Simulasi Dinamika Molekul Protein 1GB1 Menggunakan Not Just Another Molecular Dynamcs Program (NAMD)
SIMULASI DINAMIKA MOLEKUL PROTEIN 1GB1
MENGGUNAKAN NOT JUST ANOTHER MOLECULAR
DYNAMICS PROGRAM (NAMD)
KANIA NUR SAWITRI
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
ii
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Simulasi Dinamika
Molekul Protein 1GB1 Menggunakan Not Just Another Molecular Dynamcs
Program (NAMD) 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, Juni 2013
Kania Nur Sawitri
NIM G74090004
iv
ABSTRAK
KANIA NUR SAWITRI. Simulasi Dinamika Molekul Protein 1GB1
Menggunakan Not Just Another Molecular Dynamcs Program (NAMD).
Dibimbing oleh TONY IBNU SUMARYADA dan SETYANTO TRI
WAHYUDI.
Protein 1GB1 membantu Streptomyces griseus menghindari pertahanan
inang melalui sifat pengikatan protein. Tujuan penelitian ini adalah mempelajari
mekanisme unfolding dan dinamika molekul protein 1GB1 dengan variasi suhu
berdasarkan beberapa parameter. File koordinat 1GB1 hasil NMR (Nuclear
Magnetic Resonance) diunduh melalui protein data bank yang kemudian diolah
melalui beberapa proses simulasi dinamika molekuler yaitu minimisasi,
pemanasan, ekuilibrasi dan production run menggunakan metode PBC (Periodic
Boundary Condition) dan PME (Particle Mesh Ewald). Simulasi dilakukan pada
temperatur 325K, 350K, 375K, 400K, 450K dan 500K. Kecuali simulasi 500K
yang dilakukan selama 1 ns, semua simulasi dilakukan selama 10 ns. Beberapa
parameter menunjukkan proses unfolding 1GB1 terjadi pada waktu 900 ps dengan
temperature 500K. Struktur sekunder yang pertama kali mengalami kerusakan
adalah alpha-helix yang berubah menjadi turn dan coil.
Kata kunci: simulasi dinamika molekul, VMD, NAMD, protein 1GB1, unfolding
ABSTRACT
KANIA NUR SAWITRI. Molecular Dynamics Simulation of Protein 1GB1 Using
Not Just Another Molecular Dynamics Program (NAMD). Supervised by TONY
IBNU SUMARYADA and SETYANTO TRI WAHYUDI.
Protein 1GB1 helps Streptomyces griseus to avoid host defense by
immunoglobulin binding site properties. The aim of this study are to learn the
mechanism of unfolding and molecular dynamics of protein 1GB1 by temperature
variance based on some parameters. Coordinate file of 1GB1 that given by NMR
(Nuclear Magnetic Resonance) can be downloaded from Protein Data Bank, then
it was processed by some steps such as minimization, heating, equilibration and
production run using PBC (Periodic Boundary Condition) and PME (Particle
Mesh Ewald) methods. Simulation running at 325K, 350K, 375K, 400K, 450K
dan 500K. Except simulation 1 ns at 500K, all simulations running for 10 ns.
Some parameters shown unfolding process of 1GB1 at 900 ps in 500 K
simulation. Secondary structures that broke for the first time is alpha-helix that
converted to turn and coil.
Keywords: molecular dynamics simulation, VMD, NAMD, Protein 1GB1,
unfolding
SIMULASI DINAMIKA MOLEKUL PROTEIN 1GB1
MENGGUNAKAN NOT JUST ANOTHER MOLECULAR
DYNAMICS PROGRAM (NAMD)
KANIA NUR SAWITRI
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
2013
vi
Judul Skripsi : Simulasi Dinamika Molekul Protein 1GB1 Menggunakan Not Just
Another Molecular Dynamcs Program (NAMD)
Nama
: Kania Nur Sawitri
NIM
: G74090004
Disetujui oleh
Dr. Tony Ibnu Sumaryada
Pembimbing I
Setyanto Tri Wahyudi, M.Si
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr. Akhiruddin Maddu
Ketua Departemen Fisika
Tanggal Lulus: 27 Juni 2013
viii
PRAKATA
Alhamdulillahirabbil'alamin. Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah
SWT, karena berkat rahmat, hidayah dan karunia-Nya penulis dapat
menyelesaikan karya ilmiah yang berjudul Simulasi Dinamika Molekul
Streptococcal Protein 1GB1 Menggunakan Not Just Another Molecular Dynamics
Program (NAMD) yang dilaksanakan sejak bulan Desember 2012. Shalawat serta
salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW.
Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada kesua dosen pembimbing, Dr.
Tony Ibnu Sumaryada dan Setyanto Tri Wahyudi, M.Si yang telah meluangkan
waktunya untuk membimbing penulis selama penelitian. Terimakasih penulis
sampaikan kepada seluruh dosen dan staf Departemen Fisika FMIPA-IPB.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Mamak, Bapak, abang dan
adik tersayang yang telah mendoakan, memberikan motivasi dan kasih sayangnya
kepada penulis. Begitu juga dengan rekan-rekan mahasiswa/i fisika angkatan 46
dan Pasca sarjana fisika angkatan 7 yang senantiasa memberikan motivasi, saran
dan bimbingannya selama ini.
Semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat untuk mengembangkan simulasi
dinamika molekul di Departemen Fisika FMIPA-IPB.
Bogor, Juni 2013
Kania Nur Sawitri
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
xi
DAFTAR GAMBAR
xi
DAFTAR LAMPIRAN
xi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
1
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Protein 1GB1
2
Proses Unfolding Protein
3
Jari-Jari Girasi
3
Root Mean Square Deviation (RMSD) dan Root Mean Square Fluctutation
(RMSF)
3
Energi
3
Solvent Accessible Surface Area (SASA)
4
Jembatan Garam
4
Ikatan Hidrogen
4
Simulasi Dinamika Molekul
METODE
4
5
Alat
5
Preparasi molekul
5
Simulasi dinamika molekul
6
Pengolahan data
6
HASIL DAN PEMBAHASAN
7
Validasi
7
Energi konformasi
7
Energi non-ikatan
8
Ikatan Hidrogen
9
Struktur sekunder
11
x
Jari-jari girasi
11
RMSD
12
RMSF
13
SASA
14
Jembatan Garam
16
SIMPULAN DAN SARAN
17
Simpulan
17
Saran
17
DAFTAR PUSTAKA
18
LAMPIRAN
19
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Residu penyusun struktur sekunder 1GB1
Tabel 2 Peningkatan jumlah ikatan hidrogen selama simulasi dengan variasi
temperatur
2
11
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Perbandingan faktor beta simulasi dengan ekperimen
7
Gambar 2 Energi konformasi selama simulasi dengan variasi temperatur
8
Gambar 3 Energi non ikatan selama simulasi dengan variasi temperatur
9
Gambar 4 Jumlah ikatan hidrogen selama simulasi dengan variasi temperatur 10
Gambar 5 Jari-jari girasi protein 1GB1 dengan variasi temperatur
12
Gambar 6 Kenaikan jari-jari girasi selama simulasi dengan variasi temperatur 12
Gambar 8 Rata-rata RMSD 1GB1 selama simulasi dengan variasi temperatur 13
Gambar 7 RMSD 1GB1 selama simulasi dengan variasi temperatur
13
Gambar 9 selama simulasi tiap residu dengan variasi temperatur.
14
Gambar 10 SASA (a), (b) total (c), (d) backbone (e), (f) non polar (g), (h) polar
selama simulasi dengan variasi temperatur
15
Gambar 11 Kenaikan persentase SASA akibat variasi temperatur
16
Gambar 12 Letak pasangan jembatan garam (a) E56/K10 (b) E27/K31
16
Gambar 13 Energi elektrostatik pasangan jembatan garam (a) E56-K10 (b) E27K31
17
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Perubahan struktur sekunder protein 1GB1 selama simulasi pada (a)
325 K, (b) 350 K, (c) 375 K, (d) 400 K dan (e) 500 K
19
Lampiran 2 Karakteristik residu yang terdapat pada 1GB1
20
Lampiran 3 Pasangan residu penyusun jembatan garam
21
Lampiran 4 Konformasi akhir setiap simulasi (a) 325 K, (b) 350 K, (c) 375 K, (d)
400 K dan (e) 500 K
22
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Protein merupakan senyawa organik kompleks dengan bobot molekul tinggi.
Protein juga merupakan suatu polimer yang terdiri dari monomer-monomer asam
amino yang dihubungkan dengan ikatan peptida. Protein memiliki banyak fungsi
diantaranya sebagai enzim, hormon dan antibodi. Di alam, bentuk protein spesifik
untuk suatu fungsi. Oleh karena itu agar suatu polipeptida yang baru dibentuk siap
menjadi protein yang berfungsi secara biologis dan mampu mengkatalisis suatu
reaksi metabolik, menggerakkan sel, atau makromolekul, polipeptida tersebut
harus mengalami pelipatan membentuk susunan tiga dimensi tertentu atau
konformasi.1
Struktur tiga dimensi protein penting untuk diketahui karena dapat
merepresentasikan aktivitas, fungsi, stabilitas, maupun paramater fisika-kimia
lainnya. Metode penentuan struktur tiga dimensi protein yang banyak digunakan
saat ini adalah kristalografi sinar-X (X-ray crystallography). Kristalografi sinar-X
menggunakan pancaran sinar-X yang ditembakkan mengenai suatu protein yang
telah dimurnikan atau memiliki kemurnian tinggi sehingga berbentuk kristal.2
Selain metode Kristalografi sinar-X, metode Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
juga dapat memberikan informasi struktural tingkat atom dari protein pada
keadaaan unfolded yang penting dalam karakterisasi proses pelipatan protein.3
Simulasi dinamika molekul adalah teknik menghasilkan lintasan atom dari
suatu sistem N partikel dengan integrasi numerik persamaan Newton tentang
gerak, untuk potensial interatomik spesifik dengan kondisi awal dan kondisi batas
tertentu.4 Protein 1GB1 termasuk protein yang memiliki kestabilan termal tinggi.
Hal ini dibuktikan dengan proses unfolding beta hairpin yang merupakan salah
satu fragmen dari protein 1GB1 pada suhu 400K. Oleh karena itu diperlukan
simulasi dinamika molekul protein 1GB1 pada suhu tinggi.
Perumusan Masalah
Simulasi dinamika molekul untuk struktur lengkap protein 1GB1 masih
jarang dilakukan. Sehingga proses unfolding 1GB1 belum dapat dijelaskan secara
detil. Adapun perumusan masalah yang penulis ajukan adalah sebagai berikut:
1. Bagaimana dinamika yang terjadi pada protein 1GB1 selama simulasi?
2. Pada suhu berapa protein 1GB1 mengalami unfolding?
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari mekanisme unfolding dan
dinamika molekul protein 1GB1 dengan variasi suhu berdasarkan beberapa
parameter.
2
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat menjelaskan dinamika molekul protein
1GB1 akibat pengaruh suhu. Sehingga penelitian ini dapat menjadi awalan
simulasi dinamika molekul di Departemen Fisika IPB.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian ini adalah menemukan perubahan beberapa
parameter saat terjadi unfolding. Penelitian ini dibatasi oleh waktu simulasi yaitu
selama 10 ns untuk suhu 325K, 350K, 400K dan 450K. Sedangkan untuk suhu
500K penelitian dibatasi selama 1 ns. Simulasi 300K dilakukan hanya untuk
validasi. Pembatasan tersebut ditujukan untuk mempercepat computing time.
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, 2 coil, 2 turn
dan 1 alpha-helix.5 Jumlah residu penyusun struktur sekunder tersebut dapat
dilihat pada Tabel 1. Karakteristik tiap residu terlampir dalam Lampiran 2. Ada
855 atom yang menyusun struktur 1GB1. Struktur sekunder terbentuk karena
adanya ikatan hidrogen antara atom oksigen pada gugus karbonil dengan atom
hydrogen pada gugus amida. Residu dominan dalam struktur 1GB1 adalah
Threonine, Lysine dan Alanin. Residu ada yang bersifat polar positif dan polar
negatif, yang nantinya akan membentuk jembatan garam.
Tabel 1 Residu penyusun struktur sekunder 1GB1
1
Struktur
Sekunder
Beta-sheet
2
Alpha-helix
Index
Residu
1 s/d 8
12 s/d 19
41 s/d 46
50 s/d 55
22 s/d 36
Turn
Coil
9 s/d 12
47 s/d 50
1
No
3
4
Kode Residu
M, T, Y, K, L, I, L, N
L, K, G, E, T, T, T, E
G, E, W, T, Y, D
K, T, F, T, V, T
D, A, A, T, A, E, K, V,
F, K, Q, Y, A, N, D
G, K, T, L
D, A, T, K
M
3
19 s/d 22
36 s/d 41
55 s/d 56
E, A, V, D
D, N, G, V, D, G
T, E
Proses Unfolding Protein
Mekanisme unfolding dapat dirangkum menjadi empat keadaan utama � →
� → → . F (frayed) adalah keadaan folded dimana strukturnya berjumbai. H
adalah keadaan tanpa struktur sekunder tapi inti hidrophobiknya masih tertutup. S
adalah keadaan sebagian inti hidropobik terlarut. U adalah keadaaan unfolded
sempurna.6 Proses unfolding protein dapat dijelaskan melalui beberapa parameter,
diantaranya adalah:
Jari-Jari Girasi
Jari-jari girasi � adalah parameter yang menjelaskan konformasi
seimbang dari sistem total dan kekompakan protein.
2
R2g = ∑N
i=1 (ri -RC ) ⁄N
dimana adalah jarak atom ke-i terhadap pusat massa,
pusat massa dan N adalah jumlah atom.7
(1)
adalah koordinat
Root Mean Square Deviation (RMSD) dan Root Mean Square Fluctutation
(RMSF)
RMSD didefinisikan sebagai besaran jarak antara dua buah atom.
=√
�
∑�= ��
�
� ��
− �
(2)
dimana
� adalah jumlah atom yang posisinya dibandingkan dan
� adalah posisi atom ke-i pada waktu ke-t. � adalah posisi atom ke-i
pada waktu � =0.8
Sedangkan persamaan RMSF adalah
2
1
RMSF v =√ ∑Ti=1 (vi -v̅)
(3)
T
dimana menunjukkan jumlah frame, � menunjukkan posisi residu pada
frame ke-i dan �̅ adalah posisi rata-rata residu selama frame T.9
Energi
Fungsi energi potensial
2
U= ∑ Kib (bi -bi0 ) +
Bonds
+
∑
∑
∑
Kiφ {1-cos[ni (φi -φi0 )]}
torsion angles
6
12
ij
ij
[Asc εij (r0 ⁄rij ) 2εij (r0 ⁄rij ) SA
vdw (rij )]
Bond angles
Non bonded pairs i,j
closer than cutoff
2
Kiθ (θi -θi0 ) +
4
+332 ∑
partial charge [
closer than cutoff
qi qj
⁄rij -SA
els (rij )]
(4)
dimana � adalah panjang ikatan ke-i, � adalah nilai keseimbangan panjang
ikatan ke-i dan � adalah konsranta gaya regangan ikatan. Tiga suku pertama
menunjukkan interaksi atom-atom yang berikatan kovalen (1 sampai 3 ikatan
kovalen). Suku kedua menunjukkan sudut ikatan. Suku elektrostatik dalam bentuk
⁄ . Suku ketiga menunjukkan sudut putar
potensial Coulomb ditunjukan
dihedral. Dua suku terakhir menunjukkan interaksi non-ikatan (lebih dari 3 ikatan
kovalen).10
Interaksi Van der Waals direpresentasikan dalam persamaan potensial Lennard
Jones.
ij
Ep r =ε
ij
r0⁄
rij
12
-2ε
ij
ij
r0⁄
rij
6
(5)
suku pertama berfungsi untuk menghitung peningkatan tolakan karena awan elektron dari
atom yang tumpang tindih. Suku kedua menunjukkan daya tarik electron lemah diantara
semua atom.
adalah jarak antar atom.10
Solvent Accessible Surface Area (SASA)
SASA digunakan untuk menghitung luas area permukaan protein yang dapat
diakses atau yang terpapar oleh molekul pelarut.11
Jembatan Garam
Jembatan garam adalah interaksi elektrostatik antara kelompok residu polar
didalam protein. Kekuatan jembatan garam sama dengan ikatan hidrogen tetapi
bekerja pada jarak yang lebih jauh.12
Ikatan Hidrogen
Ikatan hidrogen menunjukkan tipe interaksi tertentu yang terjadi antara
kelompok D, pendonor proton, yang bersifat sangat polar (FH, OH, NH, SH, dll)
dengan atom A, akseptor proton, yang bersifat sangat elektronegatif (F,O,N,dll).
Bentuk ikatan hidrogen ditunjukkan dengan D-H…A. Jarak antara D dengan A
bergantung pada atom-atom yang terlibat12. Ikatan hidrogen termasuk interaksi
non kovalen.
Simulasi Dinamika Molekul
Hukum dua newton � = � � ⁄�� menjadi dasar perhitungan gerak
molekul dalam program simulasi. Nilai energi berhubungan dengan temperatur
melalui momentum partikel
∑�=
| �|
��
=
�
3 −
(6)
dimana
adalah jumlah konstrain dan 3N-Nc =Ndf adalah jumlah derajat
kebebasan. Temperatur rata-rata
identik dengan temperatur makroskopik13.
5
Simulasi dilakukan menggunakan NVT ensemble (Jumlah, Volume dan
Temperatur tetap). Distribusi Boltzman untuk ensembel NVT kanonik dalam
NAMD dihitung menggunakan persamaan Langevin
2γkB T
M v= F r -γv+ √
M
R(t)
(7)
dimana
adalah massa, � kecepatan, � gaya, jarak, � koefisien gesek. �
konstanta boltzman, temperatur dan � adalah proses acak Gaussian.14
METODE
Metode yang digunakan dalam simulasi ini adalah PBC dan PME. Metode
PBC (Periodic Boundary Condition) digunakan agar sistem mendekati kondisi
sebenarnya. Metode PME (Particle Mesh Ewald) menggunakan ekspansi Taylor
untuk menghitung interaksi elektrostatik sistem. Parameter untuk kedua metode
tersebut dimasukkan dalam file konfigurasi. File topologi yang digunakan adalah
par_all27_prot_na_lipid.inp
Alat
Penelitian ini menggunakan peralatan berupa alat tulis, laptop dengan
spesifikasi 2,7GHz, 8 GB RAM dan sistem operasi Linux Ubuntu 12.04. Laptop
tersebut dilengkapi dengan beberapa program pendukung. VMD versi 1.9.1
digunakan pada tahap persiapan dan analisa, untuk menampilkan, menganalisis
dan menganimasikan molekul15. NAMD versi 2.9 digunakan sebagai simulator
dinamika molekul. NAMD bekerja dengan fungsi potensial, parameter, dan format
file CHARMM. Data yang dihasilkan oleh NAMD diolah kembali menggunakan
VBA Ms.Excel 2007 dan CatDCD versi 4.0. Plot data menggunakan program
Gnuplot versi 4.4. Konversi format file gambar menggunakan Gimp 2.6.
Preparasi molekul
Tahap ini dilakukan dengan bantuan program VMD. Data 1GB1.pdb
menjadi masukan awal simulasi dan dapat diunduh dari Protein Data Bank
(www.pdb.org). Data tersebut memuat koordinat semua atom residu, faktor
struktur kristalografi dan data eksperimen NMR sehingga dapat ditentukan
struktur tiga dimensi protein 1GB1. Ada empat langkah preparasi molekul dengan
program VMD, yang pertama adalah mengatur data 1GB1.pdb. Jumlah frame
dirubah menjadi sama dengan satu kemudian atom hidrogen dihilangkan dari
sistem molekul. Hal ini dilakukan karena koordinat atom hidrogen yang ada dalam
data 1GB1 masih berupa data tebakan. Pusat koordinat digeser ke titik (0,0,0)
untuk memudahkan perhitungan selanjutnya.
6
Kedua, membuat data 1GB1-psf.pdb dan 1GB1-psf.psf. Data 1GB1.pdb
tidak memuat informasi sepesifik yang diperlukan untuk menerapkan medan gaya
tertentu ke dalam sistem molekul, sehingga dibutuhkan data 1GB1-psf yang
dihasilkan melalui automatic psf builder. Keluaran dari program tersebut adalah
1GB1-psf.pdb dan 1GB1-psf.psf. Ketiga, pelarutan molekul, Protein 1GB1
ditempatkan dalam kotak air berdimensi (80x80x80) �. Air berperan sebagai
media pelarut molekul 1GB1. Jumlah air selama simulasi adalah tetap. Keluaran
dari tahap ini adalah 1GB1-solv.pdb dan 1GB1-solv.psf.
Keempat, penetralan sistem, molekul yang telah dilarutkan belum netral
sepenuhnya, karena masih terdapat ion-ion dari residu-residu polar. Residu polar
bermuatan positif dari protein 1GB1 adalah Lysine. Sedangkan residu polar yang
bermuatan negatif adalah Asparagine dan Glutamic Acid. NaCl 0.5 M berperan
sebagai penetral sistem. Larutan akan secara otomatis terus ditambahkan ke sistem
hingga sistem mencapai keadaan netral. Keluaran dari tahap ini adalah 1GB1ion.pdb dan 1GB1-ion.psf.
Simulasi dinamika molekul
Tahap ini menggunakan program NAMD. Masukan awal program berupa
file konfigurasi. File konfigurasi berisi parameter apa saja yang digunakan dan
berapa nilai parameter tersebut. Selain itu data konfigurasi juga mengontrol
bagaimana sistem akan disimulasikan. Protokol untuk kontol yang dipilih adalah
Langevin dengan time step sebesar 2 fs. Ada tiga langkah simulasi yang dilakukan.
Pertama adalah minimisasi. Minimasasi diperlukan untuk meminimalkan energi
yang dimiliki molekul, sehingga pada kondisi awal molekul tidak terlalu banyak
bergerak. Masukan awal minimisasi adalah tiga fixed atoms file masing-masing
berupa data dengan faktor beta diberikan sama dengan 1 untuk protein, atom-atom
backbone dan atom-atom � . Minimisasi dilakukan selama 100 ps.
Kedua adalah Pemanasan dan ekuilibrasi. Suhu awal simulasi adalah 0K
sedangkan suhu akhir divariasikan 325K, 350K, 375K, 400K, 450K dan 500K.
Suhu dinaikkan setiap 25K dengan iterasi 10.000 kali. Kemudian, sistem
diekuilibrasi dengan protokol Langevin agar suhu tetap berada di suhu akhir
selama 20 ps. Selama proses ini sistem masih merasakan kekangan berupa
konstanta pegas. Ekuilibrasi akhir dilakukan dengan menghilangkan constraint
selama 40 ps. File keluaran dari proses ini adalah 1GB1-heat-equil.dcd.
Ketiga adalah Production run. Pada tahap ini sistem sudah tidak dikontrol
lagi suhunya sehingga molekul bebas bergerak. Tahap ini merupakan tahap inti
dari simulasi dinamika molekul protein 1GB1. Production run dilakukan selama
10 ns dimana prosesnya dibagi menjadi 10 sub-proses. Dinamika yang terjadi
selama Production run seperti perubahan temperatur, tekanan, energi elektrostatik
dan lainnya direkam dalam log file. Keluaran dari proses ini adalah File 1GB1md.dcd.
Pengolahan data
File 1GB1-heat-equil.dcd dan 1GB1-md.dcd keduanya masih mengandung
air. Untuk mempercepat pengolahan data maka air akan dihilangkan dari sistem
7
dengan cara menggabungkan data 1GB1-index.ind kedalam kedua file tadi
sehingga didapatkan 1GB1-heat-equil-nobox.dcd dan 1GB1-md-nobox.dcd.
Melalui program VMD maka akan didapatkan beberapa data analisis, pertama
adalah jumlah ikatan hidrogen antara protein/protein, backbone/backbone dan
protein/air. Khusus untuk perhitungan ikatan hidrogen protein/air, penelitian ini
menggunakan data 1GB1-heat-equil.dcd dan 1GB1-md.dcd. Kedua adalah
dinamika energi konformasi dan non-ikatan. Ketiga adalah RMSD, yang
menunjukkan pergerakan lintasan atom selama simulasi. Keempat, energi
elektrostatik tiap jembatan garam . Perhitungan jari-jari girasi, Root Mean Square
Fluctuation (RMSF), jumlah residu yang membentuk struktur sekunder, dan
Solvent Accessible Surface Area (SASA) juga dilakukan melalui VMD.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Validasi
Hasil simulasi perlu divalidasi untuk melihat kesesuaiannya. Parameter yang
dapat dibandingkan adalah faktor beta. Faktor beta menunjukkan pergeseran
kerapatan elektron pada suatu atom dalam kristal. Pemilihan temperatur 300K
sebagai pembanding dikarenakan protein tidak mengalami perubahan konformasi
yang banyak berbeda dari struktur awal. Data faktor beta simulasi pada temperatur
300K menunjukkan bahwa hasil simulasi memiliki pola yang sama dengan
eksperimen (didapat dari protein data bank) walaupun nilainya berbeda. Oleh
karena itu simulasi ini dapat dilanjutkan pada temperatur berikutnya (325K
sampai 500K).
.
Gambar 1 Perbandingan
beta simulasi dengan ekperimen
Energi faktor
konformasi
Energi konformasi mencakup energi ikatan, sudut, dihedral dan improper.
Energi konformasi diperlukan protein untuk mengubah suatu bentuk konformasi
8
ke bentuk konformasi yang lain. Semakin tinggi temperatur maka energi
konformasi juga akan semakin besar (Gambar 2(a)). Perbedaan energi sebesar
50Kcal/mol dihasilkan dari perbedaan temperatur sebesar 25K. Terlihat pada
simulasi temperatur 500K (Gambar 2(b)) energi konformasi mengalami lonjakan
pada waktu 900 ps karena pada saat tersebut protein 1GB1 mengalami unfolding
(dijelaskan pada subbab struktur sekunder). Unfolding merupakan keadaan yang
tidak stabil dari sistem, sehingga akan berada pada energi yang tinggi. Energi
konformasi kemudian stabil kembali tetapi dengan nilai lebih tinggi dari kondisi
sebelum unfolding.
(a)
(b)
Gambar 2 Energi konformasi selama simulasi dengan variasi temperatur
Energi non-ikatan
Energi non-ikatan sudah mencakup energi elektrostatik dan van der Waals.
Energi elektrostatik dihasilkan dari pasangan residu polar, baik yang bermuatan
maupun yang netral. Sedangkan energi van der Waals adalah interaksi
elektrostatik antara residu polar netral yang teriduksi dipol oleh residu polar
bermuatan. Jangkauan energi van der waals sangat rendah sehingga dapat
mewakili kekompakan protein. Tidak ada perubahan yang signifikan terhadap
energi non-ikatan dengan bertambahnya temperatur (berada di rentang -1000
sampai dengan -500Kcal/mol) (Gambar 3(a)). Hal ini sudah benar karena tidak
ada perubahan pH yang dilakukan selama simulasi yang dapat mengubah
konsentrasi ion dalam sistem ditambah lagi jumlah residu polar dan bermuatan
yang tetap selama simulasi. Energi non ikatan meningkat saat 900ps (Gambar
3(b)) karena sistem menjadi tidak stabil.
9
(a)
(b)
Gambar 3 Energi non ikatan selama simulasi dengan variasi temperatur
Ikatan Hidrogen
Gambar-gambar yang akan ditampilkan pada subbab ini adalah gambar
yang telah diperhalus menggunakan moving average untuk setiap 50 frame agar
memudahkan pembacaan data. Ikatan hidrogen yang dihitung adalah ikatan
hidrogen dimana jarak donor-akseptor proton masih berada di rentang 3.0Å. Pada
Gambar 4(a) dan 4(b) ikatan hidrogen antar backbone cenderung konstan selama
simulasi. Kenaikan suhu menyebakan energi sistem bertambah sehingga vibrasi
antar ikatan semakin kuat dan akan menyebabkan putusnya ikatan hidrogen yang
termasuk ikatan lemah. Backbone adalah rantai utama peptida tanpa memasukkan
rantai samping atau residunya. Pada proses unfolding terlihat penurunan jumlah
ikatan hidrogen (Gambar 4(b)). Ini dikarenakan jarak beberapa backbone yang
menjauh sehingga memutuskan ikatan hidrogen.
Pada Gambar 4(c) dan 4(d) ikatan hidrogen antar protein juga
menunjukkan pola yang sama dengan Gambar 4(a) dan 4(b) hanya jumlahnya
lebih banyak. Hal ini sudah benar karena telah memasukkan ikatan hidrogen antar
residu dan ikatan hidrogen residu/backbone. Karena pada proses unfolding jumlah
ikatan hidrogen antar protein tetap (Gambar 4(d)), dapat disimpulkan bahwa
terjadi peningkatan jumlah ikatan hidrogen antar residu. Jarak residu terjadap
backbone akan tetap walaupun terjadi unfolding, sehingga tidak akan ada
perbedaan jumlah ikatan hidrogen residu/backbone saat unfolding.
Pada Gambar 4(e) dan 4(f) terlihat jelas pengaruh temperatur terhadap
jumlah ikatan hidrogen protein/air. Semakin tinggi temperatur maka jumlah ikatan
hidrogen protein/air akan semakin berkurang. Terjadi penurunan ikatan hidrogen
protein/air yang tajam saat terjadi unfolding. Ini dikarenakan ukuran protein yang
membesar secara drastis (dijelaskan pada subbab jari-jari girasi) dan tiba-tiba
sehingga mengacaukan sistem wadah air yang telah dibuat. Selama simulasi
terjadi fluktuasi jumlah ikatan hidrogen, dikarenakan sistem yang bervibrasi
akibat pemberian panas. Peningkatan jumlah ikatan hidrogen selama simulasi
dihitung dari nilai maksimal dikurangi nilai minimal yang pernah ada saat
simulasi tersebut (Tabel 2).
10
(a)
(c)
(e)
(b)
(d)
(f)
Gambar 4 Jumlah ikatan hidrogen selama simulasi dengan variasi temperatur
11
Tabel 2 Peningkatan jumlah ikatan hidrogen selama simulasi dengan
variasi temperatur
Temperatur
325K
350K
375K
400K
450K
500K
Backbone/backbone Protein/protein Protein/air
20
26
46
18
24
45
18
26
41
20
26
43
16
26
45
12
20
40
Struktur sekunder
Simulasi 325K sampai dengan 450K memiliki jumlah struktur sekunder
yang tetap. Sedangkan pada simulasi 500K alpha-helix akan berubah menjadi turn
dan coil. Selama simulasi residu penyusun masing-masing struktur sekunder akan
berubah (Lampiran 1). Fluktuatif penyusun struktur sekunder menunjukkan bahwa
struktur-struktur tersebut tersebut berusaha mempertahankan keberadaannya.
Semakin tinggi temperatur simulasi maka akan semakin sering terjadi pertukaran
penyusun struktur. Residu penyusun asli dari 1GB1 dapat dilihat pada Tabel 1.
Saat terjadi proses unfolding struktur sekunder yang pertama kali rusak adalah
alpha-helix. Hal ini sudah sesuai dengan penelitian sebelumnya.
Jari-jari girasi
Jari-jari girasi 1GB1 selama simulasi temperatur 325K sampai 450K belum
ada perubahan yang signifikan (Gambar 5(a)) sehingga selama rentang temperatur
tersebut protein 1GB1 masih kompak. Jari-jari girasi 1GB1 berada di rentang
10.5-11.25 Å. Jari-jari girasi rata-rata selama simulasi untuk temperatur 325K,
350K, 375K, 400K dan 450K masing-masing adalah 10.73219 Å, 10.77799 Å,
10.70131 Å, 10.78662 Å dan 10.86688 Å. Pada proses unfolding di temperatur
500K terjadi lonjakan jari-jari girasi dari 11 Å sampai 18 Å (Gambar 5(b)).
Terlihat pada Gambar 6, semakin meningkat temperatur maka fluktuatif jari-jari
girasi juga akan semakin besar. Fluktuasi dapat diartikan sebagai persen kenaikan
jari-jari girasi dari nilai minimal ke nilai maksimal yang ada dalam simulasi.
12
(a)
(b)
Gambar 5 Jari-jari girasi protein 1GB1 dengan variasi temperatur
Kenaikan jari-jari girasi (%)
70
60
50
40
30
20
10
0
300
350
400
450
500
Temperatur (K)
Gambar 6 Kenaikan jari-jari girasi selama simulasi dengan variasi temperatur
RMSD
RMSD menunjukkan perubahan konformasi selama simulasi. Pada simulasi
dengan rentang temperatur 325K sampai 450K masih belum ada perubahan
RMSD yang signifikan (Gambar 7(a)) sehingga dapat dikatakan bahwa protein
1GB1 tidak banyak mengalami perubahan konformasi selama simulasi. Pada
selang waktu 6-7 ns dan 8.4-8.6 ns untuk temperatur 450K terjadi peningkatan
RMSD yang lebih besar dibandingkan lainnya. Hal tersebut mengindikasikan
protein mulai tidak stabil atau akan melakukan proses unfolding. Selama simulasi
berlangsung dapat teramati bahwa semakin meningkat temperatur sistem maka
RMSD rata-rata akan meningkat (Gambar 8). Nilai RMSD 1GB1 yang dapat
diperoleh berada di rentang 0.5-1.5 Å. Saat unfolding, RMSD 1GB1 akan
meningkat sampai 800% (Gambar 7(b)).
13
(a)
(b)
Gambar 7 RMSD 1GB1 selama simulasi dengan variasi temperatur
RMSD rata-rata (Å)
2,5
2
1,5
1
0,5
0
300
350
400
450
500
Temperatur (K)
Gambar 8 Rata-rata RMSD 1GB1 selama simulasi dengan variasi temperatur
RMSF
RMSF menunjukkan fleksibilitas residu selama simulasi. Skrip analisis
RMSF hanya menghitung untuk atom C- � dari protein 1GB1. Analisis
pergerakan atom C- � mewakili pergerakan rata-rata dari suatu residu protein
selama simulasi. Ditunjukkan pada gambar 9(a) beberapa residu yang memiliki
nilai RMSF tertinggi pada setiap simulasi. Residu tersebut adalah M1, T11, G14,
V21, D40, dan E56. Simulasi 500K menghasilkan RMSF yang berbeda dengan
yang lainnya. Banyak residu yang tadinya tidak fleksibel menjadi fleksibel. Hal
ini dikarenakan terjadinya proses unfolding yang merubah fleksibilitas residu.
14
(a)
(b)
Gambar 9 selama simulasi tiap residu dengan variasi temperatur.
SASA
Sasa juga merupakan salah satu parameter yang menunjukkan kekompakan
protein. Grafik yang ditampilkan merupakan data yang sudah diperhalus dengan
moving average untuk setiap 50 frame. Semakin meningkatnya suhu maka
perlahan-lahan nilai total SASA juga akan semakin meningkat (Gambar 10(a) dan
(b)). Secara rata-rata nilai total SASA 1GB1 yang diperoleh dari masing-masing
simulasi berada pada rentang 3590-4597� . Saat unfolding nilai SASA meningkat
drastis ke angka 6851 � . Hal ini dikarenakan terbukanya gugus hidrophobik
protein yang ditunjukkan persentase kenaikan SASA non polar tertinggi
dibandingkan SASA lainnya (Gambar 11).
(a)
(b)
15
(c)
(e)
(g)
(d)
(f)
(h)
Gambar 10 SASA (a), (b) total (c), (d) backbone (e), (f) non polar (g), (h) polar selama
simulasi dengan variasi temperatur
16
Kenaikan SASA (%)
250
200
150
total
100
non polar
polar
50
backbone
0
300
400
500
Temperatur (K)
Gambar 11 Kenaikan persentase SASA akibat variasi temperatur
Jembatan Garam
−
Jembatan garam merupakan interaksi elektrostatik antara
pada residu
+
polar negatif (Glutamic acid atau Aspartic acid) dengan � pada residu polar
netral (Lysine). Pergerakan protein yang fluktuatif menyebabkan interaksi
elektrostatik juga hilang timbul. Secara umum jembatan garam yang ada selama
simulasi dirangkum dalam Lampiran 3. Pasangan jembatan garam E15/K4,
E27/K41 dan E56/K10 selalu ada di setiap simulasi dengan temperatur berapapun.
Seperti telah dijelaskan sebelumnya pada subbab struktur sekunder bahwa struktur
alpha-helix yang pertama kali rusak. Hal tersebut didukung dengan energi
elektrostatik pasangan jembatan garam E56-K10, yang menghubungan antar betahairpin (Gambar 12(a)), semakin lama semakin besar amplitudo fluktuatifnya
yang menandakan gejala putusnya interaksi elektrostatik dan akhirnya menuju
nilai nol yang menandakan sudah tidak ada interaksi lagi (Gambar 13(a)).
Sedangkan pasangan jembatan garam E27-K31 (Gambar 12(b)) terdapat pada
struktur alpha-helix. Proses unfolding menyebabkan pasangan residu tersebut
semakin jauh sehingga interaksi elektrostatiknya semakin menuju nol (Gambar
13(b)).
(a)
(b)
Gambar 12 Letak pasangan jembatan garam (a) E56/K10 (b) E27/K31
17
(a)
(b)
Gambar 13 Energi elektrostatik pasangan jembatan garam (a) E56-K10 (b) E27-K31
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Proses unfolding protein 1GB1 terjadi pada waktu 900 ps dengan temperatur
500K dimulai dengan rusaknya struktur alpha-helix. Struktur tersebut merupakan
tempat yang didominasi oleh residu hidrophobik. Sehingga nilai SASA residu
hidrophobik meningkat 200% dari semula. Keadaan unfolded merupakan keadaan
yang tidak stabil dari protein sehingga memiliki energi yang lebih tinggi daripada
keadaan folded. Membukanya protein 1GB1 secara keseluruhan ditunjukkan
dengan meningkatnya jari-jari girasi hingga 60%. Ikatan hidrogen dan jembatan
garam berfungsi menstabilkan protein. Tingginya energi yang dimiliki protein
akan menyebabkan putusnya ikatan hidrogen yang termasuk ikatan lemah dan
melemahnya interaksi elektrostatik antar residu penyusun jembatan garam. RMSD
dan RMSF masing-masing menunjukkan simpangan rata-rata setiap konformasi
protein dan residu selama simulasi. Peningkatan suhu menyebabkan konformasi
protein semakin berbeda dari aslinya (ditunjukkan dengan nilai RMSD yang
meningkat). Proses unfolded juga menyebabkan beberapa residu menjadi lebih
fleksibel dari sebelumnya.
Saran
Peningkatan jari-jari girasi yang drastis dari protein 1GB1 setelah
mengalami unfolded menyebabkan simulasi tidak dilanjutkan lebih lama karena
18
keterbatasan alat. Oleh karena itu diperlukan simulasi lanjutan pada temperatur
500K untuk beberapa nano sekon berikutnya. Selain itu simulasi pada temperatur
325K, 350K, 375K, 400K dan 450K dapat dilanjutkan untuk waktu yang lebih
lama sehingga didapatkan informasi yang lebih dari dinamika protein.
DAFTAR PUSTAKA
1. Murray, R. K., Graner, D. K., and Rodwell, V. W. Harper’s Ilustrated
Biochemistry 28th edition. 2009.
2. Ghifari, Abi Sofyan. Deteksi Struktur Protein Hingga Tingkat Atomik
(terhubung berkala) http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/deteksistruktur-protein-hingga-tingkat-atomik/ (diakses pada tanggal 22
Nopember 2012).
3. Rico, Manuel, Protein structure, dynamics and function by NMR, Instituto de
Química Física “Rocasolano” (CSIC), Spain.
4. Li, Ju. Handbook of Materials Modeling. Department of Materials Science and
Engineering, Ohio State University, USA. 2005.
5. Gronenborn, A. M., Clore, G. M. Structural Studies of Immunoglobulin-Binding
Domains of Streptococcal Protein G, Immunomethods, Academic Press Inc.,
Maryland. 1993.
6. Pande, V. S., Rokhsar, D. S. Molecular dynamics simulations of unfolding and
refolding of beta-hairpin fragment of protein G. Proc. Natl. Acad. Sci.
USA. 1999. Vol. 96, August 1999, pp. 9062-9067.
7. Lobanov, M. Yu., Bogatyreva, N. S., Galzitskaya, O. V. Radius Gyration as an
Indicator of Protein Structure Compactness. Molecular Biology. 2008.
Vol. 8 No 4, March 2008 pp. 623-628
8. Aksimentiev, Alek, et. al. Using VMD. www.ks.uiuc.edu. 2012.
9. Schuffler, Peter. Analyse a molecular dynamics (MD) Trajectory
10. Levitt, M., Hirshberg, M., Sharon, R., Daggett, V. Potential energy function and
parameters for simulations of the molecular dynamics of proteins and
nucleid acids in solution, Computer physics communication. 1995. Vol. 91,
November 1994, pp. 215-231
11. Randy, Ahmad. [Tesis]. Desain Peningkatan Termostabilitas Lipase B Candida
antarctica dengan Rekayasa Penambahan Ikatan Disulfida Pada Enzim.
Program Studi Ilmu Kimia. Fakultas MIPA. Universitas Indonesia. 2011.
12. Michele, D. Molecular Biophysics: Structures in Motion, Oxford University
Press, London. 2004.
13. Ruhle, Victor. Berendsen and Nose-Hoover thermostats. 2007.
14. Phillips, J. C., Braun, S., Wang, W., Gumbart, J., Tajkhorshid, E., Villa, E., Chipot,
C., Skeel, R. D., Kale, L., Schulten, K., Scalable Molecular Dynamics with
NAMD. Journal of Computational Chemistry, Vol. 26 No 16, May 2005, pp.
1781-1802.
15. Humprey, W., Dalke, A., Schulten, K., “VMD - Visual Molecular Dynamics” J.
Molec. Graphics 1996, 14.1,33-38.
19
Lampiran 1 Perubahan struktur sekunder protein 1GB1 selama simulasi
pada (a) 325 K, (b) 350 K, (c) 375 K, (d) 400 K dan (e) 500 K
Keterangan:
beta-sheet
coil
turn
alpha-helix
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
20
Lampiran 2 Karakteristik residu yang terdapat pada 1GB1
No
Jenis Residu
Kode
Nama Residu
Residu
1
Polar positif
L
Lysine
2
Polar negatif
D
Aspartic Acid
E
Glutamic Acid
T
Threonine
N
Asparagine
Q
Glutamine
3
Polar netral
4
Non polar
G
Glycine
5
Hidrophobik
A
Alanine
I
Isoleucine
L
Leucine
M
Methionine
F
Phenylalanine
W
Tryptophan
Y
Tyrosine
V
Valine
F
Phenylalanine
Y
Tyrosine
W
Tryptophan
6
Aromatik
Lampiran 3 Pasangan residu penyusun jembatan garam
Temperatur
Pasangan
Temperatur
Pasangan
325K
E15-K4
400K
E15-K4
E27-K31
E27-K31
D40-K31
D40-K10
D47-K50
D40-K31
E56-K10
D47-K50
E56-K10
350K
E15-K4
450K
E15-K4
E27-K28
E15-K13
E27-K31
E27-K28
D40-K31
E27-K31
E56-K10
D40-K10
E56-K13
D40-K31
D47-K50
E56-K10
375K
E15-K4
500K
E15-K4
E27-K31
E15-K13
D40-K10
E27-K28
D40-K31
E27-K31
D47-K50
D47-K50
E56-K10
E56-K10
Lampiran 4 Konformasi akhir setiap simulasi (a) 325 K, (b) 350 K, (c)
375 K, (d) 400 K dan (e) 500 K
(a)
(c)
(b)
(d)
(e)
(f)
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jambi pada tanggal 12 Mei 1992 dari Ayah
Marbawi Alie dan Ibu Yeni Aeni Suhana. Penulis adalah anak
ketiga dari 5 bersaudara. Pada tahun 2009 penulis berhasil
menyelesaikan studi di SMA Negeri 1 Jambi dan pada tahun
yang sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor
(IPB) melalui jalur Ujian Saringan Masuk IPB (USMI) dan
diterima di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam. Selama mengukuti perkuliahan, penulis aktif
menjadi pengajar bimbingan belajar “Mom&Me Home Schooling”. Penulis juga
pernah aktif sebagai anggota Koran Kampus IPB periode 2009/2012.
MENGGUNAKAN NOT JUST ANOTHER MOLECULAR
DYNAMICS PROGRAM (NAMD)
KANIA NUR SAWITRI
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
ii
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Simulasi Dinamika
Molekul Protein 1GB1 Menggunakan Not Just Another Molecular Dynamcs
Program (NAMD) 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, Juni 2013
Kania Nur Sawitri
NIM G74090004
iv
ABSTRAK
KANIA NUR SAWITRI. Simulasi Dinamika Molekul Protein 1GB1
Menggunakan Not Just Another Molecular Dynamcs Program (NAMD).
Dibimbing oleh TONY IBNU SUMARYADA dan SETYANTO TRI
WAHYUDI.
Protein 1GB1 membantu Streptomyces griseus menghindari pertahanan
inang melalui sifat pengikatan protein. Tujuan penelitian ini adalah mempelajari
mekanisme unfolding dan dinamika molekul protein 1GB1 dengan variasi suhu
berdasarkan beberapa parameter. File koordinat 1GB1 hasil NMR (Nuclear
Magnetic Resonance) diunduh melalui protein data bank yang kemudian diolah
melalui beberapa proses simulasi dinamika molekuler yaitu minimisasi,
pemanasan, ekuilibrasi dan production run menggunakan metode PBC (Periodic
Boundary Condition) dan PME (Particle Mesh Ewald). Simulasi dilakukan pada
temperatur 325K, 350K, 375K, 400K, 450K dan 500K. Kecuali simulasi 500K
yang dilakukan selama 1 ns, semua simulasi dilakukan selama 10 ns. Beberapa
parameter menunjukkan proses unfolding 1GB1 terjadi pada waktu 900 ps dengan
temperature 500K. Struktur sekunder yang pertama kali mengalami kerusakan
adalah alpha-helix yang berubah menjadi turn dan coil.
Kata kunci: simulasi dinamika molekul, VMD, NAMD, protein 1GB1, unfolding
ABSTRACT
KANIA NUR SAWITRI. Molecular Dynamics Simulation of Protein 1GB1 Using
Not Just Another Molecular Dynamics Program (NAMD). Supervised by TONY
IBNU SUMARYADA and SETYANTO TRI WAHYUDI.
Protein 1GB1 helps Streptomyces griseus to avoid host defense by
immunoglobulin binding site properties. The aim of this study are to learn the
mechanism of unfolding and molecular dynamics of protein 1GB1 by temperature
variance based on some parameters. Coordinate file of 1GB1 that given by NMR
(Nuclear Magnetic Resonance) can be downloaded from Protein Data Bank, then
it was processed by some steps such as minimization, heating, equilibration and
production run using PBC (Periodic Boundary Condition) and PME (Particle
Mesh Ewald) methods. Simulation running at 325K, 350K, 375K, 400K, 450K
dan 500K. Except simulation 1 ns at 500K, all simulations running for 10 ns.
Some parameters shown unfolding process of 1GB1 at 900 ps in 500 K
simulation. Secondary structures that broke for the first time is alpha-helix that
converted to turn and coil.
Keywords: molecular dynamics simulation, VMD, NAMD, Protein 1GB1,
unfolding
SIMULASI DINAMIKA MOLEKUL PROTEIN 1GB1
MENGGUNAKAN NOT JUST ANOTHER MOLECULAR
DYNAMICS PROGRAM (NAMD)
KANIA NUR SAWITRI
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
2013
vi
Judul Skripsi : Simulasi Dinamika Molekul Protein 1GB1 Menggunakan Not Just
Another Molecular Dynamcs Program (NAMD)
Nama
: Kania Nur Sawitri
NIM
: G74090004
Disetujui oleh
Dr. Tony Ibnu Sumaryada
Pembimbing I
Setyanto Tri Wahyudi, M.Si
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr. Akhiruddin Maddu
Ketua Departemen Fisika
Tanggal Lulus: 27 Juni 2013
viii
PRAKATA
Alhamdulillahirabbil'alamin. Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah
SWT, karena berkat rahmat, hidayah dan karunia-Nya penulis dapat
menyelesaikan karya ilmiah yang berjudul Simulasi Dinamika Molekul
Streptococcal Protein 1GB1 Menggunakan Not Just Another Molecular Dynamics
Program (NAMD) yang dilaksanakan sejak bulan Desember 2012. Shalawat serta
salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW.
Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada kesua dosen pembimbing, Dr.
Tony Ibnu Sumaryada dan Setyanto Tri Wahyudi, M.Si yang telah meluangkan
waktunya untuk membimbing penulis selama penelitian. Terimakasih penulis
sampaikan kepada seluruh dosen dan staf Departemen Fisika FMIPA-IPB.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Mamak, Bapak, abang dan
adik tersayang yang telah mendoakan, memberikan motivasi dan kasih sayangnya
kepada penulis. Begitu juga dengan rekan-rekan mahasiswa/i fisika angkatan 46
dan Pasca sarjana fisika angkatan 7 yang senantiasa memberikan motivasi, saran
dan bimbingannya selama ini.
Semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat untuk mengembangkan simulasi
dinamika molekul di Departemen Fisika FMIPA-IPB.
Bogor, Juni 2013
Kania Nur Sawitri
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
xi
DAFTAR GAMBAR
xi
DAFTAR LAMPIRAN
xi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
1
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Protein 1GB1
2
Proses Unfolding Protein
3
Jari-Jari Girasi
3
Root Mean Square Deviation (RMSD) dan Root Mean Square Fluctutation
(RMSF)
3
Energi
3
Solvent Accessible Surface Area (SASA)
4
Jembatan Garam
4
Ikatan Hidrogen
4
Simulasi Dinamika Molekul
METODE
4
5
Alat
5
Preparasi molekul
5
Simulasi dinamika molekul
6
Pengolahan data
6
HASIL DAN PEMBAHASAN
7
Validasi
7
Energi konformasi
7
Energi non-ikatan
8
Ikatan Hidrogen
9
Struktur sekunder
11
x
Jari-jari girasi
11
RMSD
12
RMSF
13
SASA
14
Jembatan Garam
16
SIMPULAN DAN SARAN
17
Simpulan
17
Saran
17
DAFTAR PUSTAKA
18
LAMPIRAN
19
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Residu penyusun struktur sekunder 1GB1
Tabel 2 Peningkatan jumlah ikatan hidrogen selama simulasi dengan variasi
temperatur
2
11
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Perbandingan faktor beta simulasi dengan ekperimen
7
Gambar 2 Energi konformasi selama simulasi dengan variasi temperatur
8
Gambar 3 Energi non ikatan selama simulasi dengan variasi temperatur
9
Gambar 4 Jumlah ikatan hidrogen selama simulasi dengan variasi temperatur 10
Gambar 5 Jari-jari girasi protein 1GB1 dengan variasi temperatur
12
Gambar 6 Kenaikan jari-jari girasi selama simulasi dengan variasi temperatur 12
Gambar 8 Rata-rata RMSD 1GB1 selama simulasi dengan variasi temperatur 13
Gambar 7 RMSD 1GB1 selama simulasi dengan variasi temperatur
13
Gambar 9 selama simulasi tiap residu dengan variasi temperatur.
14
Gambar 10 SASA (a), (b) total (c), (d) backbone (e), (f) non polar (g), (h) polar
selama simulasi dengan variasi temperatur
15
Gambar 11 Kenaikan persentase SASA akibat variasi temperatur
16
Gambar 12 Letak pasangan jembatan garam (a) E56/K10 (b) E27/K31
16
Gambar 13 Energi elektrostatik pasangan jembatan garam (a) E56-K10 (b) E27K31
17
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Perubahan struktur sekunder protein 1GB1 selama simulasi pada (a)
325 K, (b) 350 K, (c) 375 K, (d) 400 K dan (e) 500 K
19
Lampiran 2 Karakteristik residu yang terdapat pada 1GB1
20
Lampiran 3 Pasangan residu penyusun jembatan garam
21
Lampiran 4 Konformasi akhir setiap simulasi (a) 325 K, (b) 350 K, (c) 375 K, (d)
400 K dan (e) 500 K
22
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Protein merupakan senyawa organik kompleks dengan bobot molekul tinggi.
Protein juga merupakan suatu polimer yang terdiri dari monomer-monomer asam
amino yang dihubungkan dengan ikatan peptida. Protein memiliki banyak fungsi
diantaranya sebagai enzim, hormon dan antibodi. Di alam, bentuk protein spesifik
untuk suatu fungsi. Oleh karena itu agar suatu polipeptida yang baru dibentuk siap
menjadi protein yang berfungsi secara biologis dan mampu mengkatalisis suatu
reaksi metabolik, menggerakkan sel, atau makromolekul, polipeptida tersebut
harus mengalami pelipatan membentuk susunan tiga dimensi tertentu atau
konformasi.1
Struktur tiga dimensi protein penting untuk diketahui karena dapat
merepresentasikan aktivitas, fungsi, stabilitas, maupun paramater fisika-kimia
lainnya. Metode penentuan struktur tiga dimensi protein yang banyak digunakan
saat ini adalah kristalografi sinar-X (X-ray crystallography). Kristalografi sinar-X
menggunakan pancaran sinar-X yang ditembakkan mengenai suatu protein yang
telah dimurnikan atau memiliki kemurnian tinggi sehingga berbentuk kristal.2
Selain metode Kristalografi sinar-X, metode Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
juga dapat memberikan informasi struktural tingkat atom dari protein pada
keadaaan unfolded yang penting dalam karakterisasi proses pelipatan protein.3
Simulasi dinamika molekul adalah teknik menghasilkan lintasan atom dari
suatu sistem N partikel dengan integrasi numerik persamaan Newton tentang
gerak, untuk potensial interatomik spesifik dengan kondisi awal dan kondisi batas
tertentu.4 Protein 1GB1 termasuk protein yang memiliki kestabilan termal tinggi.
Hal ini dibuktikan dengan proses unfolding beta hairpin yang merupakan salah
satu fragmen dari protein 1GB1 pada suhu 400K. Oleh karena itu diperlukan
simulasi dinamika molekul protein 1GB1 pada suhu tinggi.
Perumusan Masalah
Simulasi dinamika molekul untuk struktur lengkap protein 1GB1 masih
jarang dilakukan. Sehingga proses unfolding 1GB1 belum dapat dijelaskan secara
detil. Adapun perumusan masalah yang penulis ajukan adalah sebagai berikut:
1. Bagaimana dinamika yang terjadi pada protein 1GB1 selama simulasi?
2. Pada suhu berapa protein 1GB1 mengalami unfolding?
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari mekanisme unfolding dan
dinamika molekul protein 1GB1 dengan variasi suhu berdasarkan beberapa
parameter.
2
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat menjelaskan dinamika molekul protein
1GB1 akibat pengaruh suhu. Sehingga penelitian ini dapat menjadi awalan
simulasi dinamika molekul di Departemen Fisika IPB.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian ini adalah menemukan perubahan beberapa
parameter saat terjadi unfolding. Penelitian ini dibatasi oleh waktu simulasi yaitu
selama 10 ns untuk suhu 325K, 350K, 400K dan 450K. Sedangkan untuk suhu
500K penelitian dibatasi selama 1 ns. Simulasi 300K dilakukan hanya untuk
validasi. Pembatasan tersebut ditujukan untuk mempercepat computing time.
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, 2 coil, 2 turn
dan 1 alpha-helix.5 Jumlah residu penyusun struktur sekunder tersebut dapat
dilihat pada Tabel 1. Karakteristik tiap residu terlampir dalam Lampiran 2. Ada
855 atom yang menyusun struktur 1GB1. Struktur sekunder terbentuk karena
adanya ikatan hidrogen antara atom oksigen pada gugus karbonil dengan atom
hydrogen pada gugus amida. Residu dominan dalam struktur 1GB1 adalah
Threonine, Lysine dan Alanin. Residu ada yang bersifat polar positif dan polar
negatif, yang nantinya akan membentuk jembatan garam.
Tabel 1 Residu penyusun struktur sekunder 1GB1
1
Struktur
Sekunder
Beta-sheet
2
Alpha-helix
Index
Residu
1 s/d 8
12 s/d 19
41 s/d 46
50 s/d 55
22 s/d 36
Turn
Coil
9 s/d 12
47 s/d 50
1
No
3
4
Kode Residu
M, T, Y, K, L, I, L, N
L, K, G, E, T, T, T, E
G, E, W, T, Y, D
K, T, F, T, V, T
D, A, A, T, A, E, K, V,
F, K, Q, Y, A, N, D
G, K, T, L
D, A, T, K
M
3
19 s/d 22
36 s/d 41
55 s/d 56
E, A, V, D
D, N, G, V, D, G
T, E
Proses Unfolding Protein
Mekanisme unfolding dapat dirangkum menjadi empat keadaan utama � →
� → → . F (frayed) adalah keadaan folded dimana strukturnya berjumbai. H
adalah keadaan tanpa struktur sekunder tapi inti hidrophobiknya masih tertutup. S
adalah keadaan sebagian inti hidropobik terlarut. U adalah keadaaan unfolded
sempurna.6 Proses unfolding protein dapat dijelaskan melalui beberapa parameter,
diantaranya adalah:
Jari-Jari Girasi
Jari-jari girasi � adalah parameter yang menjelaskan konformasi
seimbang dari sistem total dan kekompakan protein.
2
R2g = ∑N
i=1 (ri -RC ) ⁄N
dimana adalah jarak atom ke-i terhadap pusat massa,
pusat massa dan N adalah jumlah atom.7
(1)
adalah koordinat
Root Mean Square Deviation (RMSD) dan Root Mean Square Fluctutation
(RMSF)
RMSD didefinisikan sebagai besaran jarak antara dua buah atom.
=√
�
∑�= ��
�
� ��
− �
(2)
dimana
� adalah jumlah atom yang posisinya dibandingkan dan
� adalah posisi atom ke-i pada waktu ke-t. � adalah posisi atom ke-i
pada waktu � =0.8
Sedangkan persamaan RMSF adalah
2
1
RMSF v =√ ∑Ti=1 (vi -v̅)
(3)
T
dimana menunjukkan jumlah frame, � menunjukkan posisi residu pada
frame ke-i dan �̅ adalah posisi rata-rata residu selama frame T.9
Energi
Fungsi energi potensial
2
U= ∑ Kib (bi -bi0 ) +
Bonds
+
∑
∑
∑
Kiφ {1-cos[ni (φi -φi0 )]}
torsion angles
6
12
ij
ij
[Asc εij (r0 ⁄rij ) 2εij (r0 ⁄rij ) SA
vdw (rij )]
Bond angles
Non bonded pairs i,j
closer than cutoff
2
Kiθ (θi -θi0 ) +
4
+332 ∑
partial charge [
closer than cutoff
qi qj
⁄rij -SA
els (rij )]
(4)
dimana � adalah panjang ikatan ke-i, � adalah nilai keseimbangan panjang
ikatan ke-i dan � adalah konsranta gaya regangan ikatan. Tiga suku pertama
menunjukkan interaksi atom-atom yang berikatan kovalen (1 sampai 3 ikatan
kovalen). Suku kedua menunjukkan sudut ikatan. Suku elektrostatik dalam bentuk
⁄ . Suku ketiga menunjukkan sudut putar
potensial Coulomb ditunjukan
dihedral. Dua suku terakhir menunjukkan interaksi non-ikatan (lebih dari 3 ikatan
kovalen).10
Interaksi Van der Waals direpresentasikan dalam persamaan potensial Lennard
Jones.
ij
Ep r =ε
ij
r0⁄
rij
12
-2ε
ij
ij
r0⁄
rij
6
(5)
suku pertama berfungsi untuk menghitung peningkatan tolakan karena awan elektron dari
atom yang tumpang tindih. Suku kedua menunjukkan daya tarik electron lemah diantara
semua atom.
adalah jarak antar atom.10
Solvent Accessible Surface Area (SASA)
SASA digunakan untuk menghitung luas area permukaan protein yang dapat
diakses atau yang terpapar oleh molekul pelarut.11
Jembatan Garam
Jembatan garam adalah interaksi elektrostatik antara kelompok residu polar
didalam protein. Kekuatan jembatan garam sama dengan ikatan hidrogen tetapi
bekerja pada jarak yang lebih jauh.12
Ikatan Hidrogen
Ikatan hidrogen menunjukkan tipe interaksi tertentu yang terjadi antara
kelompok D, pendonor proton, yang bersifat sangat polar (FH, OH, NH, SH, dll)
dengan atom A, akseptor proton, yang bersifat sangat elektronegatif (F,O,N,dll).
Bentuk ikatan hidrogen ditunjukkan dengan D-H…A. Jarak antara D dengan A
bergantung pada atom-atom yang terlibat12. Ikatan hidrogen termasuk interaksi
non kovalen.
Simulasi Dinamika Molekul
Hukum dua newton � = � � ⁄�� menjadi dasar perhitungan gerak
molekul dalam program simulasi. Nilai energi berhubungan dengan temperatur
melalui momentum partikel
∑�=
| �|
��
=
�
3 −
(6)
dimana
adalah jumlah konstrain dan 3N-Nc =Ndf adalah jumlah derajat
kebebasan. Temperatur rata-rata
identik dengan temperatur makroskopik13.
5
Simulasi dilakukan menggunakan NVT ensemble (Jumlah, Volume dan
Temperatur tetap). Distribusi Boltzman untuk ensembel NVT kanonik dalam
NAMD dihitung menggunakan persamaan Langevin
2γkB T
M v= F r -γv+ √
M
R(t)
(7)
dimana
adalah massa, � kecepatan, � gaya, jarak, � koefisien gesek. �
konstanta boltzman, temperatur dan � adalah proses acak Gaussian.14
METODE
Metode yang digunakan dalam simulasi ini adalah PBC dan PME. Metode
PBC (Periodic Boundary Condition) digunakan agar sistem mendekati kondisi
sebenarnya. Metode PME (Particle Mesh Ewald) menggunakan ekspansi Taylor
untuk menghitung interaksi elektrostatik sistem. Parameter untuk kedua metode
tersebut dimasukkan dalam file konfigurasi. File topologi yang digunakan adalah
par_all27_prot_na_lipid.inp
Alat
Penelitian ini menggunakan peralatan berupa alat tulis, laptop dengan
spesifikasi 2,7GHz, 8 GB RAM dan sistem operasi Linux Ubuntu 12.04. Laptop
tersebut dilengkapi dengan beberapa program pendukung. VMD versi 1.9.1
digunakan pada tahap persiapan dan analisa, untuk menampilkan, menganalisis
dan menganimasikan molekul15. NAMD versi 2.9 digunakan sebagai simulator
dinamika molekul. NAMD bekerja dengan fungsi potensial, parameter, dan format
file CHARMM. Data yang dihasilkan oleh NAMD diolah kembali menggunakan
VBA Ms.Excel 2007 dan CatDCD versi 4.0. Plot data menggunakan program
Gnuplot versi 4.4. Konversi format file gambar menggunakan Gimp 2.6.
Preparasi molekul
Tahap ini dilakukan dengan bantuan program VMD. Data 1GB1.pdb
menjadi masukan awal simulasi dan dapat diunduh dari Protein Data Bank
(www.pdb.org). Data tersebut memuat koordinat semua atom residu, faktor
struktur kristalografi dan data eksperimen NMR sehingga dapat ditentukan
struktur tiga dimensi protein 1GB1. Ada empat langkah preparasi molekul dengan
program VMD, yang pertama adalah mengatur data 1GB1.pdb. Jumlah frame
dirubah menjadi sama dengan satu kemudian atom hidrogen dihilangkan dari
sistem molekul. Hal ini dilakukan karena koordinat atom hidrogen yang ada dalam
data 1GB1 masih berupa data tebakan. Pusat koordinat digeser ke titik (0,0,0)
untuk memudahkan perhitungan selanjutnya.
6
Kedua, membuat data 1GB1-psf.pdb dan 1GB1-psf.psf. Data 1GB1.pdb
tidak memuat informasi sepesifik yang diperlukan untuk menerapkan medan gaya
tertentu ke dalam sistem molekul, sehingga dibutuhkan data 1GB1-psf yang
dihasilkan melalui automatic psf builder. Keluaran dari program tersebut adalah
1GB1-psf.pdb dan 1GB1-psf.psf. Ketiga, pelarutan molekul, Protein 1GB1
ditempatkan dalam kotak air berdimensi (80x80x80) �. Air berperan sebagai
media pelarut molekul 1GB1. Jumlah air selama simulasi adalah tetap. Keluaran
dari tahap ini adalah 1GB1-solv.pdb dan 1GB1-solv.psf.
Keempat, penetralan sistem, molekul yang telah dilarutkan belum netral
sepenuhnya, karena masih terdapat ion-ion dari residu-residu polar. Residu polar
bermuatan positif dari protein 1GB1 adalah Lysine. Sedangkan residu polar yang
bermuatan negatif adalah Asparagine dan Glutamic Acid. NaCl 0.5 M berperan
sebagai penetral sistem. Larutan akan secara otomatis terus ditambahkan ke sistem
hingga sistem mencapai keadaan netral. Keluaran dari tahap ini adalah 1GB1ion.pdb dan 1GB1-ion.psf.
Simulasi dinamika molekul
Tahap ini menggunakan program NAMD. Masukan awal program berupa
file konfigurasi. File konfigurasi berisi parameter apa saja yang digunakan dan
berapa nilai parameter tersebut. Selain itu data konfigurasi juga mengontrol
bagaimana sistem akan disimulasikan. Protokol untuk kontol yang dipilih adalah
Langevin dengan time step sebesar 2 fs. Ada tiga langkah simulasi yang dilakukan.
Pertama adalah minimisasi. Minimasasi diperlukan untuk meminimalkan energi
yang dimiliki molekul, sehingga pada kondisi awal molekul tidak terlalu banyak
bergerak. Masukan awal minimisasi adalah tiga fixed atoms file masing-masing
berupa data dengan faktor beta diberikan sama dengan 1 untuk protein, atom-atom
backbone dan atom-atom � . Minimisasi dilakukan selama 100 ps.
Kedua adalah Pemanasan dan ekuilibrasi. Suhu awal simulasi adalah 0K
sedangkan suhu akhir divariasikan 325K, 350K, 375K, 400K, 450K dan 500K.
Suhu dinaikkan setiap 25K dengan iterasi 10.000 kali. Kemudian, sistem
diekuilibrasi dengan protokol Langevin agar suhu tetap berada di suhu akhir
selama 20 ps. Selama proses ini sistem masih merasakan kekangan berupa
konstanta pegas. Ekuilibrasi akhir dilakukan dengan menghilangkan constraint
selama 40 ps. File keluaran dari proses ini adalah 1GB1-heat-equil.dcd.
Ketiga adalah Production run. Pada tahap ini sistem sudah tidak dikontrol
lagi suhunya sehingga molekul bebas bergerak. Tahap ini merupakan tahap inti
dari simulasi dinamika molekul protein 1GB1. Production run dilakukan selama
10 ns dimana prosesnya dibagi menjadi 10 sub-proses. Dinamika yang terjadi
selama Production run seperti perubahan temperatur, tekanan, energi elektrostatik
dan lainnya direkam dalam log file. Keluaran dari proses ini adalah File 1GB1md.dcd.
Pengolahan data
File 1GB1-heat-equil.dcd dan 1GB1-md.dcd keduanya masih mengandung
air. Untuk mempercepat pengolahan data maka air akan dihilangkan dari sistem
7
dengan cara menggabungkan data 1GB1-index.ind kedalam kedua file tadi
sehingga didapatkan 1GB1-heat-equil-nobox.dcd dan 1GB1-md-nobox.dcd.
Melalui program VMD maka akan didapatkan beberapa data analisis, pertama
adalah jumlah ikatan hidrogen antara protein/protein, backbone/backbone dan
protein/air. Khusus untuk perhitungan ikatan hidrogen protein/air, penelitian ini
menggunakan data 1GB1-heat-equil.dcd dan 1GB1-md.dcd. Kedua adalah
dinamika energi konformasi dan non-ikatan. Ketiga adalah RMSD, yang
menunjukkan pergerakan lintasan atom selama simulasi. Keempat, energi
elektrostatik tiap jembatan garam . Perhitungan jari-jari girasi, Root Mean Square
Fluctuation (RMSF), jumlah residu yang membentuk struktur sekunder, dan
Solvent Accessible Surface Area (SASA) juga dilakukan melalui VMD.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Validasi
Hasil simulasi perlu divalidasi untuk melihat kesesuaiannya. Parameter yang
dapat dibandingkan adalah faktor beta. Faktor beta menunjukkan pergeseran
kerapatan elektron pada suatu atom dalam kristal. Pemilihan temperatur 300K
sebagai pembanding dikarenakan protein tidak mengalami perubahan konformasi
yang banyak berbeda dari struktur awal. Data faktor beta simulasi pada temperatur
300K menunjukkan bahwa hasil simulasi memiliki pola yang sama dengan
eksperimen (didapat dari protein data bank) walaupun nilainya berbeda. Oleh
karena itu simulasi ini dapat dilanjutkan pada temperatur berikutnya (325K
sampai 500K).
.
Gambar 1 Perbandingan
beta simulasi dengan ekperimen
Energi faktor
konformasi
Energi konformasi mencakup energi ikatan, sudut, dihedral dan improper.
Energi konformasi diperlukan protein untuk mengubah suatu bentuk konformasi
8
ke bentuk konformasi yang lain. Semakin tinggi temperatur maka energi
konformasi juga akan semakin besar (Gambar 2(a)). Perbedaan energi sebesar
50Kcal/mol dihasilkan dari perbedaan temperatur sebesar 25K. Terlihat pada
simulasi temperatur 500K (Gambar 2(b)) energi konformasi mengalami lonjakan
pada waktu 900 ps karena pada saat tersebut protein 1GB1 mengalami unfolding
(dijelaskan pada subbab struktur sekunder). Unfolding merupakan keadaan yang
tidak stabil dari sistem, sehingga akan berada pada energi yang tinggi. Energi
konformasi kemudian stabil kembali tetapi dengan nilai lebih tinggi dari kondisi
sebelum unfolding.
(a)
(b)
Gambar 2 Energi konformasi selama simulasi dengan variasi temperatur
Energi non-ikatan
Energi non-ikatan sudah mencakup energi elektrostatik dan van der Waals.
Energi elektrostatik dihasilkan dari pasangan residu polar, baik yang bermuatan
maupun yang netral. Sedangkan energi van der Waals adalah interaksi
elektrostatik antara residu polar netral yang teriduksi dipol oleh residu polar
bermuatan. Jangkauan energi van der waals sangat rendah sehingga dapat
mewakili kekompakan protein. Tidak ada perubahan yang signifikan terhadap
energi non-ikatan dengan bertambahnya temperatur (berada di rentang -1000
sampai dengan -500Kcal/mol) (Gambar 3(a)). Hal ini sudah benar karena tidak
ada perubahan pH yang dilakukan selama simulasi yang dapat mengubah
konsentrasi ion dalam sistem ditambah lagi jumlah residu polar dan bermuatan
yang tetap selama simulasi. Energi non ikatan meningkat saat 900ps (Gambar
3(b)) karena sistem menjadi tidak stabil.
9
(a)
(b)
Gambar 3 Energi non ikatan selama simulasi dengan variasi temperatur
Ikatan Hidrogen
Gambar-gambar yang akan ditampilkan pada subbab ini adalah gambar
yang telah diperhalus menggunakan moving average untuk setiap 50 frame agar
memudahkan pembacaan data. Ikatan hidrogen yang dihitung adalah ikatan
hidrogen dimana jarak donor-akseptor proton masih berada di rentang 3.0Å. Pada
Gambar 4(a) dan 4(b) ikatan hidrogen antar backbone cenderung konstan selama
simulasi. Kenaikan suhu menyebakan energi sistem bertambah sehingga vibrasi
antar ikatan semakin kuat dan akan menyebabkan putusnya ikatan hidrogen yang
termasuk ikatan lemah. Backbone adalah rantai utama peptida tanpa memasukkan
rantai samping atau residunya. Pada proses unfolding terlihat penurunan jumlah
ikatan hidrogen (Gambar 4(b)). Ini dikarenakan jarak beberapa backbone yang
menjauh sehingga memutuskan ikatan hidrogen.
Pada Gambar 4(c) dan 4(d) ikatan hidrogen antar protein juga
menunjukkan pola yang sama dengan Gambar 4(a) dan 4(b) hanya jumlahnya
lebih banyak. Hal ini sudah benar karena telah memasukkan ikatan hidrogen antar
residu dan ikatan hidrogen residu/backbone. Karena pada proses unfolding jumlah
ikatan hidrogen antar protein tetap (Gambar 4(d)), dapat disimpulkan bahwa
terjadi peningkatan jumlah ikatan hidrogen antar residu. Jarak residu terjadap
backbone akan tetap walaupun terjadi unfolding, sehingga tidak akan ada
perbedaan jumlah ikatan hidrogen residu/backbone saat unfolding.
Pada Gambar 4(e) dan 4(f) terlihat jelas pengaruh temperatur terhadap
jumlah ikatan hidrogen protein/air. Semakin tinggi temperatur maka jumlah ikatan
hidrogen protein/air akan semakin berkurang. Terjadi penurunan ikatan hidrogen
protein/air yang tajam saat terjadi unfolding. Ini dikarenakan ukuran protein yang
membesar secara drastis (dijelaskan pada subbab jari-jari girasi) dan tiba-tiba
sehingga mengacaukan sistem wadah air yang telah dibuat. Selama simulasi
terjadi fluktuasi jumlah ikatan hidrogen, dikarenakan sistem yang bervibrasi
akibat pemberian panas. Peningkatan jumlah ikatan hidrogen selama simulasi
dihitung dari nilai maksimal dikurangi nilai minimal yang pernah ada saat
simulasi tersebut (Tabel 2).
10
(a)
(c)
(e)
(b)
(d)
(f)
Gambar 4 Jumlah ikatan hidrogen selama simulasi dengan variasi temperatur
11
Tabel 2 Peningkatan jumlah ikatan hidrogen selama simulasi dengan
variasi temperatur
Temperatur
325K
350K
375K
400K
450K
500K
Backbone/backbone Protein/protein Protein/air
20
26
46
18
24
45
18
26
41
20
26
43
16
26
45
12
20
40
Struktur sekunder
Simulasi 325K sampai dengan 450K memiliki jumlah struktur sekunder
yang tetap. Sedangkan pada simulasi 500K alpha-helix akan berubah menjadi turn
dan coil. Selama simulasi residu penyusun masing-masing struktur sekunder akan
berubah (Lampiran 1). Fluktuatif penyusun struktur sekunder menunjukkan bahwa
struktur-struktur tersebut tersebut berusaha mempertahankan keberadaannya.
Semakin tinggi temperatur simulasi maka akan semakin sering terjadi pertukaran
penyusun struktur. Residu penyusun asli dari 1GB1 dapat dilihat pada Tabel 1.
Saat terjadi proses unfolding struktur sekunder yang pertama kali rusak adalah
alpha-helix. Hal ini sudah sesuai dengan penelitian sebelumnya.
Jari-jari girasi
Jari-jari girasi 1GB1 selama simulasi temperatur 325K sampai 450K belum
ada perubahan yang signifikan (Gambar 5(a)) sehingga selama rentang temperatur
tersebut protein 1GB1 masih kompak. Jari-jari girasi 1GB1 berada di rentang
10.5-11.25 Å. Jari-jari girasi rata-rata selama simulasi untuk temperatur 325K,
350K, 375K, 400K dan 450K masing-masing adalah 10.73219 Å, 10.77799 Å,
10.70131 Å, 10.78662 Å dan 10.86688 Å. Pada proses unfolding di temperatur
500K terjadi lonjakan jari-jari girasi dari 11 Å sampai 18 Å (Gambar 5(b)).
Terlihat pada Gambar 6, semakin meningkat temperatur maka fluktuatif jari-jari
girasi juga akan semakin besar. Fluktuasi dapat diartikan sebagai persen kenaikan
jari-jari girasi dari nilai minimal ke nilai maksimal yang ada dalam simulasi.
12
(a)
(b)
Gambar 5 Jari-jari girasi protein 1GB1 dengan variasi temperatur
Kenaikan jari-jari girasi (%)
70
60
50
40
30
20
10
0
300
350
400
450
500
Temperatur (K)
Gambar 6 Kenaikan jari-jari girasi selama simulasi dengan variasi temperatur
RMSD
RMSD menunjukkan perubahan konformasi selama simulasi. Pada simulasi
dengan rentang temperatur 325K sampai 450K masih belum ada perubahan
RMSD yang signifikan (Gambar 7(a)) sehingga dapat dikatakan bahwa protein
1GB1 tidak banyak mengalami perubahan konformasi selama simulasi. Pada
selang waktu 6-7 ns dan 8.4-8.6 ns untuk temperatur 450K terjadi peningkatan
RMSD yang lebih besar dibandingkan lainnya. Hal tersebut mengindikasikan
protein mulai tidak stabil atau akan melakukan proses unfolding. Selama simulasi
berlangsung dapat teramati bahwa semakin meningkat temperatur sistem maka
RMSD rata-rata akan meningkat (Gambar 8). Nilai RMSD 1GB1 yang dapat
diperoleh berada di rentang 0.5-1.5 Å. Saat unfolding, RMSD 1GB1 akan
meningkat sampai 800% (Gambar 7(b)).
13
(a)
(b)
Gambar 7 RMSD 1GB1 selama simulasi dengan variasi temperatur
RMSD rata-rata (Å)
2,5
2
1,5
1
0,5
0
300
350
400
450
500
Temperatur (K)
Gambar 8 Rata-rata RMSD 1GB1 selama simulasi dengan variasi temperatur
RMSF
RMSF menunjukkan fleksibilitas residu selama simulasi. Skrip analisis
RMSF hanya menghitung untuk atom C- � dari protein 1GB1. Analisis
pergerakan atom C- � mewakili pergerakan rata-rata dari suatu residu protein
selama simulasi. Ditunjukkan pada gambar 9(a) beberapa residu yang memiliki
nilai RMSF tertinggi pada setiap simulasi. Residu tersebut adalah M1, T11, G14,
V21, D40, dan E56. Simulasi 500K menghasilkan RMSF yang berbeda dengan
yang lainnya. Banyak residu yang tadinya tidak fleksibel menjadi fleksibel. Hal
ini dikarenakan terjadinya proses unfolding yang merubah fleksibilitas residu.
14
(a)
(b)
Gambar 9 selama simulasi tiap residu dengan variasi temperatur.
SASA
Sasa juga merupakan salah satu parameter yang menunjukkan kekompakan
protein. Grafik yang ditampilkan merupakan data yang sudah diperhalus dengan
moving average untuk setiap 50 frame. Semakin meningkatnya suhu maka
perlahan-lahan nilai total SASA juga akan semakin meningkat (Gambar 10(a) dan
(b)). Secara rata-rata nilai total SASA 1GB1 yang diperoleh dari masing-masing
simulasi berada pada rentang 3590-4597� . Saat unfolding nilai SASA meningkat
drastis ke angka 6851 � . Hal ini dikarenakan terbukanya gugus hidrophobik
protein yang ditunjukkan persentase kenaikan SASA non polar tertinggi
dibandingkan SASA lainnya (Gambar 11).
(a)
(b)
15
(c)
(e)
(g)
(d)
(f)
(h)
Gambar 10 SASA (a), (b) total (c), (d) backbone (e), (f) non polar (g), (h) polar selama
simulasi dengan variasi temperatur
16
Kenaikan SASA (%)
250
200
150
total
100
non polar
polar
50
backbone
0
300
400
500
Temperatur (K)
Gambar 11 Kenaikan persentase SASA akibat variasi temperatur
Jembatan Garam
−
Jembatan garam merupakan interaksi elektrostatik antara
pada residu
+
polar negatif (Glutamic acid atau Aspartic acid) dengan � pada residu polar
netral (Lysine). Pergerakan protein yang fluktuatif menyebabkan interaksi
elektrostatik juga hilang timbul. Secara umum jembatan garam yang ada selama
simulasi dirangkum dalam Lampiran 3. Pasangan jembatan garam E15/K4,
E27/K41 dan E56/K10 selalu ada di setiap simulasi dengan temperatur berapapun.
Seperti telah dijelaskan sebelumnya pada subbab struktur sekunder bahwa struktur
alpha-helix yang pertama kali rusak. Hal tersebut didukung dengan energi
elektrostatik pasangan jembatan garam E56-K10, yang menghubungan antar betahairpin (Gambar 12(a)), semakin lama semakin besar amplitudo fluktuatifnya
yang menandakan gejala putusnya interaksi elektrostatik dan akhirnya menuju
nilai nol yang menandakan sudah tidak ada interaksi lagi (Gambar 13(a)).
Sedangkan pasangan jembatan garam E27-K31 (Gambar 12(b)) terdapat pada
struktur alpha-helix. Proses unfolding menyebabkan pasangan residu tersebut
semakin jauh sehingga interaksi elektrostatiknya semakin menuju nol (Gambar
13(b)).
(a)
(b)
Gambar 12 Letak pasangan jembatan garam (a) E56/K10 (b) E27/K31
17
(a)
(b)
Gambar 13 Energi elektrostatik pasangan jembatan garam (a) E56-K10 (b) E27-K31
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Proses unfolding protein 1GB1 terjadi pada waktu 900 ps dengan temperatur
500K dimulai dengan rusaknya struktur alpha-helix. Struktur tersebut merupakan
tempat yang didominasi oleh residu hidrophobik. Sehingga nilai SASA residu
hidrophobik meningkat 200% dari semula. Keadaan unfolded merupakan keadaan
yang tidak stabil dari protein sehingga memiliki energi yang lebih tinggi daripada
keadaan folded. Membukanya protein 1GB1 secara keseluruhan ditunjukkan
dengan meningkatnya jari-jari girasi hingga 60%. Ikatan hidrogen dan jembatan
garam berfungsi menstabilkan protein. Tingginya energi yang dimiliki protein
akan menyebabkan putusnya ikatan hidrogen yang termasuk ikatan lemah dan
melemahnya interaksi elektrostatik antar residu penyusun jembatan garam. RMSD
dan RMSF masing-masing menunjukkan simpangan rata-rata setiap konformasi
protein dan residu selama simulasi. Peningkatan suhu menyebabkan konformasi
protein semakin berbeda dari aslinya (ditunjukkan dengan nilai RMSD yang
meningkat). Proses unfolded juga menyebabkan beberapa residu menjadi lebih
fleksibel dari sebelumnya.
Saran
Peningkatan jari-jari girasi yang drastis dari protein 1GB1 setelah
mengalami unfolded menyebabkan simulasi tidak dilanjutkan lebih lama karena
18
keterbatasan alat. Oleh karena itu diperlukan simulasi lanjutan pada temperatur
500K untuk beberapa nano sekon berikutnya. Selain itu simulasi pada temperatur
325K, 350K, 375K, 400K dan 450K dapat dilanjutkan untuk waktu yang lebih
lama sehingga didapatkan informasi yang lebih dari dinamika protein.
DAFTAR PUSTAKA
1. Murray, R. K., Graner, D. K., and Rodwell, V. W. Harper’s Ilustrated
Biochemistry 28th edition. 2009.
2. Ghifari, Abi Sofyan. Deteksi Struktur Protein Hingga Tingkat Atomik
(terhubung berkala) http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/deteksistruktur-protein-hingga-tingkat-atomik/ (diakses pada tanggal 22
Nopember 2012).
3. Rico, Manuel, Protein structure, dynamics and function by NMR, Instituto de
Química Física “Rocasolano” (CSIC), Spain.
4. Li, Ju. Handbook of Materials Modeling. Department of Materials Science and
Engineering, Ohio State University, USA. 2005.
5. Gronenborn, A. M., Clore, G. M. Structural Studies of Immunoglobulin-Binding
Domains of Streptococcal Protein G, Immunomethods, Academic Press Inc.,
Maryland. 1993.
6. Pande, V. S., Rokhsar, D. S. Molecular dynamics simulations of unfolding and
refolding of beta-hairpin fragment of protein G. Proc. Natl. Acad. Sci.
USA. 1999. Vol. 96, August 1999, pp. 9062-9067.
7. Lobanov, M. Yu., Bogatyreva, N. S., Galzitskaya, O. V. Radius Gyration as an
Indicator of Protein Structure Compactness. Molecular Biology. 2008.
Vol. 8 No 4, March 2008 pp. 623-628
8. Aksimentiev, Alek, et. al. Using VMD. www.ks.uiuc.edu. 2012.
9. Schuffler, Peter. Analyse a molecular dynamics (MD) Trajectory
10. Levitt, M., Hirshberg, M., Sharon, R., Daggett, V. Potential energy function and
parameters for simulations of the molecular dynamics of proteins and
nucleid acids in solution, Computer physics communication. 1995. Vol. 91,
November 1994, pp. 215-231
11. Randy, Ahmad. [Tesis]. Desain Peningkatan Termostabilitas Lipase B Candida
antarctica dengan Rekayasa Penambahan Ikatan Disulfida Pada Enzim.
Program Studi Ilmu Kimia. Fakultas MIPA. Universitas Indonesia. 2011.
12. Michele, D. Molecular Biophysics: Structures in Motion, Oxford University
Press, London. 2004.
13. Ruhle, Victor. Berendsen and Nose-Hoover thermostats. 2007.
14. Phillips, J. C., Braun, S., Wang, W., Gumbart, J., Tajkhorshid, E., Villa, E., Chipot,
C., Skeel, R. D., Kale, L., Schulten, K., Scalable Molecular Dynamics with
NAMD. Journal of Computational Chemistry, Vol. 26 No 16, May 2005, pp.
1781-1802.
15. Humprey, W., Dalke, A., Schulten, K., “VMD - Visual Molecular Dynamics” J.
Molec. Graphics 1996, 14.1,33-38.
19
Lampiran 1 Perubahan struktur sekunder protein 1GB1 selama simulasi
pada (a) 325 K, (b) 350 K, (c) 375 K, (d) 400 K dan (e) 500 K
Keterangan:
beta-sheet
coil
turn
alpha-helix
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
20
Lampiran 2 Karakteristik residu yang terdapat pada 1GB1
No
Jenis Residu
Kode
Nama Residu
Residu
1
Polar positif
L
Lysine
2
Polar negatif
D
Aspartic Acid
E
Glutamic Acid
T
Threonine
N
Asparagine
Q
Glutamine
3
Polar netral
4
Non polar
G
Glycine
5
Hidrophobik
A
Alanine
I
Isoleucine
L
Leucine
M
Methionine
F
Phenylalanine
W
Tryptophan
Y
Tyrosine
V
Valine
F
Phenylalanine
Y
Tyrosine
W
Tryptophan
6
Aromatik
Lampiran 3 Pasangan residu penyusun jembatan garam
Temperatur
Pasangan
Temperatur
Pasangan
325K
E15-K4
400K
E15-K4
E27-K31
E27-K31
D40-K31
D40-K10
D47-K50
D40-K31
E56-K10
D47-K50
E56-K10
350K
E15-K4
450K
E15-K4
E27-K28
E15-K13
E27-K31
E27-K28
D40-K31
E27-K31
E56-K10
D40-K10
E56-K13
D40-K31
D47-K50
E56-K10
375K
E15-K4
500K
E15-K4
E27-K31
E15-K13
D40-K10
E27-K28
D40-K31
E27-K31
D47-K50
D47-K50
E56-K10
E56-K10
Lampiran 4 Konformasi akhir setiap simulasi (a) 325 K, (b) 350 K, (c)
375 K, (d) 400 K dan (e) 500 K
(a)
(c)
(b)
(d)
(e)
(f)
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jambi pada tanggal 12 Mei 1992 dari Ayah
Marbawi Alie dan Ibu Yeni Aeni Suhana. Penulis adalah anak
ketiga dari 5 bersaudara. Pada tahun 2009 penulis berhasil
menyelesaikan studi di SMA Negeri 1 Jambi dan pada tahun
yang sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor
(IPB) melalui jalur Ujian Saringan Masuk IPB (USMI) dan
diterima di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam. Selama mengukuti perkuliahan, penulis aktif
menjadi pengajar bimbingan belajar “Mom&Me Home Schooling”. Penulis juga
pernah aktif sebagai anggota Koran Kampus IPB periode 2009/2012.