KOMPUTER DNA

Komputer DNA

Meniru dari Makhluk Hidup
Komputer dan DNA… dua istilah yang biasanya dipergunakan dalam
konteks yang sangat berbeda. DNA merupakan istilah favorit di dunia biologi dan
genetik, sedangkan komputer justru populer dalam dunia informatika dan
teknologi modern. Lalu apa hubungan antara keduanya? Siapa pula yang punya
ide gila untuk membuat komputer DNA?
Alkisah ada 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.
Bayangan rantai DNA yang berpilin terus saja mengusik pikirannya. Tiba-tiba
Adleman lompat dari tempat tidurnya. Terjadi pencerahan! Ia menyadari sesuatu
yang sangat menarik: Sel hidup manusia mengolah dan menyimpan informasi
dengan cara yang sangat mirip dengan program komputer!
Gambar 1 Deoxyribosenucleic Acid (DNA) dengan struktur Double-Helix
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 banyak
kemungkinan 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 masingmasing
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. Lho? Komputer masa depan tetapi justru kalah dengan komputer klasik?
Jadi untuk apa para ilmuwan di seluruh dunia berlomba-lomba mengembangkan
komputer DNA ini?
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 selsel
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!

LABEL CANGGIH

Label canggih

Seperti apa canggihnya Label Produk masa depan ini? Yang pasti
bentuknya tetap mirip bar code yang kita gunakan sekarang. Tetapi
kemampuannya jauh melebihi bar code yang hanya memberikan informasi berupa
kode produksi dan kode produk saja.
Sistem pengkodean produk secara otomatis pertama kali dipatenkan atas
nama Bernard Silver dan Norman Woodland dari Drexler Institute of Technology.
Mereka merancang sistem yang menggunakan tinta khusus (untuk menghasilkan
pola semacam pola bar code yang kita gunakan sekarang) yang bercahaya jika
terkena sinar ultraviolet. Tetapi ternyata tinta ini kurang stabil dan sistemnya
sendiri memakan biaya terlalu tinggi. Pada tahun 1973 para peneliti di IBM
berhasil mengembangkan sistem yang lebih murah dan sederhana sehingga
langsung populer di seluruh dunia. Sistem UPC (Universal Product Code) yang
lebih dikenal sebagai Bar code inilah yang kita gunakan sekarang. Bagaimana
cara kerjanya?

Pada bar code kita bisa melihat dua macam kode, yaitu
kode berbentuk batang yang merupakan bar code atau kode yang bisa dibaca oleh
komputer, serta kode berbentuk angka-angka sebanyak 12 digit yang bisa dibaca
oleh manusia. Enam digit pertama merupakan kode produksi, sedangkan lima
digit berikutnya merupakan kode barang. Digit yang terakhir merupakan check
digit yang berfungsi sebagai kontrol yang bisa mendeteksi adanya kesalahan pada
pembacaan kode. Pada Gambar 1 kita melihat kode 12 digit: 0 12000 00230 4.
Jika kita menjumlahkan angka-angka pertama, ketiga, kelima, ketujuh,
kesembilan, dan kesebelas (angka-angka di urutan ganjil): 0 + 2 + 0 + 0 + 0 + 2 =
4. Angka ini kemudian dikalikan dengan angka 3 = 4 x 3 = 12. Kemudian angkaangka
yang di urutan genap juga dijumlahkan (angka kedua, keempat, keenam,
kedelapan, dan kesepuluh): 1 + 0 + 0 + 0 + 3 = 4. Angka ini kemudian
ditambahkan ke angka 12 tadi = 12 + 4 = 16. Kemudian kita harus mencari angka
yang harus ditambahkan ke angka 16 supaya hasilnya merupakan kelipatan 10. Ini
berarti kita harus menambahkan angka 4 (16 + 4 = 20) supaya didapatkan angka
20 yang merupakan kelipatan 10. Angka yang ditambahkan ini harus cocok
dengan kontrol yang tertulis sebagai digit terakhir tadi (yaitu angka 4). Jika
terdapat ketidakcocokan, berarti ada kesalahan pembacaan sehingga proses
pembacaannya harus diulang kembali. Jika sudah cocok, kode ini kemudian
dikirimkan ke komputer pusat di toko yang bersangkutan. Komputer itu mencari
kode yang sesuai untuk menampilkan harga barang. Harga barang tersebut
kemudian langsung dikirimkan ke mesin hitung di kasir sehingga seolah-olah
harga barang dikodekan dalam 12 digit bar code tadi. Padahal sebenarnya harga
barang sama sekali tidak tertera di sana.
Nah, itu sistem yang kita gunakan sekarang. Walaupun sederhana dan
dapat menghemat waktu, tetap saja kita harus menunggu proses scanning di kasir.
Kalau sedang ramai, antrian menjadi sangat panjang dan membosankan.
Bagaimana cara mengatasi ini?
Label canggih yang sedang saat ini sedang dikembangkan ternyata bisa
menjawab itu. Sistem yang nantinya akan menggantikan sistem UPC ini disebut
Radio Frequency Identification (RFID). Ada dua tipe RFID: Inductively Coupled
RFID dan Capacitively Coupled RFID. Inductively Coupled RFID tersusun dari
sebuah microprocessor (dari silikon) dan kumparan kawat logam yang berfungsi
seperti antena yang bisa mengirimkan sinyal radio pada frekuensi 13,56 MHz.
Microprocessor dan kumparan ini dibungkus dalam lapisan polimer atau gelas
sehingga bentuknya seperti chip kecil yang disebut tag. Antena tadi menangkap
energi dari medan magnet yang dihasilkan oleh penerima sinyal yang
berhubungan langsung dengan komputer pusat. Energi magnet ini merupakan
sumber tenaga yang digunakan tag supaya dapat mengirimkan sinyal radio yang
berisi data. Sinyal radio diterima oleh alat penerima sinyal dan kemudian
dikirimkan ke komputer pusat untuk diolah. Sistem ini sudah banyak digunakan
untuk melacak posisi mobil-mobil di jalanan, tas-tas penumpang yang
dimasukkan dalam bagasi pesawat terbang, dan lain-lain. Ternyata sistem ini
sangat mahal karena memerlukan silikon dalam jumlah banyak dan kumparan
kawat logam. Karena itulah para peneliti mulai mengembangkan Capacitively
Coupled RFID.
Capacitively Coupled RFID juga menggunakan silikon sebagai
microprocessor tetapi dalam jumlah yang lebih sedikit dibandingkan Inductively
Coupled RFID (hanya sebesar 3 mm2). Silikon mungil ini mampu menyimpan
data sebanyak 96 bit (BIT = Binary DigIT). Ini berarti ada banyak sekali data
yang bisa disimpan dalam satu chip kecil ini, mulai dari harga barang, tanggal
produksi, sampai tanggal kadaluarsa. Semua informasi mengenai produk yang
bersangkutan bisa disimpan dalam chip mungil tersebut. Sebagai pengganti
kumparan kawat logam yang mahal, Capacitively Coupled RFID menggunakan
tinta karbon khusus yang berfungsi sebagai antena pengirim sinyal radio. Silikon
dan elektroda tinta karbon ini ditempelkan di balik label kertas yang bentuknya
mirip bar code yang biasa kita gunakan saat ini. Sistem ini
menggunakan energi listrik yang dihasilkan oleh alat penerima sinyal (jadi tidak
menggunakan medan magnet seperti pada Inductively Coupled RFID) sebagai
sumber tenaga. Dan karena menggunakan bahan kertas yang murah, label canggih
ini nantinya bisa digunakan pada setiap produk yang selama ini menggunakan
sistem UPC. Apa lagi keunggulan label canggih ini?
Satu jawaban yang pasti: sistemnya berhubungan dengan internet secara
wireless (nirkabel). Misalnya kita masuk ke sebuah toko dan ingin membeli coklat.
Saat kita mengambil coklat tersebut sinyal radio yang dipancarkan label diterima
oleh alat penerima sinyal (reader) yang bisa dipasang di balik dinding toko
(sehingga sama sekali tidak terlihat). Sinyal tersebut diteruskan ke komputer pusat
yang kemudian mengolah data dan mengirimkannya kembali dalam bentuk
tampilan harga barang yang dilengkapi dengan tanggal kadaluarsa. Informasi ini
ditampilkan di tampilan elektronik di rak toko tersebut. Hebatnya lagi, informasi
ini bisa langsung dikirimkan juga ke alat elektronik milik kita, misalnya PDA
(Personal Digital Assistant) atau telepon selular. Setelah kita selesai berbelanja,
kita tidak perlu lagi mengantri di kasir untuk membayar belanjaan kita itu. Dengan
sistem jaringan yang canggih, semua barang yang kita ambil sudah langsung
dijumlahkan harganya saat kita berjalan keluar toko (pintu toko dilengkapi juga
dengan reader). Informasi mengenai total pembelian ini secara otomatis
dikirimkan ke bank tempat kita menyimpan uang, kemudian bank tersebut
langsung memotong sejumlah uang dari rekening kita sesuai dengan total
pembelian tadi. Proses auto debet ini benar-benar praktis dan sangat menghemat
waktu. Sistem Smart Label ini juga sangat berguna bagi pabrik yang
memproduksi barang-barang yang kita beli itu dan toko yang menjualnya. Saat
kita membeli salah satu produk mereka, sistem jaringan internet perusahaan yang
terhubungkan langsung dengan toko langsung mendapatkan informasi mengenai
jenis produk dan jumlah barang yang terjual di toko tersebut. Toko tidak perlu
susah-susah lagi melalukan inventarisasi karena semua proses penjualan sudah
tercatat dalam komputer. Perusahaan yang memproduksi barang tersebut pun bisa
terus melacak produknya.
Ada satu lagi kelebihan yang menunjukkan kecanggihan sistem ini.
Reader yang bisa menerima sinyal radio yang dipancarkan label canggih ini
nantinya bisa dipasang di berbagai peralatan elektronik di rumah kita. Misalnya
pada kulkas tempat kita menyimpan coklat. Saat kita menyimpan coklat tersebut,
reader yang sudah dipasang di kulkas langsung mencatat informasi tentang
tanggal produksi dan tanggal kadaluarsa, serta jumlah barang yang ada di dalam
kulkas. Kulkas pintar ini nantinya bisa mengingatkan kita saat ada makanan yang
sudah mendekati tanggal kadaluarsa (ada layar yang bisa menampilkan informasi
itu). Jika ada barang-barang yang sudah habis (kita pasti mengeluarkannya dari
kulkas dan membuang bungkusan yang dilengkapi label tadi), kulkas pintar ini
bisa mengingatkan kita untuk membeli kembali barang-barang tersebut. Ini berarti
kulkas bisa mencatat informasi mengenai jangka waktu kita berbelanja produkproduk
tertentu. Jika sudah waktunya untuk berbelanja, informasi daftar belanjaan
ini dapat langsung dikirimkan lagi ke PDA atau telepon selular kita. Canggih
bukan?