BIOLOGI_M6KB3 PDF

1. No Kode: DAR2/PROFESIONAL/190/6/2019
PENDALAMAN MATERI BIOLOGI
MODUL 6
BIOTEKNOLOGI
KEGIATAN BELAJAR 3
SEL PUNCA
Eko Prasetya, M.Sc
Dra. Cicik Suriani, M.Si
Dr. Martina Restuati, M.Si
Dr. Fauziyah Harahap, M.Si
Drs. Puji Prastowo, M.Si
Ahmad Shafwan S. Pulungan, S.Si, M.Si
Wasis Wuyung Wisnu Brata, S.Pd, M.Pd
Nanda Pratiwi, S.Pd. M.Pd
KEMENTERIAN PENDIDIDKAN DAN KEBUDAYAAN
2019

3. DAFTAR ISI
HALAMAN SAMPUL
DAFTAR ISI 1
1. PENDAHULUAN 2
1.1. Deskripsi Singkat 2
1.2. Relevansi 2
1.3. Panduan Belajar 2
2. INTI 3
2.1. Capaian Pembelajaran 3
2.2. Sub Capaian Pembelajaran 3
2.3. Pokok Materi 3
2.4. Uraian Materi 4
i

5. 1
2. PENDAHULUAN
1.1. DESKRIPSI SINGKAT
Kegiatan Belajar 3 pada Modul 6 ini mengkaji tentang kultur sel tunggal,
transplantasi inti, serta sel punca (stem cell) pada hewan.
1.2. RELEVANSI
Kegiatan Belajar 3 pada Modul 6 memiliki relevansi sebagai pendalaman
materi bagi guru untuk mempelajari perkembangan ilmu bioteknologi karena
di dalamnya disajikan informasi yang cukup mendalam mengenai prinsip dasar
kultur sel tunggal, transplantasi ini, serta sel punca (stem cell) pada hewan.
Setelah mempelajari modul ini, Anda diharapkan dapat:
(1) Mampu memahami prinsip dasar kultur sel tunggal.
(2) Mampu memahami prinsip transplantasi inti.
(3) Mampu memahami proses sel punca (stem cell) pada sel hewan.
1.3. PANDUAN BELAJAR
(1) Bacalah dengan cermat bagian pendahuluan kegiatan belajar ini agar Anda
memahami keterkaitan pokok materi yang dibahas pada kegiatan belajar ini
serta mengetahui kemampuan yang diharapkan dari pembelajaran di
kegiatan belajar ini.
(2) Pelajari setiap pokok materi dari kegiatan belajar ini dan beri tanda pada
konsep-konsep penting sesuai dengan kemampuan yang diharapkan.
(3) Kerjakan latihan dan tes formatif yang tersedia untuk mengetahui sejauh
mana pemahaman Anda terhadap materi yang telah dipelajari.
(4) Untuk lebih mendalam, diharapkan Anda membaca buku referensi yang
terkait pokok materi dalam kegiatan belajar ini serta manfaatkanlah peluang
pertemuan dengan instruktur dan teman sejawat untuk mendiskusikan hal-
hal yang Anda kurang pahami, oleh karena itu persiapkanlah bahan sebelum
anda melaksanakan tutorial atau berdiskusi dengan instruktur dan teman
sejawat.

6. 2
3. INTI
2.1. CAPAIAN PEMBELAJARAN MATA KEGIATAN
Menguasai materi esensial Mata Pelajaran Biologi SMA termasuk advance
material materi bidang studi biologi yang mencakup:
(1) keragaman dan keseragaman dalam makhluk hidup;
(2) Struktur dan Fungsi dalam makhluk hidup;
(3) Pertumbuhan, perkembangan dan diferensiasi;
(4) Interaksi dan interdependensi;
(5) Energi, materi dan organisasi kehidupan;
(6) Prinsip emeliharaan keseimbangan yang dinamis; dan
(7) Pewarisan sifat dan Evolusi termasuk advance materials yang dapat
menjelaskan aspek ‘apa’ (konten), ‘mengapa’ (filosofi) dan ‘bagaimana’
(penerapan dalam kehidupan keseharian) dalam kerangka biologi sebagai
inkuiri
Sub Capaian Pembelajaran Mata Kegiatan
Mampu menganalisis konsep dan prinsip-prinsip esensial prinsip pemeliharaan
keseimbangan yang dinamis.
2.2. POKOK-POKOK MATERI
a. Kultur sel tunggal
b. Transplantasi inti
c. Sel punca (stem cell) pada hewan

7. 3
2.3. URAIAN MATERI
2.3.1. Kultur sel tunggal
Sejalan dengan kemajuan teknologi DNA, ilmuwan telah mengembangkan
dan menyempurnakan metode untuk melakukan kloning pada organisme
multiseluler melalui kultur sel tunggal. Kloning dapat menghasilkan satu atau lebih
organisme yang identik secara genetis dengan induk sel tunggalnya. Kata “Clon”
berasal dari bahasa Yunani yang artinya “ranting”. Saat ini, kloning organisme
melalui sel tunggal sangat penting karena dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan
banyak jaringan yang berbeda dari satu sel induk.
Kloning hewan dan tumbuhan telah dilakukan sejak 50 tahun yang lalu
dalam berbagai percobaan untuk menjawab pertanyaan tentang biologi dasar.
Sebagai contoh, teori-teori terkait sel yang menyatakan bahhwa seluruh organisme
berasal dari sel. Banyak para ilmuwan dahulu bertanya-tanya apakah semua sel
dalam tubuh organisme multiseluler memiliki gen yang sama atau apa yang terjadi
jika sebuah sel kehilangan gen selama proses diferensiasi perkembangannya. Salah
satu cara untuk menjawab pertanyaan ini adalah dengan melihat apakah sel yang
berasal dari jaringan berbeda dapat membentuk organisme utuh, dengan kata lain,
apakah kloning organisme itu mungkin untuk dilakukan.
Kultur tanaman melalui sel tunggal telah dilakukan oleh F. C. Steward dan
murid-muridnya pada tahun 1950 di Cornell Univesity menggunakan tanaman
wortel (Gambar 1). Mereka menemukan bahwa sel pada jaringan berbeda pada
wortel jika dibiakkan dalam media yang tepat dapat tumbuh menjadi individu
dewasa yang secara genetis identik dengan tanaman induknya. Pada tumbuhan,
setiap sel dapat berdiferensiasi menjadi berbagai jenis sel pada tumbuhan tersebut
untuk membentuk suatu organisme. Potensi setiap sel seperti itu disebut dengan
Totipotensi.
Kultur tanaman saat ini telah digunakan secara luas pada bidang pertanian.
Pada beberapa tanaman, seperti anggrek, kultur merupakan satu-satunya cara yang
praktis memproduksi tanaman untuk keperluan komersial. Kultur tanaman juga

8. 4
telah digunakan untuk memproduksi tanaman dengan sifat yang unggul seperti
produksi cepat dan tahan terhadap patogen.
Gambar 1. Kultur sel tunggal tanaman wortel (Sumber: Reece, et al., 2011)
Salah satu harapan besar dari para peneliti terhadap proyek besar penelitian
terkait genom tanaman adalah ditemukannya gen unggul untuk dikembangkan

9. 5
melalui bioteknologi. Perkembangan ilmu bioteknologi difasilitasi oleh teknologi
kultur jaringan. Melalui teknologi kultur jaringan, tanaman unggul dapat dengan
mudah diperbanyak hanya menggunakan sel tunggal dari tanaman unggul. Kultur
jaringan pada tumbuhan lebih mudah dibandingkan dengan kultur jaringan pada
hewan yang dikenal dengan istilah kloning. Kemampuan totipotensi mendukung
tanaman untuk tumbuh dari sel somatik dan dapat mengekspresikan gen-gen yang
sebelumnya tidak terekspresi hingga tumbuh dan berkembang menjadi tanaman
yang utuh jika ditempatkan pada kondisi yang sesuai.
Keberhasilan teknik kultur sel, jaringan, atau organ tanaman sangat
ditentukan oleh penggunaan bahan awal berupa media nutrisi yang tepat serta
hormon yang memaksimalkan pertumbuhan dan mendorong terjadinya diferensiasi
pada tanaman. Sebagian besar kultur jaringan tanaman dimulai dari sel eksplan atau
sebagian kecil jaringan dari tanaman utuh yang ditumbuhkan dalam kondisi steril.
Pada kondisi kultur yang tepat, sel-sel tanaman tersebut akan berkembang
membentuk organ (akar, embrio, primordial daun, dan sebagainya) dan bahkan
dapat meregenerasi seluruh tanaman. Pada teknik rekayasa genetika, manipulasi
genetik dapat dilakukan pada tingkat sel tunggal dalam kultur sel tanaman yang
kemudian akan membawa sifat genetik pada tahapan perkembangannya.
Teknik kultur jaringan juga dapat digunakan untuk memproduksi secara
massal tanaman yang identik (klon) dengan sifat unggul. Pendekatan ini digunakan
oleh berbagai produksi komersial dari tanaman dengan sifat unggul pada skala
industri. Teknik kultur jaringan dapat dibagi menjadi beberapa bagian berdasarkan
tipe awal jaringan tanaman yang digunakan sebagai eksplan dan komposisi media
pertumbuhan yang digunakan.
a. Kultur Kalus
Kultur kalus mengacu pada pertumbuhan massa sel tanaman yang tidak
terorganisir dalam kultur. Untuk menghasilkan kultur kalus, sebuah eksplan
umumnya berisi sel meristematik dan diinkubasi pada media pertumbuhan yang
mengandung pengatur pertumbuhan tanaman tertentu seperti auksin dan

10. 6
sitokinin. Sel-sel yang tumbuh dari eksplan yang membentuk massa sel dan
tidak berdiferensiasi disebut dengan kalus. Massa sel yang tumbuh tidak
terorganisir ini analog dengan tumor pada tanaman. Sel dapat berkembang tanpa
batas waktu jika sel ditransfer secara berkala ke media pertumbuhan yang segar.
Namun, jika sel-sel kalus dipindahkan ke media pertumbuhan yang
mengandung nutrisi berbeda dari regulator pertumbuhan tanaman, sel-sel kalus
dapat diarahkan untuk berdiferensiasi menjadi akar atau pucuk. Proses
mengubah pertumbuhan sel tanaman yang tidak terorganisir menjadi
terorganisir untuk memproduksi tunas dan akar disebut organogenesis.
Pertumbuhan kalus hingga cukup jelas perkembangan organ-organ tanamannya
disebut dengan planlet. Ketika plantlet yang diperoduksi melalui mekanisme
organogenesis cukup besar, plantlet dapat ditransfer ke wadah yang lebih besar
dengan nutrisi atau tanah hingga tumbuh menjadi tanaman dewasa.
b. Kultur Suspensi Sel
Kultur suspensi sel tanaman melibatkan pertumbuhan sekelompok sel tunggal
tanaman dalam media pertumbuhan cair. Kultur suspensi sel biasanya diawali
dengan transfer sel kalus pada medium cair yang mengandung kombinasi zat
pengatur tumbuh dan bahan kimia tertentu yang mendorong pemisahan sel
menjadi sel tunggal. Kultur suspensi sel sering digunakan dalam aplikasi
penelitian dimana akses pada sel tunggal menjadi faktor penting dalam
penelitian. Kultur suspensi sel dapat digunakan untuk memilih sel-sel dengan
sifat yang diinginkan seperti kemampuan untuk toleransi terhadap herbisida
atau toleransi terhadap garam. Kultur kalus juga dapat digunakan untuk
memproduksi senyawa metabolit yang dihasilkan oleh sel tanaman tertentu. Hal
ini berkaitan dengan produksi produk tanaman, metabolit nabati penting, bahan
kimia obat, maupun minyak tertentu. Kultur suspensi sel juga dapat
berkembang menjadi tanaman utuh melalui proses embriogenesis sel somatik.
Sel tanaman terpilih dapat diisolasi dan dipindahkan ke media baru untuk
ditumbuhkan menjadi individu yang baru.

11. 7
c. Isolasi dan Kultur Protoplas
Protoplas adalah sel tanaman yang dinding-dinding selnya telah dihilangkan
melalui proses enzimatik hingga tersisa membran plasma. Protoplas tanaman
erat kaitannya dengan penelitian yang terhambat karena adanya dinding sel.
Setelah dinding sel dihilangkan melalui proses enzimatik, secara alami
protoplas tanaman akan mensintesis ulang dinding sel yang baru. Protoplas
tanaman juga lebih mudah ditransformasikan dengan DNA asing. Selain itu,
protoplas yang diisolasi dari tanaman yang berbeda dapat melakukan fusi
dengan protoplas dari tanaman lainnya untuk membentuk hibrid. Jika sel hasil
fusi protoplas diregenerasi menjadi tanaman utuh, tanaman hibrida ini akan
membawa kombinasi genetik baru dari dua sel yang berbeda. Sel hasil fusi daat
ditransfer ke media pertumbuhan yang baru hingga regenerasi dinding sel
terjadi dan diikuti oleh pembelahan sel untuk membentuk kalus hingga terjadi
proses organogenesis untuk membentuk tumbuhan yang baru.
d. Kultur Polen
Pada bunga, kepala sari merupakan organ yang mengandung serbuk sari. Dalam
perkembangan bunga secara normal, kepala sari yang matang dan terbuka
memungkinkan serbuk sari untuk menyebar dengan bantuan angin atau
serangga. Dalam kultur polen, kepala sari dipisahkan dari bunga dan
dipindahkan pada media pertumbuhan yang sesuai. Dalam periode waktu yang
singkat, sel serbuk sari (polen) dapat dimanipulasi untuk membentuk plantlet
yang dapat tumbuh dalam kultur hingga menjadi tanaman dewasa.
Perkembangan planlet pada kultur polen biasanya berlangsung melalui
pembentukan embrio. Tanaman yang diproduksi oleh kultur polen biasanya
haploid karena awalnya hanya berupa sel serbuk sari yang telah mengalami
pembelahan meiosis. Untuk duplikasi kromosom dapat menggunakan metode
poliploid dengan memanfaatkan kolkhisin sehingga memungkinkan terjadinya

12. 8
duplikasi kromosom. Duplikasi kromosom mengubah tanaman haploid yang
steril menjadi tanaman diploid yang subur. Pada kondisi ini, tanaman yang
diproduksi bersifat homozigot bahkan cenderung bersifat resesif. Tanaman
homozigot sangat berguna untuk menguji sifat resesif pada tanaman.
e. Kultur Organ Tanaman
Organ tanaman dapat tumbuh menjadi individu baru pada kondisi yang sesuai
sehingga metode ini dapat digunakan untuk mengembangkan tanaman dari
organ tanaman. Sebagai contoh, bunga tanaman pada tomat yang telah diserbuki
dapat dipotong dan dipindahkan pada labu kultur yang mengandung media yang
sesuai. Seiring waktu, bagian ovular tanaman akan berkembang menjadi buah
tomat yang akhirnya akan berubah menjadi tomat matang. Bagian akar tanaman
juga dapat dipotong dan dipindah pada media pertumbuhan cair. Pada media
ini, akar dapat berkembang membentuk akar primer dan sekunder.
2.3.2. Transplantasi inti
Sel hewan yang telah berdiferensiasi pada umumnya tidak dapat
ditumbuhkan dalam kultur sel sehingga sulit untuk mengembangkan kultur sel
tunggal dari sel hewan. Penggunakan sel hewan pada kultur sel menggunakan
pendekatan transplantasi inti. Pendekatan ini dilakukan dengan cara membuang
inti nukleus yang tidak dibuahi atau yang dibuahi dengan nukleus dari organisme
yang berbeda. Nukleus dari sel donor akan mempertahankan kemampuan
genetiknya sehingga sel akan berkembang membentuk seluruh jaringan, organ, dan
sistem organ suatu organisme.
Percobaan transplantasi inti telah dilakukan oleh Robert Briggs dan Thomas
King pada tahun 1950-an dengan menggunakan katak (Rana pipiens) dan Jhon
Gurdon pada tahun 1970 menggunakan spesies katak (Xenopus laevis). Para
peneliti ini mentransplantasikan inti dari sel embrio atau berudu pada telur (inti telur
telah dihilangkan) dari spesies yang sama. Eksperimen Gurdon menunjukkan

13. 9
bahwa transplantasi inti dapat mendukung perkembangan telur secara normal
menjadi berudu (Gambar 2). Gurdon menemukan bahwa transplantasi inti sangat
tergantung dengan usia pendonor nukleus, dimana semakin tua usia nukleus donor,
maka semakin rendah persentase berudu yang berkembang secara normal. Gurdon
menyimpulkan bahwa terjadi perubahan di dalam nukleus ketika sel hewan
berdiferensiasi.
Pada tahun 1970, para peneliti dari Roslin Institute di Skotlandia
menyatakan telah berhasil melakukan kloning pada seekor domba dengan
menggunakan transplantasi inti dari sel yang berbeda (Gambar 3). Para peneliti ini
membiakkan sel dari kelenjar susu pada medium bernutrisi. Nukleus dari sel
kelenjar susu (donor nukleus) kemudian ditransplantasikan pada sel telur domba
dan ditanamkan pada induk pengganti. Sel diploid tersebut kemudian membelah
untuk membentuk embrio awal. Dari beberapa ratus embrio yang ditanam, satu sel
berhasil berkembang secara normal dan menjadi organisme utuh. Domba tersebut
hingga saat ini dikenal dengan nama domba Dolly. Penelitian selanjutnya
menunjukkan bahwa DNA dan kromosom domba Dolly memang identik dengan
DNA dan kromosom donor nukleus. Kematian domba Dolly pada usia 6 tahun yang
diakibatkan oleh komplikasi penyakit paru-paru yang biasanya menyerang domba
yang jauh lebih tua menghadirkan spekulasi bahwa sel dengan nukleus yang berasal
dari donor tidak cukup baik untuk perkembangan domba secara normal.
Saat ini, para peneliti telah melakukan kloning pada banyak mamalia
termasuk tikus, kucing, kuda, sapi, babi, anjing, dan monyet. Hewan hasil kloning
dari spesies yang sama tidak selalu terlihat atau berperilaku identik. Contohnya
pada kucing hasil kloning pertama yang diberi nama CC (carbon copy), memiliki
corak bulu yang berbeda (corak bulu abu-abu) dibandingkan dengan induk donor
nukleusnya (corak bulu jingga dan abu-abu). Selain ciri morfologi, perilaku antara
kucing CC (aktif bermain) juga berbeda jika dibandingkan dengan induk donor
nukleusnya (pendiam). Perbedaan semacam ini diakibatkan aktivasi gen secara
acak yang dipengaruhi oleh lingkungan. Pengaruh lingkungan serta fenomena acak

14. 10
yang terjadi pada DNA memainkan peranan penting selama tahapan
perkembangan.
Gambar 2. Kultur sel dari sel embrionik (belum terdiferensiasi) dan sel usus (sudah
terdiferensiasi) pada katak (Xenopus laevis) (Sumber: Reece, et al., 2011)

15. 11
Gambar 3. Proses kloning domba “Dolly” menggunakan donor sel dan donor
nukleus (Sumber: Reece, et al., 2011)

16. 12
Keberhasilan pada kloning mamalia memunculkan spekulasi tentang
kloning manusia. Beberapa peneliti di seluruh dunia telah mencoba untuk memulai
langkah kloning pada manusia. Pendekatan yang paling umum digunakan adalah
menggunakan transplantasi inti ke telur yang tidak dibuahi, kemudian merangsang
telur untuk membelah. Tahun 2001, sekelompok peneliti di perusahaan
bioteknologi di Massachusetts, negara bagian Amerika Serikat, telah mengamati
pembelahan sel awal pada proses kloning sel manusia. Seoul National university di
Korea Selatan mengklaim telah berhasil mengkloning sel manusia hingga tahap
blastosit, walaupun kemudian hasil penelitian tersebut diragukan karena ditemukan
beberapa kesalahan prosedur. Tahun 2007, Pusat Penelitian Nasional Primata di
Oregon telah berhasil mengkloning embrio primata (macaque) hingga tahap
blastosit. Penemuan ini kemudian mengarahkan teknologi transplantasi inti ini satu
langkah lebih dekat ke kloning manusia.
Percobaan kloning menggunakan teknik transplantasi telah banyak
dilakukan, tetapi hanya sebagian kecil embrio yang mampu berkembang normal
hingga akhir. Para ilmuwan menyatakan bahwa, hewan hasil kloning yang tampak
normal sekalipun ternyata memiliki cacat halus.
Pada nukleus sel yang telah terdiferensiasi, sebagian gen telah diaktifkan
dan sisanya di nonaktifkan. Selama proses transplantasi inti, perubahan nukleus
pada sel donor menyebabkan berubahnya aktivasi gen dari yang seharusnya.
Aktivasi dan inaktivasi gen secara tepat mempengaruhi tahapan perkembangan
awal sel. Para peneliti menemukan bahwa DNA di dalam sel yang telah
terdiferensiasi memiliki lebih banyak kelompok metil daripada DNA di dalam sel
embrio pada spesies yang sama. Penemuan ini menunjukkan bahwa nukleus donor
membutuhkan restrukturisasi kromatin yang tidak lengkap selama prosedur
kloning. Metilasi pada DNA membantu proses ekspresi gen, gugus metil yang tidak
tepat dalam DNA nukleus donor dapat mengganggu pola ekspresi gen yang
diperlukan untuk perkembangan embrio secara normal. Oleh karena itu,
keberhasilan kloning sangat tergantung apakah kromatin dalam nukleus donor

17. 13
dapat dimodifikasi secara artifisial agar menyerupai kondisi kromatin pada saat sel
telur baru dibuahi.
2.3.3. Sel punca (stem cell) pada hewan
Kloning pada manusia tidak bertujuan untuk reproduksi, tetapi bertujuan
untuk memproduksi sel induk yang dapat digunakan untuk pengobatan penyakit
manusia. Sel punca (stem Cell) merupakan sel yang tidak terspesialisasi sehingga
dapat bereproduksi sendiri tanpa batas dan dalam kondisi yang sesuai dapat
berdiferensiasi menjadi berbagai jenis sel. Sel punca mampu mempertahankan
jumlahnya dan dapat menghasilkan sel yang mampu berdiferensiasi.
Embrio hewan banyak mengandung sel punca. Sel punca pada embrio awal
dapat diisolasi pada tahapan blastula (pada manusia disebut blastosit) dan kemudian
dibiakkan dalam medium kultur khusus sehingga sel embrionik ini dapat
memperbanyak diri tanpa batas. Modifikasi medium kultur khusus dapat digunakan
untuk merangsang sel embrionik berdiferensiasi menjadi jenis sel tertentu. Potensi
sel embrionik lebih menjanjikan dari pada sel induk dewasa karena sel embrionik
memiliki potensi pluripoten, yaitu dapat berdiferensiasi menjadi banyak jenis sel
yang berbeda.
Selain sel embrionik, pada tubuh dewasa juga terdapat sel punca yang
berfungsi menggantikan sel-sel tertentu. Sel punca pada tubuh dewasa tidak dapat
berdiferensiasi menjadi seluruh jenis sel dalam organisme seperti pada sel
embrionik, meskipun sel punca tersebut dapat berdiferensiasi menjadi banyak jenis
sel. Sel punca pada sumsum tulang belakang dapat berdiferensiasi menjadi semua
jenis sel darah yang berbeda, sel tulang, tulang rawan, lemak, otot, dan lapisan
pembuluh darah. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sel punca juga terdapat pada
otak, kulit, rambut, mata, dan pulpa gigi. Penelitian untuk mencari sel punca pada
tubuh dewasa masih dilakukan hingga saat ini. Tujuan utama pencarian ini adalah
menyediakan sel punca untuk memperbaiki organ rusak pada manusia yang
disebabkan oleh penyakit contohnya sel pankreas penghasil insulin, penyakit
Parkinson, atau penyakit Huntington. Sel punca pada sumsum tulang belakang telah
banyak digunakan sebagai sumber untuk sel yang menghasilkan sistem kekebalan

18. 14
pada manusia yang dikarenakan rusaknya sistem kekebalan tersebut karena
kelainan genetik, penyakit, atau kanker (Gambar 4).
Gambar 4. Bekerja dengan sel punca embrionik dan sel punca dewasa
(Sumber: Reece, et al., 2011)
Sel punca memiliki potensi yang luar biasa untuk berkembang menjadi
berbagai jenis sel dalam tubuh selama fase awal kehidupan dan pertumbuhan.

19. 15
Selain itu, pada berbagai jaringan tubuh, sel punca memiliki fungsi sebagai sistem
perbaikan internal yang dapat berdiferensiasi tanpa batas selama organisme masih
hidup. Ketika sel punca bermitosis, setiap sel baru yang dihasilkan memiliki potensi
untuk tetap menjadi sel punca atau menjadi sel lain dengan fungsi khusus seperti
sel otot, sel darah merah, atau sel otak.
Sel punca dapat dibedakan dari jenis sel lainnya berdasarkan dua
karakteristik utama. Pertama, sel punca merupakan sel yang tidak terspesialisasi
dan mampu memperbarui diri melalui pembelahan sel walaupun terkadang tidak
membelah dalam waktu yang lama. Kedua, sel punca dalam kondisi fisiologis
tertentu, dapat diinduksi menjadi sel khusus untuk membentuk jaringan atau organ
dengan fungsi yang khusus. Pada beberapa organ seperti usus dan sumsum tulang,
sel punca secara teratur membelah untuk memperbaiki dan mengganti jaringan
yang rusak. Namun pada organ lain seperti pankreas dan jantung, sel punca hanya
membelah dalam kondisi khusus.
Para ilmuwan membagi sel punca ke dalam dua jenis yaitu sel punca
embrionik dan sel punca somatik atau non-embrionik. Hierarki sel punca disajikan
pada Gambar 5. Para ilmuwan menemukan cara untuk mengisolasi sel punca
embrionik dari embrio tikus pada tahun 1981. Studi lebih detail tentang cara
memperoleh sel punca embrionik pada tikus menginisiasi metode untuk
memperoleh sel punca pada embrio manusia. Embrio digunakan dalam penelitian
dengan tujuan reproduksi dihasilkan melalui prosedur fertilisasi in vitro. Pada tahun
2006 pada peneliti mengidentifikasi kondisi yang memungkinkan beberapa sel
dewasa diprogram ulang secara genetik untuk kembali seperti sel punca. Jenis sel
punca baru ini disebut dengan induced pluripotent stem cells (iPSCs).
Sel punca sangat penting bagi organisme hidup karena berbagai alasan. Pada
saat embrio berusia 3 hingga 5 hari (blastosit), sel-sel pada masa itu mampu
berkembang menjadi berbagai jenis sel hingga terbentuk satu individu utuh. Pada
beberapa jaringan dewasa seperti sumsum tulang, otot, dan otak, populasi sel punca
dewasa menyediaan sel untuk menggantikan sel yang rusak, cidera, atau terkena
penyakit. Dengan kemampuan regeneratifnya yang unik, sel punca memberikan
harapan dan potensi baru untuk mengobati penyakit terkait kerusakan jaringan

20. 16
seperti diabetes dan penyakit jantung. Studi laboratium tentang sel punca
memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari sifat-sifat penting dari sel punca
agar dapat dikembangkan menjadi obat baru untuk mengobati berbagai penyakit
bawaan lahir maupun tidak.
Gambar 5. Hierarki Sel Punca (ICM: Inner Cell Mass; PGCs: Primordial Germ
Cell; ESCs: Embryonic Stem Cells; EGCs: Embryonic Germ Cells; iPSCS: Induced
Pluripotent Stem Cells; FSCs: Follicle Stem Cells; MSCs: Mesenchymal Stem
Cells; HSCs: Hematopoietic Stem Cells; NSCs: Neural Stem Cells) (Sumber:
Forostyak et al., 2016)

21. 17
a. Karakter Sel Punca
Sel punca berbeda dengan jenis sel lainnya di dalam tubuh. Semua sel punca
secara umum memiliki tiga karakter yaitu (1) membelah dan memperbaharui diri
untuk waktu yang lama, (2) tidak terspesialisasi, dan (3) dapat berdiferensiasi
menjadi berbagai tipe sel khusus. Tidak seperti sel otot, sel darah, atau sel saraf
(Gambar 6) yang tidak mereplikasi dirinya sendiri, sel punca dapat bereplikasi
berkali-kali atau berkembang biak. Populasi awal sel punca yang berproliferasi
selama berbulan-bulan di laboratorium dapat menghasilkan jutaan jenis sel.
Gambar 6. Karakter sel punca dapat berdiferensiasi menjadi berbagai tipe sel
(Sumber: Jose, 2017)
Para ilmuwan berusaha memahami dua sifat dasar sel punca yang
berhubungan dengan kemampuan memperbarui diri. Pertanyaan utamanya adalah
mengapa sel punca embrionik mampu berkembang biak selama satu tahun atau
lebih di laboratorium tanpa terjadi diferensiasi sedangkan sel punca somatik tidak
bisa serta apa saja faktor dari dalam organisme hidup yang mengatur proliferasi dan
perbaharuan sel punca. Para ilmuwan butuh hingga dua dekade belajar bagaimana

22. 18
menumbuhkan sel induk embrionik manusia di laboratorium. Hingga saat ini, para
ilmuwan masih telrus mempelajari berbagai sinyal yang memungkinkan sel punca
dapat tumbuh mejadi berbagai jenis jaringan.
Sel punca tidak terspesifikasi. Salah satu sifat dasar dari sel punca adalah
tidak memiliki struktur spesifik jaringan yang memungkinkan sel menjalankan
fungsi-fungsi khusus, namun, sel punca yang tidak terspesialisasi dapat
memunculkan sel khusus termasuk sel otot, sel darah, atau sel saraf.
Sel punca dapat berdiferensiasi menjadi sel khusus. Ketika sel punca yang
tidak terspesialisasi berdiferensiasi menjadi sel khusus, proses tersebut dinamakan
dengan proses diferensiasi. Untuk berdiferensiasi, sel biasanya melalui beberapa
tahapan dan pada setiap tahapan sel menjadi lebih spesifik. Para ilmuwan saat ini
sudah mulai memahami setiap tahapan diferensiasi sel yang berasal dari sinyal
dalam sel dan luar sel yang memicu setiap tahapan dari proses diferensiasi. Sinyal
internal dikendalikan oleh gen di dalam sel. Sinyal eksternal dikendalikan oleh
bahan kimia yang disekresikan oleh sel lain, kontak fisik dengan sel tetangganya,
dan molekul tertentu dalam lingkungan mikro. Interaksi sinyal selama tahapan
diferensiasi mempengaruhi gen di dalam DNA sel.
Sel punca dewasa biasanya menghasilkan jenis sel dari jaringan tempat sel
tersebut berada. Sebagai contoh, sel punca dewasa pembentuk darah di sumsum
tulang biasanya menghasilkan banyak sel darah. Secara umum telah diketahui
bahwa sel pembentuk darah terdapat di sumsum tulang belakang yang disebut
dengan sel punca hematopoietik, tidak dapat berdiferensiasi menjadi jaringan yang
berbeda seperti sel-sel saraf di otak.
b. Sel Punca Embrionik
Sel punca embrionik berasal dari embrio yang berkembang dari sel telur
yang telah dibuahi secara in vitro yang disumbangkan untuk kepentingan penelitian
dengan persetujuan dari donor (Gambar 7). Sel punca yang digunakan umumnya
tidak berasal dari sel telur yang dibuahi dalam tubuh wanita karena hal tersebut
melanggar bioetik.

23. 19
Gambar 7. Sel punca embrionik
Human embryonic stem cells (hESCs) dihasilkan dengan mentransfer sel-
sel dari embrio pada tahapan pra-implantasi ke medium kultur laboratorium yang
berisi nutrisi. Pada metode yang sebenarnya, medium dilapisi oleh sel kulit
embrionik tikus yang diberi perlakuan khusus sehingga tidak akan membelah.
Lapisan ini disebut dengan lapisan pengumpan. Sel-sel embrionik kulit tikus akan
menyediakan permukaan yang lengket sehingga sel punca embrionik dapat

24. 20
menempel. Tapi saat ini, sel punca embrionik dapat ditumbuhkan pada medium
kultur tanpa lapisan pengumpan.
Selama sel punca embrionik dalam kultur ditanam dalam kondisi yang
sesuai, sel punca dapat tetap tidak terdiferensiasi (tidak terspesifikasi). Tetapi jika
sel punca dibiarkan menggumpan membentuk tubuh embrioid, sel punca akan
mulai berdiferensiasi secara spontan. Meskipun proses diferensiasi spontan
merupakan indikasi bahwa sel punca tersebut sehat, namun prosesnya tidak
terkontrol. Jadi, untuk menghasilkan kultur sel yang spesifik, para ilmuwan
mencoba mengendalikan diferensiasi sel punca embrionik. Para ilmuwan
mengubah komposisi kimia media kultur, pengubah permukaan medium kultur,
atau memodifikasi sel dengan memasukkan gen spesifik. Melalui eksperimen
selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah menetapkan beberapa metode dasar
untuk diferensiasi sel punca embrionik menjadi beberapa tipe sel tertentu.
Jika para ilmuwan dapat secara tepat mengarahkan proses diferensiasi sel-
sel punca embrionik pada tipe-tipe sel tertentu, maka dimasa yang akan datang, sel
ini dapat digunakan untuk mengobati penyakit-penyakit tertentu dimasa depan.
Penyakit yang mungkin dapat diobati dengan transplantasi sel yang dihasilkan dari
sel punca embrionik manusia antara lain diabetes, cedera sumsum tulang belakang,
disrofi otot, jantung, gangguan penglihatan dan pendengaran.
c. Sel Punca Dewasa
Sel punca dewasa dianggap sebagai sel yang belum berdiferensiasi karena
ditemukan diantara sel-sel yang berdiferensiasi dalam jaringan atau organ. Sel
punca dewasa dapat memperbaharui dirinya sendiri dan dapat berdiferensiasi untuk
menghasilkan beberapa atau semua jenis sel khusus utama dari jaringan atau organ.
Peran utama sel punca dewasa dalam organisme hidup adalah untuk memelihara
dan memperbaiki jaringan dimana sel tersebut ditemukan. Para ilmuwan
menggunakan istilah sel punca dewasa atau sel punca somatik dan juga sel punca
non-embrionik untuk merujuk dimana tempat ditemukannya sel punca tersebut
(bukan bakal sel kelamin, sel sperma, atau sel telur). Tidak seperti sel punca

25. 21
embrionik, sel punca dewasa hanya terdapat pada beberapa jaringan dewasa dan
masih diteliti hingga saat ini (Gambar 8).
Gambar 8. Sel punca dewasa pada berbagai jaringan dan organ tubuh manusia
Penelitian tentang sel punca dewasa telah membawa perubahan pada
penelitian tentang sel punca. Sel punca dewasa ditemukan lebih banyak dari pada
yang dibayangkan pada awalnya. Temuan ini mengarahkan para peneliti dan dokter
untuk menguji apakah sel punca dewasa dapat digunakan pada pengobatan
transplantasi sel. Faktanya, sel punca hematopoietik yang membentuk darah pada
sumsum tulang telah digunakan pada transplantasi selama lebih 40 tahun. Para
ilmuwan sekarang memiliki bukti bahwa sel punca juga terdapat di otak dan
jantung. Jika diferensiasi sel punca dewasa dapat dikontrol di laboratorium, sel-sel
ini dapat menjadi dasar terapi berbasis transplantasi sel.
Pada tahun 1960-an, para ilmuwan yang mempelajari tikus menemukan
terdapat dua wilayah otang yang mengandung sel pembagi yang akhirnya menjadi

26. 22
sel saraf. Saat itu, sebagian besar ilmuwan percaya bahwa otak dewasa tidak dapat
menghasilkan sel saraf baru. Baru pada tahun 1990-an para ilmuwan sepakat bahwa
otak orang dewasa memang mengandung sel-sel punca yang mampu menghasilkan
tiga jenis sel utama pada otak (astrosit, oligodendrosit, dan neuron).
Sel punca dewasa telah diidentifikasi pada banyak organ dan jaringan
termasuk otak, sumsum tulang, darah tepi, pembuluh darah, otot rangka, kulit, gigi,
jantung, usus, hati, epitel ovarium, dan testis. Sel punca dewasa berada pada area
spesifik dari setiap jaringan. Sel punca mungkin tidak mengalami pembelahan
dalam jangka waktu yang lama hingga sel tersebut diaktifkan untuk perbaikan
jaringan oleh penyakit atau cidera ringan. Biasanya ada sejumlah kecil sel punca di
setiap jaringan dan setelah dikeluarkan dari tubuh, kapasitas sel punca untuk
membelah menjadi terbatas sehingga proses regenerasi sel punca dalam jumlah
besar menjadi sulit.
Sebagaimana telah disampaikan sebelumnya, sel punca dewasa terdapat di
banyak jaringan dan sel tersebut mengalami diferensiasi untuk membentuk sel
khusus sesuai dengan tempat dimana sel tersebut berada. Berikut ini contoh jalur
diferensiasi sel induk dewasa:
1) Sel punca hematopoietik. Sel punca hematopoietik dapat berdiferensiasi
menjadi semua jenis sel darah sperti sel darah merah, limfosit B, limfosit T,
neutrofil, basofil, eosinosil, monosit, dan makrofag (Gambar 9).
2) Sel punca mesenkim. Sel punca mesenkim telah dilaporkan terdapat pada
banyak jaringan. Sel yang berasal dari sumsum tulang (sel punca stroma
sumsum tulang dan sel punca skeletal) dapat berdiferensiasi menjadi berbagai
jenis sel seperti sel tulang (osteoblas dan osteosit), sel tulang rawan (kondrosit),
sel lemak (adiposit), dan sel stroma yang mendukung pembentukan darah
(Gambar 10). Namun belum jelas seberapa mirip atau berbeda sel mesenkim
yang berasal dari sumsum tulang dibandingkan dengan yang berasal dari stroma
sumsum tulang.

27. 23
Gambar9.Selpuncahematopoietikbesertaseldiferensiasinya

28. 24
Gambar 10. Sel punca mesenkim dan sel diferensiasinya
3) Sel punca saraf. Sel punca saraf diotak dapat berdiferensiasi menjadi tiga jenis sel
utama otak seperti sel saraf (neuron) dan dua sel non-nouron (oligodendrosit dan
astrosit) (Gambar 11).
4) Sel punca epitel. Sel punca epitel pada lapisan saluran pencernaan terjadi pada kriptus
dalam dan dapat berdiferensiasi menjadi beberapa tipe sel seperti sel penyerap, sel
piala, sel paneth, dan sel enteroendokrin.
5) Sel punca kulit. Sel punca kulit terdapat pada lapisan basal epidermis dan di pangkal
folikel ramput. Sel punca ini dapat berdiferensiasi menjadi keratinosit yang

29. 25
bermigrasi ke permukaan kulit untuk membentuk lapisan pelindung. Sel punca folikel
dapat berdiferensiasi menjadi folikel rambut dan epidermis.
Gambar 11. Sel punca saraf dan sel diferensiasinya serta molekul kecil, sitokinin, dan
faktor pertumbuhannya
d. Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs)
Induced pluripotent stem cells adalah sel punca dewasa yang telah diprogram
ulang secara genetik pada keadaan seperti sel punca embrionik dengan dipaksa untuk
mengekspresikan gen dan faktor penting untuk mempertahankan sifat-sifat yang
menentukan sel induk embrionik (Gambar 12). Meskipun sel ini telah memenuhi kriteria
sebagai sel punca pluripoten, belum diketahui apakah iPSCs dan sel punca embrionik
berbeda secara klinis. iPSCs pada tikus menunjukkan karakteristik penting dari sel punca
pluripotent, termasuk mengekspresikan penanda sel punca, membentuk tumor yang

30. 26
mengadung sel dari tiga lapisan utama (ektoderm, mesoderm, dan endoderm) dan mampu
membentuk banyak jaringan yang berbeda ketika diintroduksikan pada embrio tikus pada
tahap perkembangan yang sangat awal.
Gambar 12. Skema penggunaan Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs)

31. 27
Gambar 11. Manfaat sel punca pada bidang kesehatan sebagai terapi gen, penemuan obat
baru, dan biomarker untuk diagnosis penyakit

32. 28
e. Potensi dan Manfaat Sel Punca Manusia
Tujuan utama dari penelitian sel punca adalah untuk mengidentifikasi bagaimana
sel punca yang tidak berdiferensiasi menjadi sel yang berdiferensiasi membentuk jaringan
dan organ. Para ilmuwan paham bahwa menghidupkan dan mematikan gen adalah inti
dari seluruh proses diferensiasi ini. Beberapa kondisi medis seperti kanker dan cacat lahir
disebabkan oleh pembelahan sel yang abnormal dan kegagalan diferensiasi. Maka,
pengendalian proliferasi dan diferensiasi sel membutuhkan penelitian tentang sinyal
molekuler dan gen yang mengatur pembelahan dan spesialisasi sel.
Sel punca manusia saat ini digunakan untuk menguji obat baru. Obat-obatan baru
diuji keamanannya pada sel-sel yang dapat dibedakan berdasarkan garis sel pluripoten
manusia. Garis sel kanker misalnya digunakan untuk menyeleksi obat anti kanker
potensial. Ketersediaan sel punca berpotensi luas untuk pengujian berbagai jenis obat
dalam berbagai jenis sel secara luas. Mungkin aplikasi potensial sel punca manusia yang
paling penting adalah pembentukan sel dan jaringan yang dapat digunakan sebagai terapi
berbasis sel. Saat ini, organ dan jaringan yang disumbangkan sering digunakan untuk
menggantikan jaringan yang sakit atau rusak, tetapi kebutuhan akan jaringan dan organ
jauh lebih besar daripada persediaan yang tersedia. Sel punca diarahkan untuk
berdiferensiasi menjadi sel tertentu dan memberikan kemungkinan menjadi sumber
terbarukan dari sel dan jaringan pengganti untuk mengobati berbagai penyakit terkait
jaringan dan organ.

33. 29