Artikel
April 10, 2021 - Posted by

Pengetahuan Whole Genome Sequencing

Setiap makhluk hidup memiliki materi genetik berupa Ribonucleic Acid (RNA) atau Deoxyribonucleic Acid (DNA) yang tersimpan dalam tiap sel penyusun tubuhnya yang disebut genom. Data genom makhluk hidup ini, didapatkan melalui teknik Whole Genome Sequencing (WGS). WGS adalah teknik komprehensif yang digunakan dalam proses pengurutan sekuens DNA menjadi suatu gambaran genom utuh (whole genome sequence) dengan menggunakan teknologi Next Generation Sequencing (NGS).

 

Proses pengurutan dan perangkaian sekuen genom ini layaknya menyusun puzzle yang memiliki jutaan hingga miliaran keping gambar. Proses Whole Genome Sequencing sendiri dilakukan menggunakan komputasi dan algoritme kompleks yang disebut bioinformatika.

 

Genom adalah satu set komplit materi genetik (DNA/ RNA) dari suatu organisme yang mengandung data penting (tersimpan dalam gen) untuk menjalankan fungsi organisme dalam melakukan aktivitas kehidupan. Secara fisik, genom dibagi ke dalam beberapa molekul-molekul asam nukleat yang berbeda, sementara secara fungsi, genom dibagi menjadi gen-gen.

 

 

whole genom sequencing
Data Perbandingan Genom beberapa makhluk hidup (bakteri, archaea, dan Eukariot). Pearson Education 2008

 

 

Istilah genom dipopulerkan Hans Winkler dari Universitas Hamburg, Jerman, tahun 1920, sebagai gabungan dari kata gen dan kromosom yang semula dimaksudkan untuk menyebut kumpulan gen. Genom pada setiap organisme mengandung informasi biologis yang diperlukan untuk membangun jaringan tubuh, mempertahankan hidup, dan mewariskan ke keturunan selanjutnya.

 

Kebanyakan genom, terbuat dari DNA tetapi sejumlah virus tersusun atas RNA pada genomnya. Ilmu yang mempelajari lebih lanjut mengenai genom disebut genomika (genomics). Sejauh ini, sejumlah besar organisme sudah dipetakan urutan nukleotida pada genomnya dengan teknik sekuensing DNA dalam berbagai proyek genom, misalnya Proyek Genom Manusia (Human Whole Genome Project) yang telah rampung pada tahun 2003.

 

Perbandingan genom organisme dapat memberikan informasi mengenai karakteristik organisme, evolusi, dan berbagai proses biologis yang terjadi dalam tubuh makhluk hidup tersebut. Genom manusia (Homo sapiens) terdiri dari 23 kromosom yang berpasangan dengan lebih dari 3 miliar base pair DNA (pasangan basa). Pada tubuh manusia, terdapat 3 juta pasang DNA yang semua berlokasi di dalam inti setiap sel. Tabel perbandingan genom beberapa makhluk hidup dapat dilihat pada tabel berikut.

 

Aplikasi Whole Genome Sequencing

WGS (whole genom sequencing) sudah digunakan sebagai salah satu alat penelitian di bidang genetik dan biologi molekuler serta belakangan juga mulai digunakan untuk aplikasi medis. Ada banyak manfaat dari whole genom sequencing untuk kehidupan manusia, seperti menemukan penyebab dari penyakit keturunan yang langka (inherited disorder disease), menyediakan info genetik dari penyakit yang kompleks, dan menemukan penyebab mutasi pada tipe kanker progresif tertentu ataupun penyakit kanker yang diturunkan (inherited cancers) pada anak-anak dan orang dewasa.

Berkaca pada fenomena pandemi COVID-19, WGS  menjadi sangat berperan yang digunakan sebagai alat untuk mendapatkan cetak biru genetik (genetic blueprint) dari genom virus SARS-CoV-2, identifikasi mutasi baru , pelacakan asal virus, dan pencegahan penularan virus.

Data genom SARS-CoV-2 yang spesifik ini, akan menjadi fondasi untuk riset vaksin dan memformulasikan perawatan yang tepat untuk menangani kasus COVID-19 di suatu negara oleh peneliti dan tenaga medis. Lebih lanjut, data genom SARS-CoV-2 juga bisa digunakan untuk memetakan dan mempelajari alur penyebaran COVID-19 sehingga penentu kebijakan (pemerintah dan badan terkait) di suatu negara bisa merancang strategi untuk menahan laju penularan virus SARS-CoV-2. Genecraft Labs menyediakan solusi lengkap terkait COVID-19 solution, baik itu sampe collection, extraction ataupun alat PCR.

 

Metode Pengerjaan Whole Genome Sequencing

Metode atau teknik dalam pengerjaan WGS dapat dikelompokkan menjadi teknik tradisional dan teknik modern (metode baru). Teknik tradisional  dilakukan berdasarkan pada fragmentasi dan perakitan kembali potongan sekuen, yaitu metode hierarchical sequencing dan shotgun sequencing. Teknik modern dikembangkan dari sekuensing yang ada pada masa sekarang, seperti nanopore sequencing, HiSeq, dan NGS (Next Generation Sequencing).

 

1. Metode Tradisional

Penggunaan metode ini, untuk whole genome sequencing berdasarkan pada pemotongan sekuen menjadi fragmen-fragmen kemudian disusun kembali. Metode ini, disebut sebagai hierarchical sequencing dan shotgun sequencing. Pendekatan metode hierarchical sequencing adalah genom DNA dipotong menjadi fragmen-fragmen pendek berukuran sekitar 150kb, kemudian potongan DNA ini disisipkan ke vector BAC, lalu di transformasi ke E.coli.

Setelah proses kloning berhasil, sisipan BAC diisolasi dan dipetakan untuk menentukan urutan setiap fragmen DNA. Proses ini, disebut sebagai Golden Tiling Path. Berikutnya, proses yang dilakukan adalah penjajaran. Potongan fragmen DNA yang memiliki kedekatan kemudian dirangkai menjadi urutan untai DNA utuh.

Keuntungan dari metode ini adalah kemungkinan kesalahan pada saat pembacaan sekuen DNA sangan kecil karena urutan lokasi-lokasi gen pada genom sudah diketahui sebelum disisipkan ke BAC. Kerugian dari metode ini adalah metode ini membutuhkan biaya tinggi dan waktu yang lama dalam pengerjaannya.

Metode yang kedua adalah shotgun sequencing. Metode ini lebih disukai untuk genom prokariotik yang ukuran genomnya lebih kecil dan mengandung sedikit repetitive DNA. Pada metode ini, genomic DNA dipotong secara acak menjadi potongan-potongan kecil, yang selanjutnya dikloning ke plasmid dan dilakukan sekuensing pada kedua untainya.

Ketika hasil pembacaan sekuen telah didapatkan maka dilakukan penjajaran dan dirangkai menjadi satu untaian utuh. Metode ini lebih cepat dan biaya yang diperlukan tidak sebesar metode hierarchical sequencing. Kekurangan metode ini adalah lebih rentan terhadap kesalahan pembacaan karena terjadinya kesalahan pembacaan pada saat proses perakitan untai DNA.

 

Workflow Pengerjaan Shotgun Sequencing untuk Whole genome sequencing
Workflow pengerjaan Shotgun sequencing untuk WGS

 

2. Metode Baru

Berkembangnya teknologi semakin memudahkan dalam pengerjaan whole genome sekuensing. Pada metode sekuensing generasi pertama, yaitu Sanger dan Shotgun sekuensing membutuhkan waktu kurang lebih 13 tahun dengan biaya sekitar 3,4 milyar USD dalam mengerjakan human genome project (HGP). Akan tetapi, sejak dikenalkan teknologi NGS pada tahun 2007, harga untuk melakukan HGP semakin menurun.

Awal tahun 2014, Illumina Inc. memperkenalkan HiSeq X yang menyatakan bahwa pengerjaan WGS untuk satu orang dapat dilakukan dengan biaya 1.000 USD. Dengan kemampuan teknologi sekuensing terbaru ini, pengerjaan HGP untuk 16 orang dapat dikerjakan hanya dengan 3 hari.

Sekuensing dengan menggunakan teknologi NGS dapat menghasilkan jutaan hingga milyaran pembacaan sekuen pendek dengan kecepatan tinggi. Selain Illumina, pengerjaan NGS juga dapat dilakukan menggunakan platforms Ion Torrent/Life Technologies, Pacific Bioscience, Nanopore dan GenapSys yang bisa melakukan pembacaan mulai dari 100 hingga 10.000 basa. Platform ini, juga menghasilkan banyak raw data dalam pengerjaanya, misalnya raw data yang dihasilkan oleh Illumina HiSeq2500 hingga 1TB per run.

Pengerjaan NGS dilakukan dengan tahapan ekstraksi DNA, pemotongan DNA menjadi fragmen-fragmen yang telah diketahui ukuranna lalu persiapan DNA library, sekuensing DNA library, dan analisis sekuen DNA, dimana pada proses ini dilakukan pembacaan dari sekuen DNA yang telah selesai disekuensing. Setelah sekuen dibaca dilakukan proses penjajaran dan perakitan kembali sekuen DNA

menjadi satu untai utuh.

 

 

Workflow pengerjaan NGS untuk WGS
Workflow pengerjaan NGS untuk WGS

Project WGS

Semakin berkembangnya teknologi molekuler, banyak peneliti pada masa sekarang memulai project whole genome sequencing. Kebanyakan tujuan dari project ini adalah sebagai salah satu cara diagnostik untuk penyakit langka, terapi kanker dan untuk mengetahui keanekaragaman hayati. Beberapa proyek WGS yang terdapat masa sekarang diantaranya:

 

1. Human Genome Project

Human Genome Project (HGP) sudah dimulai pada tahun 1990 dan pertama kali terselesaikan pada tahun 2003. Project ini memberikan pengetahuan pada kita pembacaan blueprint genetic lengkap yang menyusun tubuh manusia. Tujuan dari project ini, adalah untuk mengetahui lokasi gen pada semua kromosom dan memetakan gen-gen pewaris sifat dari tetua keketurunannya. Hal ini, berfungsi untuk mengetahui dan melacak penyakit-penyakit yang diwariskan dari generasi kegenerasi secara genetik.

 

2. Earth BioGenome Project

Tujuan dari terbentuknya project adalah untuk mengurutkan membuat daftar dan mengarakterisasi genom dari semua keanekaragaman hayati. Hasil dari project ini, akan menginformasikan berbagai masalah yang akan dihadapai manusia, seperti dampak perubahan iklim terhadap keanekaragam hayati, konservasi spesies serta ekosistem yang terancam punah, dan pelestarian, juga peningkatan jasa ekosistem.

 

3. The Cancer Genome Atlas Program

The Cancer Genome Atlas (TCGA) adalah sebuah program genomik kanker, secara molecular mengkarakterisasi 20.000 primary cancer dan mencocok sampel normal yang mencakup 33 jenis kanker. Project ini, terbentuk dengan adanya kerja sama antara NCI dan National Human Genome Research Institute pada tahun 2006. Data yang didapatkan dari project ini, akan digunakan untuk peningkatan kemampuan diagnostik, pengobatan dan pencegahan kanker.

 

4. The Mouse Genome Project

The Mouse Genome Project diinisiasi pada tahun 2009. Tujuan dari project tersebut, untuk membuat daftar variasi molekuler dalam strain tikus yang digunakan dilaboratorium dan strain dari wild-type. Project ini, dikerjakan dengan menggunakan metode NGS.

 

5. The Influenza Genome Sequencing Project (IGSP)

Project ini terbentuk pada tahun 2004, untuk investigasi evolusi dari virus influenza melalui penyediaan data lengkap dari sekuen genom. Penyediaan data lengkap ini nantinya dapat digunakan untuk peneliti dalam pengenbangan vaksin baru, pengobatan dan diagnostik dan memahami secara keseluruhan proses evolusi serta mengetahui factkr genetik lain yang menentukan kemampuan dari virulensi virus ini.

 

6. Microbial Genome Sequencing

Pembentukan project ini bertujuan untuk mengungkapkan informasi tentang fisiologis dan evolusi spesies mikroba yang dapat dijadikan pendekatan baru untuk diagnostic dan pengobatan penyakit infeksius.

 

7. National Center for Biotechnology Information Viral Genomes Project

Viral Genome Project bertujuan untuk menyediakan data molecular lengkap yang dapat digunakan untuk penelitian genomik virus. Selanjutnya, ptoyek ini telah menghasilkan kurang lebih 1.600 data untuk lebih dari 1.200 spesies berbeda. Semua data dapat diakses melalui website National Center for Biotechnology Information (NCBI).

 

 

Reference

Bao, Y., Federhen, S., Leipe, D., Pham, V., Resenchuk, S., Rozanov, M., Tatusov, R., & Tatusova, T. (2004). National center for biotechnology information viral genomes project. Journal of virology, 78(14), 7291–7298.

Lewin, H. A., et al. (2018). “Earth BioGenome Project: Sequencing life for the future of life.” Proceedings of the National Academy of Sciences 115(17): 4325

Thankachan, A and M. B. Thomas. 2018. A Study of Next Generation Sequencing Data, Workflow, Application and Platform Comparison. Material Science and Engineering. 396:1-6.

Zhao, N. 2010. Recent Progress in the Methods of Genome Sequencing. Brazilian Archives of Biology and Technology. 53: 319-325.

bbcaopenmind.com

fiercehealthcare.com

abc.net.au

id.dbpedia.org

 

Our Location

HEAD QUARTERS - JAKARTA

  • Kebon Jeruk Business Park Blok F2-9, Jl. Raya Meruya Ilir No.88, Meruya Utara, Jakarta Barat - 11620

CIKARANG OFFICE

  • CBD Jababeka Blok A-8 Jl. Niaga Raya Kav. AA3, Jababeka II Pasar Sari

SURABAYA OFFICE

  • Gedung Bumi Mandiri Tower I, Lantai 4/410 Jl. Basuki Rahmat 129-137, Surabaya 60271

MEDAN OFFICE

  • Regus Forum Nine, 9th Floor Jl. Imam Bonjol No 9, Medan 20112

Get In Touch with Us

  • This field is for validation purposes and should be left unchanged.