Pengaruh Variasi Temperatur Unfolding Terhadap Trayektori Refolding Protein 1gb1.

PENGARUH VARIASI TEMPERATUR UNFOLDING
TERHADAP TRAYEKTORI REFOLDING PROTEIN 1GB1

RIZKY AMELIA

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pengaruh Variasi
Temperatur Unfolding terhadap Trayektori Refolding Protein 1GB1 adalah benar
karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam
bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di
bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut

Pertanian Bogor.
Bogor, Mei 2015
Rizky Amelia
NIM G74110009

ABSTRAK
RIZKY AMELIA. Pengaruh Variasi Temperatur Unfolding terhadap Trayektori
Refolding Protein 1GB1. Dibimbing oleh TONY SUMARYADA dan SETYANTO
TRI WAHYUDI.
Protein 1GB1 adalah jenis protein immunoglobulin dari Streptococcus
kelompok G yang berfungsi membantu organisme menghindari pertahanan inang.
Proses unfolding dan refolding protein penting untuk dipelajari. Penelitian ini
bertujuan mempelajari dan membandingkan trayektori proses unfolding dan
refolding protein 1GB1 akibat pengaruh suhu. Proses unfolding dilakukan pada
suhu 500 K dan 525 K selama 2 ns. Koordinat dari unfolding dijadikan masukan
awal simulasi refolding selama 20 ns pada suhu 200 K. Metode simulasi dinamika
molekul dimulai dengan preparasi, minimisasi, pemanasan atau pendinginan,
ekuilibrasi dan production run. Protein 1GB1 dapat terdenaturasi dengan cepat
pada suhu yang lebih tinggi yaitu 525 K dalam waktu 162 ps. Protein native yang
telah terdenaturasi dapat kembali ke struktur awalnya melalui proses refolding,

menghasilkan bentuk konformasi dan kesesuaian urutan residu antara struktur
protein native dengan hasil simulasi yang berbeda, untuk suhu 500 K memiliki
kesesuaian sebesar 85.71 %, sedangkan untuk suhu 525 K sebesar 73.21 %.
Proses unfolding dan refolding protein 1GB1 memiliki trayektori yang berbeda.
Kata kunci : simulasi dinamika molekul, protein 1GB1, refolding, unfolding

ABSTRACT
RIZKY AMELIA, Effect of Unfolding Temperature Variation on Refolding
Trajectory of Protein 1GB1. Supervised by TONY SUMARYADA and
SETYANTO TRI WAHYUDI.
1GB1 protein is a type of immunoglobulin protein from G Streptococcus
group that works for help the organisms to avoid host defenses. Unfolding and
refolding protein process becomes important and interesting to learn. The purpose
of this research is to study and compare the trajectory of unfolding and refolding
process of 1GB1 protein due to the effects of temperature. Unfolding process
carried out at a temperature of 500 K and 525 K for 2 ns. The coordinates from
unfolding process were used as initial input for refolding simulation for 20 ns at a
temperature of 200 K. Method of molecular dynamics simulation consist of
preparation, minimization, heating or cooling, equilibration and production run.
1GB1 protein can be denatured quickly at higher temperatures, i.e. at 525 K

within 162 ps. Native proteins that have been denatured can return to the initial
structure through the refolding process, generating different conformation and
compatibility. At a temperature of 500 K the compatibility with the native
structure is about 85.71 %, while for 525 K is 73.21%. The conclude that
unfolding and refolding processes of 1GB1 protein exhibit different trajectory.
Keywords: molecular dynamics simulations, 1GB1 protein, refolding, unfolding

PENGARUH VARIASI TEMPERATUR UNFOLDING
TERHADAP TRAYEKTORI REFOLDING PROTEIN 1GB1

RIZKY AMELIA

Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015

PRAKATA
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke Hadirat Allah subhanahu wa
ta’ala yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat
menyelesaikan karya ilmiah ini dengan judul “Pengaruh Variasi Temperatur
Unfolding terhadap Trayektori Refolding Protein 1GB1”. Karya ilmiah ini disusun
sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada :
1. Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi (DIKTI) Kementerian Pendidikan
dan Kebudayaan Republik Indonesia melalui program beasiswa
Bidikmisinya yang telah diamanahkan kepada penulis.
2. Kedua orang tua dan kakak-kakak yang senantiasa selalu memberikan kasih
sayang, perhatian, dukungan dan do’a kepada penulis dalam semua
pencapaian ini.
3. Bapak Dr Tony Ibnu Sumaryada selaku dosen pembimbing yang telah
membantu dan memberikan saran serta motivasi kepada penulis selama

perkuliahan di Departemen Fisika sampai penyusunan tugas akhir dan
mencapai kelulusan.
4. Bapak Dr Setyanto Tri Wahyudi selaku dosen pembimbing kedua atas
bimbingan dan saran yang diberikan kepada penulis selama penelitian.
5. Bapak Heriyanto Syafutra selaku dosen penguji yang telah memberikan
masukan dan saran kepada penulis.
6. Mochammad Alief Diego dan keluarga atas kasih sayang, perhatian,
dukungan dan doa yang diberikan kepada penulis.
7. Seluruh dosen pengajar dan staf Departemen Fisika IPB atas bimbingan dan
bantuan yang diberikan kepada penulis.
8. Uni Della dan Ka Nia yang telah membantu penulis dalam penelitian serta
rekan-rekan mahasiswa/i fisika yang senantiasa memberikan do’a, motivasi
dan saran.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Mei 2015
Rizky Amelia

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL

vi

DAFTAR GAMBAR

vi

DAFTAR LAMPIRAN

vi

PENDAHULUAN

1

Latar Belakang

1

Perumusan Masalah

1

Manfaat Penelitian

2

Hipotesis

2

TINJAUAN PUSTAKA

2

Protein 1GB1

2

Proses Unfolding-Refolding Protein

3

METODE

4

Waktu dan Tempat

4

Alat

4

Prosedur Penelitian

4

HASIL DAN PEMBAHASAN

5

Struktur Sekunder Protein

5

Energi Konformasi

8

Jari-jari Girasi

9

RMSD

9

SASA

10

SIMPULAN DAN SARAN

11

Simpulan

11

Saran

11

DAFTAR PUSTAKA

12

LAMPIRAN

13

RIWAYAT HIDUP

15

DAFTAR TABEL
1 Residu penyusun struktur sekunder protein 1GB1

2

DAFTAR GAMBAR
1 Struktur Sekunder Protein 1GB1 (a) unfolding 500 K selama 2 ns, (b)
refolding 200 K selama 20 ns (dari simulasi unfolding pada suhu 500
K), (c) unfolding 525 K selama 2 ns dan (d) refolding 200 K selama
20 ns (dari simulasi unfolding pada suhu 525 K)
2 Perubahan konformasi struktur sekunder selama simulasi unfolding 500
K dan refolding 200 K
3 Perubahan konformasi struktur sekunder selama simulasi unfolding 525
K dan refolding 200 K
4 Energi konformasi selama simulasi (a) unfolding 500K dan refolding
200 K dari simulasi unfolding suhu 500 K, (b) unfolding 525 K dan
refolding 200 K dari simulasi unfolding suhu 525 K
5 Jari- jari girasi selama simulasi (a) unfolding 500K dan refolding 200
K dari simulasi unfolding suhu 500 K, (b) unfolding 525 K dan
refolding 200 K dari simulasi unfolding suhu 525 K
6 RMSD selama simulasi (a) unfolding 500K dan refolding 200 K dari
simulasi unfolding suhu 500 K, (b) unfolding 525 K dan refolding 200
K dari simulasi unfolding suhu 525 K
7 SASA selama simulasi (a) unfolding 500K dan refolding 200 K dari
simulasi unfolding suhu 500 K, (b) unfolding 525 K dan refolding 200
K dari simulasi unfolding suhu 525 K

6
7
7
8
9
10
10

DAFTAR LAMPIRAN
1 Diagram alir penelitian
2 Persentase kesesuaian urutan residu penyusun antara struktur protein
native dengan hasil simulasi refolding

14
15

PENDAHULUAN
LATAR BELAKANG
Protein adalah makromolekul yang tersusun dari bahan dasar asam amino
yang menyusun protein sebanyak 20 macam. Protein terdapat dalam sistem hidup
semua organisme pada tingkat rendah maupun tinggi.1 Protein G domain B1
(1GB1) adalah jenis protein immunoglobulin dari Streptococcus kelompok G
yang berfungsi untuk membantu organisme menghindari pertahanan inang yaitu
manusia.2 Protein 1GB1 dapat dipelajari sebagai model protein dalam
menjelaskan proses folding (pelipatan) dan unfolding (pembukaan lipatan) karena
strukturnya sederhana, termasuk protein kecil (memiliki 56 rantai samping) dan
sifat kestabilan termalnya tinggi.3
Perkembangan teknologi mengenai metode penentuan protein terkait
keberadaan dan keadaan protein mempunyai arti penting dalam kehiduan seharihari karena terkait dengan kondisi kesehatan manusia.4 Pengkajian bagaimana
protein mengalami folding dan unfolding masih dikembangkan baik secara
eksperimental maupun secara komputasional.5 Seiring dengan meningkatnya
kemampuan komputer, proses simulasi dapat mendeskripsikan secara lebih
terperinci mengenai dinamika protein.6
Metode dinamika molekul (MD) merupakan salah satu metode komputasi
fisika yang popular untuk mensimulasikan gerak atom dan molekul. Dengan
metode MD gerak atom-atom bahan jika mengalami pengaruh dari luar seperti
akibat pemanasan, dapat diamati dari waktu ke waktu. Secara ringkas metode MD
memerlukan informasi koordinat awal atom, kondisi simulasi (temperatur,
tekanan, rapat partikel, dan lain-lain), fungsi potensial interaksi antar atom untuk
obyek yang akan disimulasikan dan spesifikasi obyek yang disimulasikan (massa,
muatan, jumlah atom, dan lain-lain). Pada dasarnya dinamika molekul
memerlukan informasi yang akurat untuk fungsi potensial interaksi tersebut.
Semakin akurat fungsi potensial yang menggambarkan interaksi antar partikel,
atom dan molekul maka semakin akurat hasil simulasi yang kita dapatkan.7 Oleh
karena itu penelitian ini mensimulasikan keseluruhan protein G doimain B1 di
berbagai variasi suhu menggunakan program not just another molecular dynamics
program (NAMD).
Perumusan Masalah
1. Bagaimana pengaruh suhu terhadap dinamika dan kestabilan protein 1GB1
selama proses unfolding dan refolding?
2. Apakah trayektori dari proses unfolding protein 1GB1 sama dengan proses
refolding protein 1GB1?

Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari dan membandingkan
trayektori proses unfolding protein 1GB1 akibat pengaruh suhu pada 500 K dan
525 K serta proses refolding protein 1GB1 pada suhu 200 K.

2
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan pemahaman terhadap
mekanisme unfolding dan refolding protein 1GB1 akibat pengaruh suhu.

Hipotesis
Adanya perbedaan trayektori proses unfolding protein 1GB1 pada suhu 500
K dan 525 K dengan trayektori proses refolding protein 1GB1 pada suhu 200 K.

TINJAUAN PUSTAKA
Protein 1GB1
Protein 1GB1 adalah protein dari kelompok G Streptococcus dengan
domain B1. Permukaan multidomain selnya besar dan berfungsi untuk membantu
organisme menghindari pertahanan inang melalui sifat pengikatan protein. Protein
1GB1 terdiri dari 56 residu yang membentuk 2 pasang beta-hairpin, 4 coil, 2 turn
dan 1 alpha-helix.2 Struktur protein terdiri dari struktur primer, sekunder, tersier,
dan kuartener. Struktur sekunder merupakan struktur tiga dimensi dari rangkaian
asam amino pada protein yang distabilkan oleh ikatan hidrogen. Struktur sekunder
ini terdiri dari alpha helix, beta sheet, turn, dan coil.8
Tabel 1. Residu penyusun struktur sekunder protein 1GB13
Index
No.
Struktur Sekunder
Kode Residu
Residu
β-sheet 1
2 s/d 8
T, Y, K, L, I, L, N
β-sheet
β-sheet 2
13 s/d 19
K, G, E, T, T, T, E
1
β-sheet 3
43 s/d 46
E, W, T, Y, D
β-sheet 4
51 s/d 55
T, F, T, V, T
A, A, T, A, E, K, V, F,
2
α-helix
23 s/d 36
K, Q, Y, A, N, D, N
9 s/d 12
G, K, T, L
turn
3
47 s/d 50
D, A, T, K
1
M
20 s/d 22
A, V, D
4
coil
37 s/d 42
G, V, D, G
56
E

3
Proses Unfolding dan Refolding Protein
Sebagai fungsi biologisnya, protein akan berada pada keadaan folding
(pelipatan). Pada penelitian terkait, proses simulasi diterapkan pada suhu tinggi
yang bertujuan untuk mempercepat laju reaksi unfolding dalam rentang yang
terjangkau karena jika dilakukan di suhu rendah maka akan membutuhkan waktu
simulasi yang sangat lama. Proses unfolding dan refolding dapat dirangkum
dalam 4 tahap yaitu :

F adalah frayed, keadaan folded atau keadaan native; H adalah keadaan
tanpa struktur sekunder tapi inti masih terbungkus, S adalah keadaan inti sebagian
tersolvasi; dan U adalah keadaan unfolded lengkap. Refolding merupakan
kebalikan dari proses unfolding dimana penurunan suhu diterapkan pada protein
dalam keadaan unfolded.9 Proses unfolding dan refolding protein dapat dijelaskan
melalui beberapa parameter, diantaranya adalah :
1. Energi
Dalam simulasi, energi didefinisikan sebagai energi potensial molekul
penyusunnya. Energi potensial dapat dipengaruhi energy akibat interaksi internal
yang meliputi energi ikatan, sudut ikatan dan sudut dihedral dan interaksi
eksternal yang meliputi interaksi non-kovalen dan non-ikatan. Jenis interaksi nonikatan adalah interaksi elektrostatik (potential Coulomb) dan interaksi van der
Waals (potential Lennard-Jones).10
2. Jari-jari Girasi
Jari-jari girasi
adalah parameter yang menjelaskan konformasi seimbang
dari sistem total dan kekompakan protein.10 Peningkatan nilai jari-jari girasi suatu
simulasi menunjukkan volume struktur protein yang semakin membesar secara
geometri. Volume yang meningkat menggambarkan semakin berkurangnya
kerapatan dan kekompakan struktur protein.2
3. Root Mean Square Deviation (RMSD)
RMSD adalah jarak rata-rata antara konformasi dan struktur referensi dari dua
buah atom.11 Besar kecilnya nilai RMSD bergantung pada atom yang digunakan
serta dapat menjelaskan prosedur pelipatan protein dan mengetahui waktu saat
perubahan konformasi.12
4. Solvent Accessible Surface Area (SASA)
SASA digunakan untuk menunjukkan hubungan yang kuat antara fleksibilitas
protein terikat dan perubahan konformasi yang mengikat protein. Selain itu,
SASA dapat digunakan untuk menghitung luas area permukaan protein yang
dapat diakses atau yang terpapar oleh molekul pelarut.13

4
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan September 2014 sampai bulan April
2015. Tempat penelitian dilakukan di Laboratorium Fisika Teori dan Komputasi,
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut
Pertanian Bogor.
Bahan
Bahan yang digunakan dalam simulasi dinamika molekuler teknik in silico
ini berupa data koordinat hasil NMR protein G domain B1, yang dapat diunduh
di Protein Data Bank (http://www.rscb.org/pdb/) dengan indeks 1GB1.

Alat
Alat yang digunakan berupa perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat
keras terdiri atas komputer dengan spesifikasi RAM 8 GB, Quad Core Processor
(Intel Corei7), Graphic Card NVIDIA Ge Force GTS 9400, dan sistem operasi
LINUX Ubuntu versi 12.04. Perangkat lunak berupa NAMD (Not Just Another
Molecular Dynamics Program) versi 2.9 untuk simulasi, VMD (Visual Molecular
Dynamics Program) versi 1.9.1 untuk preparasi dan analisis, CatDCD versi 4.0
untuk pengolahan data, VBA Ms.Excel 2010 untuk smoothing grafik, Gneplot
4.6.4, dan Gimp versi 2.6 untuk konversi format gambar.

Prosedur Penelitian
Studi pustaka
Studi pustaka dilakukan agar dapat mempelajari konsep protein G domain
B1 (1GB1), simulasi dinamika molekul, proses unfolding dan refolding dan
analisis dinamika molekul.
Preparasi molekul
Pada tahap preparasi molekul program yang digunakan adalah VMD. Data
1GB1.pdb yang telah diunduh menjadi masukan awal simulasi. Data protein
1GB1.pdb yang memiliki 60 frame atau model konformasi, kemudian diubah
menjadi 1 frame saja. Selanjutnya, atom hidrogen yang masih memiliki koordinat
tebakan dihilangkan dari sistem molekul. Lalu pusat koordinat digeser ke (0,0,0)
yang bertujuan agar atomnya bersesuaian dengan atom-atom lainnya sehingga
mempermudah dalam proses perhitungan. Data 1GB1.pdb tersebut tidak memuat
informasi spesifik sehingga dibutuhkan data psf yang dibuat melalui automatic psf
builder agar dapat digunakan untuk menerapkan medan gaya tertentu ke dalam
sistem. Melarutkan molekul melalui add solvation box, kotak air berdimensi
(65x54x50) Å dibuat sebagai wadah pelarut molekul 1GB1. Tahap terakhir,
karena molekul masih mengandung ion-ion dari residu-residu polar maka sistem

5
harus dinetralkan dengan menambahkan penetral sistem NaCl dengan konsentrasi
0.15 mol/L, tahap ini dilakukan agar simulasi yang dilakukan tidak terpengaruh
oleh faktor lain kecuali suhu.
Simulasi dinamika molekul
Tahap simulasi dilakukan dengan menggunakan program NAMD. Simulasi
yang dilakukan adalah unfolding dan refolding yang masing-masing simulasi di
awali dengan proses minimisasi dan dilakukan pada temperatur transisi 500 K dan
525 K. Pada minimisasi, data masukannya adalah data yang dihasilkan dari proses
preparasi. Minimisasi bertujuan untuk meminimalkan energi pada molekul agar
berada pada keadaan stabil. Proses unfolding, diawali dengan proses pemanasan
pada suhu awal 0 K sampai 500 K dan 525 K. Selanjutnya, sistem diekuilibrasi
dengan protokol Langevin yang bertujuan agar suhu tetap berada di suhu akhir.
Tahap terakhir adalah production run dengan menahan suhu pada 500 K sampai
500 K dan 525 K sampai 525 K selama 2 ns.
Proses refolding yaitu simulasi dinamika molekul yang berkebalikan dari
proses unfolding, artinya pada refolding protein kembali melipat. Untuk proses
refolding data koordinat awal yang digunakan adalah data koordinat protein saat
unfolding. Data masukan awal refolding terlebih dahulu di preparasi dan
minimisasi seperti proses unfolding. Selanjutnya dilakukan ekuilibrasi, pemanasan
dan production run pada suhu dasar 200 K selama 20 ns.
Analisis Data
Data yang diperoleh dari tahap simulasi dinamika molekul masih
mengandung air, kemudian air dihilangkan terlebih dahulu. Dengan menggunakan
program VMD, data tersebut diolah berdasarkan parameter struktur sekunder, jarijari girasi, RMSD dan SASA. Hasil pengolahan data menghasilkan grafik yang
dibutuhkan untuk menganalisa kestabilan protein 1GB1 dan sebagai parameter
pembanding antara trayektori dari proses unfolding dan refolding protein 1GB.

HASIL DAN PEMBAHASAN
Struktur Sekunder
Proses simulasi unfolding dan refolding protein 1GB1 dilakukan pada
temperature 500 K dan 525 K untuk proses unfolding serta proses refolding
dengan memberi suhu awal (suhu dasar simulasi) 200 K dengan masukan dari
koordinat masing-masing simulasi hasil unfolding. Dengan menganalisis struktur
sekunder hasil simulasi unfolding dan refolding, dapat memberikan penjelasan
mengenai perubahan struktur protein 1GB1 dari keadaan awal (folded) atau native
state menuju perubahan konformasi (unfolding-refolding) selama proses simulasi.
Gambar 1(a) menunjukkan bahwa α-helix dan β-sheet mengalami
kerusakan yaitu perubahan struktur keduanya menjadi turn dan coil. Pada simulasi
ini protein mengalami unfolding pada waktu 688 ps. Sedangkan Gambar 1(c)
simulasi dengan suhu yang lebih tinggi, protein 1GB1 dapat ter-unfolding dalam
waktu 162 ps. Artinya, semakin tinggi suhu yang diberikan pada simulasi,
semakin cepat protein tersebut mengalami unfolding.

6

(a)

(b)

(b)

(d)

Gambar 1. Struktur Sekunder Protein 1GB1 (a) unfolding 500 K selama 2 ns,
(b) refolding 200 K selama 20 ns (dari simulasi unfolding pada
suhu 500 K), (c) Unfolding 525 K selama 2 ns dan (d) Refolding
200 K selama 20 ns (dari simulasi unfolding pada suhu 525 K)
Alfa-helix
Beta-sheet

Turn
Coil

Proses refolding adalah simulasi yang bertujuan untuk mengembalikan
struktur sekunder protein dan kestabilan termal protein yang telah mengalami
unfolding. Sama halnya dengan proses unfolding, proses refolding ini dilakukan
pada suhu yang ekstrem (suhu rendah) selama 20 ns. Gambar 1 (b) dan (d) adalah
struktur sekunder proses refolding selama 20 ns pada suhu 200 K. Terlihat pada
Gambar 1(b) alfa-helix secara perlahan terbentuk sempurna dan beta-sheet
mengalami penyempurnaan sebanyak 3 lembar. Proses refolding sampai akhir
memiliki kesesuaian urutan residu antara struktur protein native dengan hasil
simulasi refolding sebesar 85.71 % (lihat lampiran 2). Gambar 1(d) memiliki
kesesuaian urutan residu antara struktur protein native dengan hasil simulasi
refolding yang lebih kecil yaitu sebesar 73.21 % (lihat lampiran 2), karena setelah
proses refolding selesai struktur yang terbentuk hanya 4 lembar beta-sheet yang
telah mengalami penyempurnaan selama proses simulasi.

7
Pada gambar 2 dan 3 adalah inti dari proses simulasi unfolding dan
refolding protein 1GB1, yang direpresentasikan melalui skema pembentukan
struktur sekunder dari protein selama simulasi. Gambar 2 terlihat protein 1GB1
dalam keadaan native masih memiliki struktur lengkap yaitu 1 alfa-helix, 2 betasheet, 2 coil dan 2 turn. Protein native mengalami unfolding pada suhu 500 K di
waktu 688 ps, terlihat perubahan struktur protein yaitu alfa-helix dan beta-sheet
berubah menjadi coil dan turn. Kemudian pada koordinat ini dijadikan masukan
awal proses refolding, terlihat pada simulasi 5 ns terbentuk kembali 1 alfa-helix
yang belum sempurna dan 3 lembar beta-shteet. Selama 20 ns simulasi refolding,
struktur protein yang telah unfolding menunjukan perubahan struktur mendekati
protein native yaitu 1 alfa-helix sempurna, dan 3 lembar beta-sheet.

Native

Unfolding 688 ps

5 ns

10 ns

1 ns

15 ns

2 ns

Refolding 20 ns

Gambar 2. Perubahan konformasi struktur sekunder selama simulasi unfolding
500 K dan refolding 200 K
Gambar 3 merepresentasikan struktur protein native mengalami unfolding
pada waktu simulasi 162 ps, strukturnya mengalami perubahan yaitu alfa-helix
yang telah hancur serta 2 lembar beta-sheet yang telah berubah menjadi coil dan
turn. Sedangkan konformasi akhir hasil simulasi selama 2 ns sudah hancur secara
keseluruhan. Dan koordinat akhir ini tidak digunakan sebagai masukan awal
proses refolding karena akan sangat sulit dan membutuhkan waktu yang lebih
lama agar struktur kembali ke keadaan native.

Native

5 ns

Unfolding 162 ps

10 ns

1 ns

15 ns

2 ns

Refolding 20
ns

Gambar 3. Perubahan konformasi struktur sekunder selama simulasi unfolding
525 K dan refolding 200 K

8
Proses refolding pada suhu 525 K membutuhkan waktu yang lebih lama
dalam proses pembentukan struktur sekunder dibandingkan simulasi pada suhu
500 K, karena dengan memberikan waktu simulasi yang sama yaitu 20 ns, urutan
struktur yang terbentuk tidak sama. Terlihat hanya 4 lembar beta-sheet yang
terbentuk selama 20 ns dan alfa-helix tidak terbentuk sama sekali (Gambar 3).
Perubahan setiap 5 ns ini memperlihatkan proses penyempurnaan dari beta-sheet.
Transisi temperatur yang diberikan, semakin memperjelas bahwa semakin tinggi
suhu yang diberikan semakin cepat protein native mengalami unfolding. Karena
pada simulasi suhu 525 K struktur sekunder lebih hancur, maka semakin lama
waktu yang dibutuhkan oleh protein untuk refolding (native state).

Energi Konformasi

(a)

(b)

Gambar 4. Energi konformasi selama simulasi (a) unfolding 500K dan refolding
200 K dari simulasi unfolding pada suhu 500 K, (b) unfolding 525 K
dan refolding 200 K dari simulasi unfolding pada suhu 525 K
Energi konformasi dibutuhkan oleh protein untuk mengubah bentuk
konformasi. Artinya, semakin besar energi konformasi yang dibutuhkan maka
perubahan konformasi yang terjadi pada protein juga semakin besar atau keadaan
stabilitas protein menurun. Grafik pada Gambar 4(a) dan 4(b) telah diperhalus
dengan moving average untuk setiap 50 frame. Gambar 4(a) menunjukkan bahwa
energi konformasi yang dibutuhkan oleh protein untuk terdenaturasi (unfolding)
pada 688 ps adalah 1343.70 kcal/mol. Sedangkan pada keadaan protein refolding,
energi konformasi mengalami penurunan yang signifikan yaitu 1303.10 kcal/mol.
Gambar 4(b) merepresentasikan perubahan energi konformasi yang pada
suhu simulasi yang lebih tinggi yaitu 525 K. Saat protein unfolding di waktu
simulasi 162 ps, energi konformasi mengalami lonjakan sampai 1381.76 kcal/mol,
begitu juga dengan refolding, energi konformasi mengalami penurunan sampai
1334.06 kcal/mol. Dalam hal ini unfolding merupakan keadaan unstable (tidak
stabil) didalam system, sehingga akan berada pada energi yang lebih tinggi.
Sebaliknya untuk proses refolding, protein berusaha untuk mengembalikan
struktur awalnya (stable), sehingga cenderung energi berada pada keadaan yang
lebih rendah.

9
Jari – jari Girasi

(a)

(b)

Gambar 5. Jari- jari girasi selama simulasi (a) unfolding 500K dan refolding 200
K dari simulasi unfolding pada suhu 500 K, (b) unfolding 525 K dan
refolding 200 K dari simulasi unfolding pada suhu 525 K
Jari-jari girasi suatu simulasi menunjukkan volume struktur protein secara
geometri, semakin besar volume maka kerapatan molekul protein berkurang dan
kekompakan struktur protein juga berkurang. Jari-jari girasi (lihat Gambar 5a)
mengalami kenaikan dengan cepat pada keadaan unfolding di waktu 688 ps dari
11.073 Å – 15.149 Å, namun lain halnya dengan proses refolding (lihat Gambar
4a) yang mengalami penurunan jari-jari girasi secara perlahan. Selama simulasi 20
ns, jari-jari girasi berada pada nilai akhir 13.793 Å.
Gambar 5(b) merupakan perubahan jari-jari girasi pada simulasi dengan
suhu yang lebih tinggi yaitu 525 K, terlihat jari-jari girasi mengalami peningkatan
yang sangat cepat yaitu 11.087 Å – 16.993 Å pada waktu 162 ps. Hal ini
menunjukan peningkatan volume struktur protein yang besar artinya kerapatan
molekul dan kekompakan struktur protein pada simulasi dengan pemberian suhu
yang lebih tinggi mengalami penurunan yang juga besar. Begitu juga dengan
proses refolding mengalami penurunan yang sangat lambat sampai nilai akhir jarijari girasi sebesar 15.076 Å. Dalam hal ini struktur protein pada simulasi
unfolding dengan suhu yang lebih rendah memiliki kekompakan molekul protein
yang lebih tinggi dibanding suhu yang lebih tinggi.

RMSD
RMSD dapat menjelaskan prosedur pelipatan protein dan mengetahui
waktu perubahan konformasi dari struktur protein. Protein yang berada pada
keadaan native memiliki nilai RMSD ≤ 2 Å, untuk nilai 2 Å ≤ RMSD ≤ 8 Å
protein berada pada keadaan intermediate atau unfolding parsial, dan untuk nilai
RMSD ≥ 8 Å protein tersebut telah mengalami unfolding sempurna.14 Simulasi
yang dilakukan pada suhu 500 K untuk protein wild-type memiliki nilai RMSD
5.880 Å saat waktu simulasi 688 ps.

10

(a)
(b)
(b)
Gambar 6. RMSD selama simulasi (a) unfolding 500K dan refolding 200 K dari
simulasi unfolding pada suhu 500 K, (b) unfolding 525 K dan
refolding 200 K dari simulasi unfolding pada suhu 525 K
Artinya protein telah mengalami unfolding parsial, dan pada keadaan ini
koordinat protein dijadikan masukan awal untuk proses refolding. Refolding
dilakukan terhadap struktur protein yang telah mengalami unfolding, dengan
simulasi yang lebih lama yaitu 20 ns pada suhu 200 K, nilai RMSD mengalami
penurunan yang signifikan yaitu 3.229 Å. Grafik pada Gambar (b)
merepresentasikan bahwa protein ter-unfolding pada suhu 525 K dengan nilai
RMSD 7.784 Å dan saat protein refolding nilai RMSD mengalami penurunan
yang signifikan yaitu 1.870 Å artinya protein telah berada pada kedaan native
namun belum sempurna. Perbedaan suhu yang diberikan, mempengaruhi proses
simulasi baik lamanya waktu simulasi ataupun nilai RMSD yang diperoleh.
Simulasi unfolding pada suhu 525 K lebih cepat dibandingkan pada suhu 500 K.

SASA

(a)
(b)
Gambar 5. SASA selama simulasi (a) unfolding 500K dan refolding 200 K dari
simulasi unfolding pada suhu 500 K, (b) unfolding 525 K dan
refolding 200 K dari simulasi unfolding pada suhu 525 K

11
Analisis SASA pada simulasi unfolding dan refolding protein digunakan
untuk mengetahui seberapa besar luas area permukaan protein yang dapat diakses
oleh molekul pelarut (dalam hal ini air). Pola grafik yang terbentuk hampir sama
dengan pola grafik jari-jari girasi. Luas area permukaan protein yang diakses oleh
air pada proses unfolding pada suhu 500 K (lihat Gambar a) adalah 6734.324 Å
dan hal ini menunjukan seberapa besar inti hidropobik dari molekul protein yang
telah dirusak. Namun lain halnya dengan proses refolding yang merepresentasikan
luas area permukaan protein yang diakses oleh air mengalami penurunan yaitu
6298.987 Å selama 20 ns.
Proses refolding ini bertujuan untuk mengembalikan inti hidropobik
molekul protein yang telah dirusak secara perlahan. Begitu juga dengan simulasi
pada suhu 525 K, yang mengalami peningkatan nilai SASA secara signifikan
yaitu 6986.511 Å, dalam hal ini terlihat bahwa peningkatan suhu menyebabkan
luas area permuakaan protein yang diakses oleh air semakin besar, sehingga inti
hidropobik molekul protein juga mengalami kerusakan yang lebih besar dibanding
simulasi pada suhu 500 K. Grafik pada Gambar b menunjukkan bahwa luas area
permuakaan protein yang diakses air mengalami penurunan hingga 6414.389 Å.

SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Telah dilakukan simulasi unfolding pada suhu 500 K dan 525 K, serta simulasi
refolding pada suhu 200 K. Diperoleh bahwa hasil simulasi dengan suhu yang
lebih tinggi akan mempercepat proes unfolding protein. Hasil simulasi refolding
dengan struktur awal dari simulasi unfolding pada suhu 500 K menghasilkan
bentuk struktur akhir yang lebih mendekati struktur asli (native state). Sedangkan
simulasi refolding dari struktur hasil simulasi unfolding pada suhu 525 K,
menghasilkan struktur akhir yang masih jauh dari struktur asli protein 1GB1,
ditandai dengan tidak terbentuknya struktur alfa-helix.
Saran
Simulasi refolding terhadap suhu ekstrem masih belum berhasil
mengembalikan struktur sekunder ke keadaan native. Simulasi harus dilanjutkan
dengan waktu simulasi yang lebih panjang. Selain itu, variasi suhu awal saat
proses refolding juga patut untuk dicoba, karena berdasarkan percobaan yang
penulis lakukan, dengan pemberian suhu awal proses refolding yang berbeda
menghasilkan bentuk konformasi yang berbeda terhadap struktur sekunder yang
dapat terbentuk lebih dahulu.

12

DAFTAR PUSTAKA
1. Katili, AS. Struktur dan fungsi protein kolagen. Jurnal Pelangi Ilmu. Vol. 02,
No. 5, Mei 2009.
2. Gronenborn AM, Clore GM. Structural studies of immunoglobulin binding
domains of Streptococcal protein G. Immunomethods. Maryland: Academic
Press Inc. 1993.
3. Sawitri, Kania. Pengaruh mutasi terhadap kestabilan termal protein 1gb1
[tesis]. Bogor : Institut Pertanian Bogor. 2014
4. Sari, Mayang. Identifikasi protein menggunakan fourier transform infrared.
[skripsi]. Depok : Universitas Indonesia. 2011.
5. Shen T, Cao Y, Zuang S, Li H .Engineered Bi-Histidine metal chelation sites
map the structure of the mechanical unfolding transition state of an
elastomeric protein domain GB1. Biophysical Journal. 2012; 103: 807-816.
6. Granata D, Camilloni C, Vendruscolo M, Laio A. Characterization of the freeenergy landscapes of proteins by NMR-guided metadynamics. PNAS. 2013;
110(17): 66817-6822.
7. Widiasih, et.al. Penerapan Metode Dinamika Molekul untuk Pembelajaran :
Konsep Tittk Leleh dan Perubahan Wujud. Jurnal Teori dan Aplikasi Fisika.
2013; Vol. 01, No. 02.
8. Hati, Jellyta. Analisis kestabilan protein 1GB1 menggunakan simulasi
dinamika molekul. [skripsi]. Bogor : Institut Pertanian Bogor. 2014.
9. Pande, V. S., Rokhsar, D. S. 1999. Molecular dynamics simulations of
unfolding and refolding of beta-hairpin fragment of protein G. Biophysics
Journal. Vol. 96, August 1999, pp. 9062-9067. USA: Proc. Natl. Acad. Sci.
10. Randy, Ahmad. Desain peningkatan termostabilitas lipase b candida antartica
dengan rekayasa penambahan ikatan disulfida pada enzim. [tesis]. Depok:
Universitas Indonesia.
11. Micaelo, Nuno. Analysis of molecular simulation experiment [bahan
presentasi] . Portugal: Universidade do Minho. 2010.
12. Aksimentiev, Alek, et.al. 2013. Using VMD. www.ks.uiuc.edu. (diakses 18
Oktober 2014).
13. JA, Marsh, SA Teichmann. Relative solvent accessible surface area predicts
protein conformational changes upon binding. 2010. UK: MRC Laboratory of
Molecular Biology, Hills Road, Cambridge.
14. Sharma RD, Lynn AM, Sharma PK, Rajnee, Jawaid S. High temperature
unfolding of Bacillus anthracis amidase-03 by molecular dynamics simulations.
Bioinformation. 2009; 3(10):430-434.

13
Lampiran 1. Diagram alir penelitian
Mulai
Persiapan Alat dan Bahan

Unfolding

Refolding
Koordinat unfolded 1GB1

Koordinat 1GB1.pdb

Preparasi molekul
protein

Preparasi molekul
protein
Minimisasi

Minimisasi

Pemanasan

Pendinginan

Ekuilibrasi

Ekuilibrasi

Production run

Production run
Output : Data
koordinat 1GB1
hasil refolding

Output : Data
koordinat 1GB1
hasil unfolding

Analisis Data
Penyusunan laporan
Selesai

14
Lampiran 2. Persentase kesesuaian urutan residu penyusun antara struktur protein
native dengan hasil simulasi refolding
Index Resitu
Protein Native

Struktur
Sekunder

β-sheet

β-sheet 1
β-sheet 2
β-sheet 3
β-sheet 4

α-helix
turn

coil

β-sheet
α-helix
turn

coil

β-sheet 1
β-sheet 2
β-sheet 3
β-sheet 4

Index Residu
Protein Hasil
Refolding
Wild-type 500 K
2 s/d 8
2 s/d 8
13 s/d 19
13 s/d 19
43 s/d 46
51 s/d 55
53 s/d 55
23 s/d 36
24 s/d 37
9 s/d 12
9 s/d 12
47 s/d 50
46 s/d 50
1
1
20 s/d 22
38 s/d 45
37 s/d 42
51 s/d 52
56
56
Wild-type 525 K
2 s/d 8
2 s/d 8
13 s/d 19
13 s/d 19
43 s/d 46
42 s/d 46
51 s/d 55
51 s/d 55
23 s/d 36
9 s/d 12
9 s/d 12
26 s/d 35
47 s/d 50
47 s/d 50
1
1
20 s/d 22
20 s/d 25
37 s/d 42
36 s/d 41
56
56

%
kesesuaian

85.71 %

73.21 %

15
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bekasi pada tanggal 09
Agustus 1993 dari Ayah Muhammad Dana dan Ibu
Maulana Tu’syadiah. Penulis adalah anak ketujuh
dari 7 bersaudara. Pada tahun 2011 penulis berhasil
menyelesaikan studi di SMA Pusaka 1 Jakarta dan
pada tahun yang sama penulis lulus seleksi masuk
Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur jalur
seleksi nasional masuk perguruan tinggi negeri
(SNMPTN) dan diterima di Departemen Fisika,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama mengukuti perkuliahan, penulis aktif menjadi asisten praktikum
Fisika TPB di Departemen Fisika IPB dan asisten praktikum Sosiologi Umum di
Departemen Sains Komunikasi dan Pengembangan Masyarakat. Penulis juga aktif
sebagai sekretaris 2 di Himpunan Mahasiswa Fisika (Himafi) IPB selama periode
2012 s/d 2013. Selain itu pada tahun 2012, penulis dan team berhasil
mendapatkan dana hibah dari DIKTI untuk Program Kreatifitas Mahasiswa
bidang Penelitian (PKM-P), pada tahun 2013 penulis dan team berhasil lolos
untuk mengikuti Pekan Ilmiah Mahasiswa Nasional (PIMNAS) di Mataram,
Lombok, Nusa Tenggara Barat dan berhasil memperoleh medali perak pada
presentasi dan medali perunggu pada poster. Pada tahun 2014 penulis dan team
berhasil mendapatkan dana hibah dari DIKTI untuk Program Kreatifitas
Mahasiswa bidang Karsa-Cipta (PKM-KC).