Beberapa penelitian di bidang nutrisi ternak banyak
mengeksplorasi terkait defisiensi ataupun kelebihan dari beberapa komponen
nutrisi yang dapat menyebabkan penyakit pada ternak, yang selanjutnya
berpengaruh terhadap menurunnya produktivitas ternak. Akan tetapi terobosan di
bidang genomik mendorong perkembangan beberapa teknologi yang dapat diaplikasikan
di bidang nutrisi.
Beberapa teknik baru itu seperti genomik, proteomik,
metabolik dan bioinformatik menjadi solusi untuk menjembatani gap antara
nutrisi dan genetik. Telah banyak diketahui bahwa kekurangan pakan, ketidakseimbangan
nutrisi dan atau kelebihan pakan memiliki efek yang mendalam, yang dapat
menyebabkan memburuknya kesehatan dan performa. Hal ini menunjukkan bahwa, komponen
nutrisi dalam pakan mempunyai efek langsung pada proses molekuler yang pada
akhirnya dapat merubah ekspresi gen.
Kemajuan dalam ilmu nutrisi menemukan bahwa nutrisi
atau metabolitnya dapat mengatur berbagai fungsi tubuh secara langsung atau
dengan merangsang atau menonaktifkan regulator tertentu. Oleh karena itu, untuk
mempelajari hubungan gen nutrisi atau interaksi antara genomik dan nutrisi,
nutrigenomik telah diperkenalkan dalam penelitian bidang nutrisi.
Konsep Nutrigenomik
Nutrigenomik merupakan suatu studi ilmiah yang
mempelajari mengenai dinamika, regulasi dan cara dari suatu gen spesifik
berinteraksi dengan suatu senyawa atau bioaktif pada suatu makanan
tertentu. Menurut Hippocrates, makanan akan diubah menjadi
informasi genetik yang di ekpresikan sehingga memberikan profil metabolisme
yang berbeda yang akan berdampak pada pola makan dan kesehatan.
Nutrigenomik adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara faktor genetik
dengan nutrisi yang memiliki komposisi spesifik dan yang mampu menginduksi
ekspresi gen dalam tubuh. Nutrigenomik merupakan aplikasi genomik dalam
pengembangan teknologi baru, seperti transkriptomik, proteomik, metabolomik,
dan epigenomik berbasis pada analisis fungsi gen dan ekspresinya.
Nutrigenomik adalah ilmu yang mempelajari hubungan
molekuler antara stimulasi nutrisi dan respon dari gen, sehingga akan dapat dipahami
tentang bagaimana nutrisi mempengaruhi jalur metabolisme/metabolic pathways dan kontrol homeostasis, bagaimana regulasi ini
terganggu pada fase awal dari penyakit yang berhubungan dengan pakan, dan
sejauhmana kepekaan genotipe berkontribusi terhadap penyakit tersebut pada
individu.
Dilihat dari perspektif nutrigenomik, nutrien
merupakan sinyal dari pakan, yang terdekteksi oleh sistem sensor sel, yang
mempengaruhi ekspresi gen dan protein, serta produksi metabolit. Meskipun hanya
sedikit, penelitian pada interaksi molekuler dari bahan pakan mengindikasikan
bahwa ekspresi gen dimodifikasi dari komponen pakan, termasuk di dalamnya
makrokomponen (karbohidrat, protein, lemak dan kolesterol), vitamin
(diantaranya A, B, E, D), mineral (diantaranya Fe, Se, Ca) dan phytocompounds
termasuk flavonoids, isothiocyanates dan indoles.
Ilmu yang mempelajari bagaimana gen dan produk gen
berinteraksi dengan komponen kimiawi pakan untuk mengubah fenotip, dan
sebaliknya, bagaimana gen dan produk metabolisme nutrisi disebut nutritional
genomics atau nutrigenomics. Dilihat dari perspektif nutrigenomik, nutrien
merupakan sinyal dari pakan, yang terdekteksi oleh sistem sensor sel, yang
mempengaruhi ekspresi gen dan protein, serta produksi metabolit. Tahapan yang
krusial dari nutrigenomik adalah transcriptomics, proteomics dan metabolomics.
Interaksi antara Nutrisi
dan Gen
Pakan telah lama dianggap sebagai suatu campuran
komplek dari substansi alami yang menyediakan energi dan building block untuk perkembangan dan penopang suatu organisme.
Disamping hal itu, nutrisi memiliki berbagai aktivitas biologis. Beberapa
nutrien ditemukan bertindak sebagai penangkal radikal yang dikenal sebagai
antioksidan dan beberapa lainnya terlibat dalam perlindungan terhadap penyakit.
Beberapa nutrien lainnya telah terbukti menjadi
molekul pemberi isyarat yang kuat dan bertindak sebagai hormon nutrisi.
Beberapa metabolit sekunder dari tanaman yang dikenal sebagai phytochemical
bertindak sebagai modulator kesehatan dan produksi pada hewan. Banyak penyakit
dan gangguan terkait dengan nutrisi suboptimal dari nutrisi yang esensial,
ketidakseimbangan macronutrients, atau konsentrasi toksik senyawa makanan
tertentu.
Ada penyakit multietiological yang disebabkan
interaksi nutrisi yang berbeda terhadap beberapa gen (Mariman, 2006). Hal ini
berdasarkan keragaman luar biasa pada makhluk hidup dalam pencernaan makanan,
penyerapan nutrisi, metabolisme, dan ekskresi telah diamati dan penyakit
genetik dalam proses ini telah dilaporkan. Integritas fungsional dari gen
terutama tergantung pada sinyal metabolik yang diterima nukleus dari faktor
internal, misalnya hormon, dan faktor-faktor eksternal, misalnya nutrisi,
dimana nutrisi merupakan salah satu yang paling berpengaruh dari rangsangan
lingkungan.
Genom berevolusi dalam menanggapi berbagai jenis
rangsangan lingkungan, termasuk gizi. Oleh karena itu, ekspresi informasi
genetik dapat diatur lebih tinggi oleh, nutrisi, mikronutrien, dan
phytochemical yang ditemukan dalam makanan. Nutrigenomic yang mempelajari
pengaruh nutrien pada kesehatan melalui perubahan di tingkat genom (gen),
transkriptom (mRNA), proteom (protein), metabolom (metabolit) serta
perubahannya di tingkat fisiologis.
Aplikasi Nutrigenomik pada Kesehatan dan Nutrisi Ternak
Efek dari variasi genetik ini dipengaruhi oleh lokasi
gen tersebut dan ekspresi protein dari gen tersebut dan berefek terhadap proses
matobolisme gen-gen terkait (genes cascade). Perubahan dalam gen juga
memberikan dampak yang berbeda terhadap populasi (ras) yang berbeda. Susunan
DNA tertentu juga memiliki ketahanan terhadap penyakit tertentu.
Oleh karena itu, perkembangan ilmu nutrigenomik
merupakan momen yang krusial untuk merevolusi pemahaman manusia terhadap apa
yang dimakannya. Beberapa komponen nutrisi essensial juga dapat mempengaruhi
perubahan aktivitas gen dan kesehatan, seperti karbohidrat, asam amino, asam
lemak, kalsium, zinc, selenium, folate dan Vitamin A, C & E, dan juga
komponen bioaktif non-essesial mempengaruhi secara signifikan terhadap
kesehatan.
Sampai saat ini, hampir 1000 gen penyakit manusia
sudah teridentifikasi, 97% diantaranya diketahui sebagai penyebab penyakit
monogenik (artinya mutasi di satu gen saja sudah cukup untuk menjelaskan
penyebab penyakit). Pada beberapa penyakit monogenik, modifikasi asupan makanan
dapat mencegah munculnya gejala klinis. Nutritional genomic menjanjikan
terciptanya sejumlah rekomendasi diet sebagai hasil penelitian yang mendalam
tentang interaksi nutrien-gen. Rekomendasi diet yang diharapkan adalah yang
sesuai dengan pola variasi genetik individual (nutrisi individual= personalized
nutrition) sehingga dapat diterapkan sebagai nutrisi pencegahan terhadap
timbulnya penyakit kronik.
Penemuan mutakhir menyatakan bahwa efek sehat dari
komponen makanan sebagian besar berhubungan dengan interaksi spesifik pada
tingkat molekular yaitu partisipasi komponen diet dalam pengaturan ekspresi gen
dengan mengubah aktifitas faktor transkripsi, atau melalui sekresi hormon yang
mengganggu faktor transkripsi (Gambar 1).
|
Gambar 1: Skema interaksi nutrien-gen. (Dikutip dari Gillies PJ, J Am Diet Assoc 2003;103:S52) |
Nutrisi tidak hanya bertindak sebagai substrat untuk
metabolisme tetapi dapat juga mempengaruhi proses yang berlangsung secara
bersinambungan dari (Dikutip dari Go et al J. Nutr. 135: 3016S–3020S, 2005)6
genom ke transkriptom ke proteom (genotip) ke fenotip (Dikutip dari Go dkk J.
Nutr. 135: 3016S–3020S, 2005)6
Nutrigenomics adalah analisis prospektif untuk
mengetahui peranan berbagai zat gizi dalam mengatur ekspresi gen. Berbagai
teknologi genomik canggih antara lain DNA microarray, RT- PCR (Real
Time-Polymerase Chain Reaction), dan lain-lain diterapkan untuk menelitii
efek zat gizi pada tingkat genom, transkriptom, proteom dan metabolom (Gambar
2).
|
Gambar 2: Teknologi yang digunakan pada genomik, transkriptomik, proteomik dan metabolomik untuk mempelajari respons selular terhadap perubahan lingkungan nutrisional. |
Nutrigenomics sebagai ilmu pengetahuan temuan,
bertujuan memahami pengaruh nutrisi terhadap jaras metabolisme, pengendalian
homeostasis serta bagaimana pengaturan ini terganggu pada penyakit yang
berkaitan dengan diet.
Studi ekspresi gen dapat digunakan untuk identifikasi
jalur/pathway dan kandidat gen yang
berpengaruh terhadap sifat ekonomis. Nutrisi dan genetik sangat mempengaruhi
performa reproduksi hewan perah. Hal ini sangat penting selama masa transisi
dan menyusui dini, ketika hewan tersebut sangat sensitif terhadap
ketidakseimbangan gizi.
Nutrigenomik dapat digunakan untuk memahami bagaimana
managemen nutrisi dapat diterapkan untuk mengatasi penyakit, performa dan
produktivitas pada ternak. Dalam perjalannya pada penelitian nutrigenomik pada
ternak ruminansia, tujuan nutrigenomik adalah untuk mempelajari pengaruh pakan
pada perubahan ekspresi gen atau proses regulasi yang mungkin terkait dengan
berbagai proses biologi yang berkaitan dengan kesehatan hewan dan produksi.
Dalam studi pada sapi pejantan yang mendapat nutrisi
terbatas karena asupan pakan yang buruk, hal ini berefek pada ekspresi gen
tertentu yang berhubungan dengan turnover
protein, cytoskeletal remodeling dan metabolic homeostasis (Byrne, et.al.,
2005).
Ada beragam informasi tentang pengaruh pakan pada
ekspresi gen yang terkait dengan sifat produktif atau reproduksi ternak. Sebuah
penelitian menyatakan bahwa kekurangan selenium dalam ransum pakan akan
mengubah sintesis protein pada level transcriptional (Rao, et.al, 2001). Hal
ini menyebabkan efek samping seperti efek peningkatan dari stres melalui
peningkatan regulasi ekspresi gen spesifik dan signal pathway.
Di sisi lain, gen yang bertanggung jawab untuk
mekanisme detoksifikasi dan perlindungan dari kerusakan oksidatif terhambat,
konsekuensi ini akhirnya mengarah pada perubahan ekspresi fenotipik gejala
terkait defisiensi selenium.
Dari contoh di atas terlihat bahwa, mungkin
nutrigenomik dapat digunakan untuk mengidentifikasi penanda khusus untuk
memanipulasi ekspresi gen melalui penggunaan nutrisi atau kombinasi keduanya, sehingga
dapat meningkatkan kinerja hewan produktif serta keseluruhan. Penemuan penanda
gen yang berkaitan dengan sifat-sifat ekonomis penting pada ternak seperti
susu, daging, produksi wol dll. Ekspresinya dapat ditingkatkan dengan
pengaturan pakan merupakan kajian penelitian nutrigenomik yang akan membantu
untuk meningkatkan produksi ternak yang berkelanjutan.
Oleh: Ayu Septi Anggraeni
Penulis adalah Kandidat
Peneliti Bidang Bioteknologi
Peternakan dan Ilmu Ternak, Lembaga Ilmu Pengetahuan
Indonesia (LIPI)