PROSES PERCABANGAN PADA PEMBELAHAN SEL

PROSES PERCABANGAN PADA PEMBELAHAN SEL Nisfiatul Laili, Respatiwulan, dan Sutrima Program Studi Matematika FMIPA UNS Abstrak. Proses percabangan merupakan suatu rantai Markov, dimana setiap individu menghasilkan keturunan dengan jumlah yang random. Proses ini dimulai dengan individu tunggal pada generasi ke-0 dan bereproduksi secara independen. Dalam perkembangannya proses percabangan digunakan dalam berbagai bidang salah satunya pada bidang biologi yaitu pada pembelahan sel. Pembelahan sel adalah proses memperbanyak jumlah sel dengan cara membelah diri. Rata-rata dan variansi pada generasi ke-n dapat ditentukan dengan menggunakan fungsi pembangkit probabilitas. Tujuan penelitian ini adalah menurunkan ulang proses percabangan dan menerapkannya pada pembelahan sel. Hasil penurunan ulang dari proses percabangan untuk mengetahui banyaknya individu ke-(n + 1) merupakan jumlahan banyaknya keturunan dari individu pertama sampai individu ke-x n. Proses percabangan diterapkan pada bakteri Escherichia coli pada suatu perairan dalam waktu 3 jam atau sampai generasi ke-9. Dengan mengambil probabilitas bakteri dapat membelah sebesar 0,87 (p 2 = 0, 87) diperoleh banyaknya sel bakteri pada generasi ke-9 sebanyak 118 sel. Kata kunci : proses percabangan, pembelahan sel, rata-rata, variansi 1. Pendahuluan Menurut Allen [1], penelitian mengenai proses percabangan dimulai pada tahun 1845 oleh Bienayme. Pada tahun 1870, proses percabangan dikembangkan oleh seorang ahli matematika bernama Henry William Watson bersama seorang ahli biometri bernama Francis Galton yang kemudian digunakan untuk mempelajari peninggalan nama keluarga. Proses percabangan dapat diterapkan dalam berbagai bidang. Menurut Allen [1], proses percabangan dapat diaplikasikan dalam bidang biologi, teori jaringan, evolusi, dan pertanian. Selain itu Feller [3] mengatakan proses percabangan dapat diterapkan dalam rangkaian reaksi nuklir, peninggalan nama keluarga, gen dan mutasi, serta dalam proses antrian. Wu [10] mengatakan proses percabangan memiliki peranan penting dalam model genetik, biologi molekuler, mikrobiologi, ekologi, dan proses evolusi. Sel merupakan bagian terkecil dari suatu individu atau organisme. Reproduksi sel adalah proses memperbanyak jumlah sel dengan cara membelah diri baik pada organisme uniseluler maupun organisme multiseluler. Proses pembelahan ini diawali dari sel tunggal kemudian membelah menjadi dua sel baru yang memiliki sifat sama dengan sel induknya. Pada organisme uniseluler, pembelahan sel bertujuan untuk melestarikan jenisnya sehingga tidak punah, contohnya adalah amuba dan bakteri. Pembelahan sel pada organisme multiseluler menyebabkan pertumbuhan dan 1

perkembangan, sebagai contoh pada tubuh manusia pembelahan sel menyebabkan manusia menjadi besar dan tinggi. Kimmel dan Axelrod [5] menyatakan proses percabangan dapat diaplikasikan pada pembelahan sel. Pembelahan sel yang menghasilkan sel dengan tipe yang sama termasuk dalam proses percabangan satu tipe (single type branching process), sedangkan pembelahan sel yang menghasilkan sel dengan tipe yang berbeda termasuk dalam proses percabangan banyak tipe (multitype branching process). Jumlah sel pada waktu tertentu dapat dihitung menggunakan proses percabangan. Pada penelitian ini ditunjukkan aplikasi dari proses percabangan pada pembelahan sel dan dicari rata-rata yang menyatakan rata-rata dari sel yang dihasilkan pada setiap generasi, serta variansi yang menunjukkan keberagaman nilai dari sel yang dihasilkan pada proses pembelahan tersebut. 2. Proses Percabangan Menurut Taylor dan Karlin [9], suatu individu pada masa hidupnya akan menghasilkan keturunan dengan jumlah yang random (ξ) untuk mempertahankan spesiesnya agar tidak punah, dimana distribusi probabilitasnya yaitu P r{ξ = k} = p k untuk k = 0, 1, 2,..., dengan p k 0 dan k=0 p k = 1. Banyaknya individu pada generasi ke-0 dinotasikan dengan X 0 dan X n adalah banyaknya individu pada generasi ke-n. Allen [2] memberikan 3 asumsi penting yang digunakan dalam proses percabangan. (1) Probabilitas memiliki keturunan (p) untuk semua individu bernilai sama. (2) Setiap individu bereproduksi secara independen. (3) Proses dimulai dengan individu tunggal pada waktu ke-0. Pada generasi ke-n, individu X n secara independen menghasilkan keturunan dengan jumlah ξ (n) 1, ξ (n) 2,..., ξ (n) X n. Sifat dari rantai Markov memungkinkan untuk menghitung populasi pada generasi ke-(n + 1) sebagai X n+1 = ξ (n) 1 + ξ (n) 2 +... + ξ (n) X n, dengan ξ (n) i adalah banyaknya keturunan dari individu ke-i pada generasi ke-n. Jumlah dari seluruh individu sampai generasi ke-n dengan proses kelahiran berasal dari satu individu dinotasikan dengan Z n dan dinyatakan sebagai Z n = X 1 + X 2 +... + X Zn 1. 3. Pembelahan Sel Menurut Kimmel dan Axelrod [5], sel adalah struktur dasar dari fungsi biologis dan reproduksi. Sel terdiri dari bagian-bagian dengan fungsi yang berbeda. Bagian N. Laili, Respatiwulan, Sutrima 2 2016

sel dibentuk oleh membran yang berfungsi sebagai penghalang dan dapat melakukan transport aktif molekul. Pada bagian dalam sel terdapat nukleus yang mengandung DNA. Ukuran sel akan tumbuh kemudian membelah menjadi dua. DNA akan terbagi ke dalam dua sel anakan saat sel membelah. Menurut Olofsson [7] serta Olofsson dan McDonald [8], suatu pembelahan sel dapat dianalisis dengan menggunakan pendekatan stokastik. Metode yang tepat untuk menganalisis pembelahan sel adalah proses percabangan. Berdasarkan proses percabangan, pembelahan sel dimulai dari satu sel yang membelah menjadi dua sel. 4. Hasil dan Pembahasan 4.1. Proses Percabangan pada Pembelahan Sel. Proses percabangan merupakan suatu rantai Markov, dimana setiap individu menghasilkan keturunan dengan jumlah yang random. Proses ini dimulai dengan individu tunggal pada generasi ke- 0. Dalam perkembangannya, proses percabangan digunakan dalam berbagai bidang. Kimmel dan Axelrod [5] mengatakan proses percabangan dapat diaplikasikan dalam bidang biologi salah satunya dapat digunakan pada proses pembelahan sel. Reproduksi sel dilakukan dengan cara membelah diri yang diawali dari suatu sel tunggal yang kemudian membelah. Setiap sel yang membelah meghasilkan keturunan yang berjumlah random (ξ). Setiap anakan sel dimungkinkan menjadi sel yang dapat membelah kembali dengan probabilitas p 2, sel yang pasif dengan probabilitas p 1, atau sel yang tidak dapat membelah dengan probabilitas p 0. Sel yang pasif tetap ada tetapi tidak bisa membelah atau mati. Distribusi probabilitas banyaknya keturunan yang dihasilkan adalah P r{ξ = k} = p k untuk k = 0, 1, 2, dengan p k 0 dan k=0 p k = 1. Pada proses percabangan ini, diasumsikan setiap sel membelah secara independen dan memiliki probabilitas yang sama untuk membelah. Pada generasi ken, banyaknya keturunan dari sel pertama dinotasikan sebagai ξ (n) 1 dan banyaknya keturunan pada generasi tersebut dinotasikan dengan X n. Untuk menghitung populasi sel pada generasi ke-n, perhitungan pada proses percabangan dibantu dengan sifat Markov sehingga populasi sel pada generasi ke-n hanya bergantung pada generasi ke-(n 1). Banyaknya populasi sel pada generasi ke-(n + 1) merupakan akumulasi dari banyaknya sel yang dihasilkan dari individu pertama sampai individu ke-x n pada generasi ke-n sehingga dapat dinyatakan sebagai X n+1 = ξ (n) 1 + ξ (n) 2 +... + ξ (n) X n. N. Laili, Respatiwulan, Sutrima 3 2016

Jumlah dari seluruh sel yang dihasilkan dari generasi pertama sampai generasi ke-n dinotasikan sebagai Z n dan dinyatakan dengan Z n = X 1 + X 2 +... + X Zn 1. 4.2. Rata-Rata dan Variansi Proses Percabangan. Fungsi pembangkit dapat digunakan untuk mencari rata-rata dan variansi dari X n. Rata-rata dan variansi dari banyaknya keturunan masing-masing dinotasikan dengan µ = E[ξ] dan σ 2 = V ar[ξ]. Dari fungsi pembangkit probabilitas pada generasi pertama yang dinyatakan sebagai f(s) = E(s ξ ) = p k s k, (4.1) dapat dicari turunan pertamanya sehingga didapatkan rata-rata untuk generasi pertama adalah k=0 f (1) = E[ξ] = µ. Turunan kedua dari fungsi pembangkit dapat digunakan untuk menentukan variansi dari proses percabangan pada generasi pertama, diperoleh rumusan variansi yaitu V ar[ξ] = f (1) + µ µ 2. (4.2) Rata-rata dari populasi sel pada generasi ke-n dapat dicari dengan fungsi pembangkit probabilitas pada generasi ke-n yang dinyatakan sebagai f n (s) = f n 1 (f 1 (s)), dengan f 1 (s) adalah fungsi pembangkit probabilitas dari ξ 1. Untuk lebih memudahkan, f 1 (s) dinotasikan sebagai f(s) sehingga Turunan pertama dari fungsi (4.3) dengan s = 1 adalah f n (s) = f n 1 (f(s)). (4.3) f n(1) = f n 1(1)f (1), sehingga rata-rata generasi ke-n dapat dituliskan sebagai µ n = µ n. (4.4) Variansi pada generasi ke-n dapat ditentukan dengan bantuan turunan kedua dari fungsi pembangkit probabilitas pada generasi ke-n. Dengan diketahui bahwa pada generasi ke-0 rata-rata dan variansinya adalah 1 dan 0, sehingga secara umum diperoleh rumusan variansi untuk generasi ke-n sebagai σ 2 n = { σ 2 µ n 1 (µ n 1), µ 1 µ 1 nσ 2, µ = 1. (4.5) N. Laili, Respatiwulan, Sutrima 4 2016

4.3. Penerapan. Pada bagian ini ditentukan rumusan untuk rata-rata dan variansi dari suatu proses percabangan pada pembelahan sel bakteri Escherichia coli atau E. coli. Langkah dasar pada perkembangbiakan suatu populasi sel adalah pembelahan dari satu sel yang kemudian membelah menjadi dua sel anakan. Setelah menyelesaikan siklus hidupnya, sel akan mendekati ukuran ganda dan membelah menjadi dua sel anakan dengan ukuran yang hampir sama. Asumsi proses percabangan yang digunakan dalam pembelahan sel ini adalah pembelahan dimulai dari satu sel (X 0 = 1), pembelahan dari setiap sel saling independen, probabilitas untuk membelah dari setiap sel memiliki nilai yang sama, serta setiap sel memiliki waktu hidup yang sama. Probabilitas sel untuk tidak dapat membelah dinotasikan dengan p 0 dan probabilitas sel membelah menjadi dua untuk masing-masing sel dinotasikan dengan p 2, dengan p 0 + p 2 = 1. Fungsi pembangkit probabilitas dari pembelahan sel tersebut dinyatakan dengan f(s). Dengan berdasarkan persamaan (4.1) sehingga diperoleh fungsi pembangkit f(s) = p 0 + p 2 s 2. (4.6) Pada generasi ke-n fungsi pembangkit probabilitas dinyatakan f n (s) = f n 1 (p 0 + p 2 s 2 ). Rata-rata pada generasi pertama dapat ditentukan dengan menggunakan turunan pertama dari fungsi pembangkit dengan s = 1, diperoleh rata-rata yaitu µ = 2p 2. (4.7) Pada generasi ke-n, rata-rata dapat dicari menggunakan persamaan (4.4) sehingga didapatkan µ n = (2p 2 ) n. (4.8) Variansi pada generasi pertama dapat dicari dengan persamaan (4.2), dimana untuk turunan kedua f (s) adalah sehingga V ar[ξ] adalah f (1) = 2p 2, V ar[ξ] = 2p 2 + 2p 2 s 2 4p 2 2 s 4. (4.9) Pada generasi ke-n variansi dapat dicari dengan persamaan (4.5) sehingga { (2p2 +2p 2 s 2 4p 2 2 s 4 ) 2 (2p 2 s 2 ) n 1 ((2p 2 s 2 ) n 1) σn 2 (2p = 2, 2p s 2 ) 1 2 s 2 1 n(2p 2 + 2p 2 s 2 4p 2 2 s 4 ) 2, 2p 2 s 2 = 1. (4.10) Bakteri merupakan salah satu mikroorganisme prokariotik. Perkembangbiakan bakteri terjadi dengan cara pembelahan biner yaitu sel yang membelah menghasilkan dua sel anakan. Waktu yang dibutuhkan oleh satu sel bakteri dari mulai tumbuh N. Laili, Respatiwulan, Sutrima 5 2016

hingga berkembang dan menghasilkan individu baru disebut sebagai waktu generasi. Bakteri dengan jenis yang berbeda memiliki waktu generasi yang berbeda pula. Beberapa faktor yang mempengaruhi waktu generasi sel bakteri yaitu (1) jenis dan strain bakteri, (2) faktor lingkungan seperti ph, kelembapan, dan suhu. Menurut Madigan et al. [6], bakteri E. coli merupakan bakteri komensal yang bersifat patogen. Bakteri ini termasuk dalam bakteri gram negatif dengan bentuk batang pendek yang memiliki panjang sekitar 2µm, diameter 0, 7µm, lebar 0, 4 0, 7µm, dan bersifat anaerob fakultatif. Pada umumnya bakteri ini memerlukan kelembapan yang cukup tinggi untuk dapat hidup yaitu sekitar 85%. E. coli akan tumbuh secara optimum pada suhu 37 o C dan pada ph 7. Waktu generasi untuk sel bakteri E. coli berkembang biak adalah kurang lebih selama 20 menit. Lingkungan hidup bakteri memiliki peranan penting dalam menentukan kelangsungan hidup bakteri. Faktor lingkungan seperti suhu, ph dan kelembapan yang berubah-ubah menyebabkan terhentinya replikasi DNA pada bakteri sehingga menyebabkan bakteri tersebut mati. Misalkan pada suatu air yang telah tercemar bakteri E. coli, bakteri akan terus berkembang dengan cara membelah diri. Dikarenakan faktor lingkungan yang tidak menentu maka pembelahan sel bakteri E. coli tersebut dimisalkan memiliki distribusi probabilitas sebesar 0, 87 untuk dapat membelah menjadi dua sel anakan (p 2 = 0, 87) dan probabilitas sebesar 0, 13 untuk sel bakteri tersebut tidak dapat membelah (p 0 = 0, 13). Pada penerapan ini waktu satu generasi didefinisikan selama 20 menit. Misalkan dicari banyaknya sel bakteri E. coli pada satu jam pertama (generasi ke-3), dua jam berikutnya (generasi ke-6) dan setelah tiga jam atau generasi ke-9 pada air tersebut. Langkah awal yaitu dengan menentukan fungsi pembangkit probabilitas dengan menggunakan distribusi probabilitas yang telah diketahui. Dengan persamaan (4.6) diperoleh fungsi pembangkit pada generasi pertama sebagai berikut f ξ (s) = 0, 13 + 0, 87s 2. Rata-rata pada generasi pertama dihitung dengan menggunakan persamaan (4.7) sehingga µ = 2 0, 87 = 1, 74. dan variansi ditentukan dengan (4.9), diperoleh V ar[ξ] = 2 0, 87 + 2 0, 87 4 0, 87 2 = 0, 4524. Dengan persamaan (4.8) dan (4.10) dapat ditentukan rata-rata dan variansi pada generasi ke-3, ke-6 dan ke-9. Pola proses percabangan bakteri E. coli ditunjukkan pada Gambar 1. N. Laili, Respatiwulan, Sutrima 6 2016

(a) (b) (c) Gambar 1. Pola proses percabangan (a) generasi ke-3, (b) generasi ke-6, dan (c) generasi ke-9 dari pembelahan sel bakteri E. coli Dari Gambar 1 (a) terlihat bahwa banyaknya sek bakteri E. coli setelah satu jam pertama atau pada generasi ke-3 adalah sebanyak 4 sel bakteri. Rata-rata dan variansi generasi tersebut secara berturut-turut adalah 5, 263 dan 7, 899. Dari generasi ke-2 ke generasi ke-3 semua sel membelah menjadi dua sel anakan. Gambar 1 (b) menunjukkan bahwa banyaknya sel bakteri E. coli setelah dua jam berlalu pada perairan tersebut atau pada generasi ke-6 adalah sebanyak 22 sel bakteri. Dari generasi ke-5 ke generasi ke-6 hanya satu sel bakteri yang tidak membelah menjadi dua sel anakan. Rata-rata untuk generasi tersebut adalah 27,752 dan untuk variansinya adalah 260,851. Gambar 1 (c) menunjukkan pola proses percabangan pada pembelahan sel bakteri E. coli setelah tiga jam atau pada generasi ke-9. Banyaknya sel bakteri pada generasi tersebut adalah 118 sel. Rata-rata dan variansi pada generasi tersebut adalah 146,199 dan 7458,429. 5. Kesimpulan Dari pembahasan yang telah dilakukan, diperoleh kesimpulan bahwa proses percabangan untuk mengetahui banyaknya individu pada generasi ke-(n + 1) merupakan akumulasi dari banyaknya keturunan dari individu pertama sampai individu ke X n pada generasi ke-n. Rata-rata dan variansi pada generasi ke-n dipengaruhi oleh rata-rata dan variansi pada generasi pertama yang dinotasikan pada persamaan (4.4) dan (4.5). N. Laili, Respatiwulan, Sutrima 7 2016

Penerapan proses percabangan pada pembelahan sel bakteri E. coli dengan mengambil probabilitas p 2 sebesar 0,87 diperoleh rata-rata pada generasi pertama sebesar 1,74 dan variansi sebesar 0,4524. Rata-rata dan variansi generasi ke-3 adalah 5, 263 dan 7, 899, dan banyaknya sel bakteri adalah 4 bakteri. Rata-rata untuk generasi ke-6 adalah 27,752 dan untuk variansinya adalah 260,851 serta banyaknya bakteri adalah sebanyak 22 sel bakteri. Kemudian untuk generasi ke-9 banyaknya sel bakteri pada generasi tersebut adalah 118 sel serta rata-rata dan variansi pada generasi tersebut adalah 146,199 dan 7458,429. Daftar Pustaka [1] Allen, L. J. S., An Introduction to Stochastic Processes with Applications to Biology, Prentice Hall, Upper Saddla River, N.J., 2003. [2] Allen, L. J. S., Branching Processes, Encyclopedia of Theoretical Ecology (2012), 112-119. [3] Feller, W., An Introduction to Probability Theory and Its Applications, Eugene Higgins Professor of Mathematics, Princenton University, 1950. [4] Harris, T. E., The Theory of Branching Processes, Springer Verlag, 1963. [5] Kimmel, M. and D. E. Axelrod, Branching Processes in Biology, Springer Verlag, 2002. [6] Madigan, T. M., J. M. Martinko, D. A. Stahl and D. P. Clark, Biology of Microorgisms, Pearson, San Francisco, 2012. [7] Olofsson, P. and T. O. McDonald, A stochastic Model of Cell Cycle Desyncronization, Mathematical Biosciencess (2010), 97-104. [8] Olofsson, P., A stochastic Model of a Cell Population with Quiescence, Journal of Biological Dynamics (2008), 386-391. [9] Taylor, H. M. and S. Karlin, An Introduction to Stochastic Modeling, United States of America, 1994. [10] Wu, X.,Branching Processes with Biological Application, Thesis, Rice University, Texas, 2008. N. Laili, Respatiwulan, Sutrima 8 2016