memiliki sebuah A, untaian pasangannya pasti mempunyai sebuah T. Dan sebuah G pada satu untai selalu berpasangan dengan sebuah C pada untai komplementernya. Oleh karena itu, pada DNA dari setiap organisme, banyaknya adenin sama dengan banyaknya timin, dan banyaknya guanin sama dengan banyaknya sitosin. Meskipun aturan pemasangan basa menentukan kombinasi basa nitrogen yang membentuk “anak tangga” dari heliks ganda, aturan ini tidak membatasi urutan nukleotida di sepanjang masing-masing untai DNA. Jadi, urutan linear dari keempat basa ini dapat diubah-ubah dengan cara yang tidak terhingga banyaknya, dan setiap gen mempunyai urutan yang unik, atau urutan basa.

Pada bulan April 1953, Watson dan Crick menyentak kalangan ilmiah sedunia dengan satu artikel singkat setebal satu halaman di jurnal Inggris Nature. Artikel tersebut melaporkan model molekuler mereka untuk DNA: heliks ganda, yang sejak itu menjadi simbol bologi molekuler. Keindahan model tersebut adalah strukturnya menunjukkan mekanisme dasar replikasi DNA.