Peneliti menggunakan Komputer Super untuk menelusuri Jalur Myoglobin

50 tahun yang lalu, setelah usaha keras selama beberapa dekade, John Kendrew berhasil mengelusidasi struktur dari protein globular kecil, mioglobin, yang bertanggung jawab pada penyimpanan oksigen pada sel. Untuk penemuan ini, ia berbagi hadiah Nobel Kimia dengan Max Perutz, yang melakukan penelitian serupa pada hemoglobin. Namun ada misteri besar yang belum terpecahkan: Apakah jalur yang diikuti oksigen sewaktu ia bergerak kedalam dan keluar dari myoglobin?

Pada 5 Juli 2008, tim interdisiplin yang dipimpin oleh peneliti dari Virginia Tech mengumumkan, bahwa mereka telah menyediakan solusi komputasi pada teka-teki tersebut.

Oksigen terikat pada ataom ferum didalam mioglobin. Bagaimana cara oksigen mencapai ferum, dengan melewati dinding protein yang solid? 30 tahun pekerjaan teoritis dan eksperimen telah mengindikasikan bahwa, ketika protein berfluktuasi, suatu terowongan sementara akan terbuka untuk membentuk jaringan jalur. Namun sifat dan lokasi dari jalur dinamis tersebut pada resolusi atomis masih merupakan misteri, sampai sekarang.

‘ Setiap dekade yang lalu, telah kita saksikan terobosan pada pemecahan teka-teki mengenai protein ini. Namun, bagaimana ligan kecil seperti oksigen atau karbon monoksida bermigrasi kedalam situs ikatan yang sangat dalam, untuk kemudian keluar lagi tidak pernah dapat secara penuh terpecahkan, demikian pendapat saya,’kata Alexey Onufriev dari Blacksburg, Va., asisten profesor ilmu komputer dan fisika pada Virginia Tech.

Ia memulai penelitian myoglobin pada tahun 1997 sebagai peneliti pos doc pada laboratorium fakultas kimia milik Michael Prisant di Universitas Duke. Menurut Onufriev, Prisant menganjurkan untuk menggunakan analisis komputasi volume geometri.’ Usaha tersebut menunjukkan apa yang kita cari,’ kata Onufriev.

Kajian ini akan menjadi yang pertama dimana dinamika molekuler berhasil mengarahkan simulasi dari migrasi ligan, sewaktu mereka keluar dan masuk kedalam protein pada temperatur ruang dengan resolusi atomis.

Simulasi tersebut memberikan pencerahan terhadap beberapa pertanyaan kuno mengenai mioglobin. Mereka menguraikan bahwa migrasi ligan terjadi pada dua jalur dengan banyak cabang dan ligan bergerak memasuki myoglobin menggunakan jalur yang sama dengan yang mereka gunakan untuk keluar. Simulasi menunjukkan bahwa fluktuasi lokal yang berumur pendek bertanggung jawab untuk membuka dan menutup jalur dinamis tersebut.

Simulasi jelas menunjukkan bahwa jalur tersebut hadir pada struktur sekunder alfa heliks. Seperti orang yang mencari jalan keluar dari kompleks kantor, mereka tidak dapat melalui dinding. Ligan mengalami pause pada situs docking selama 10 nanodetik. ‘Beberapa dari situs tersebut sebelumnya diketahui namun kita menemukan lebih banyak lagi,’ kata Onufriev. ‘ Mereka adalah garpu jalur (pathways fork)’.

Pertanyaan lain adalah bagaimana cara ligan bergerak. Apakah mereka memaksa protein itu membuka selubungnya, atau mereka hanya berjalan dimana ada pintu yang terbuka? ‘Ligan mengikuti pembukaan yang terjadi pada protein,’ demikian lanjut Onufriev.

Metode

Pekerjaan ini juga menggunakan metodologi lanjutan untuk mempelajari protein. Mioglobin adalah protein model untuk biologi struktural. ‘ Ia telah dipelajari secara intensif dan menjadi kunci untuk mengelusidasi prinsip dasar pada paradigma struktur-fungsi,’ kata Onufriev.

Para peneliti tersebut menggunakan simulasi tried and true molecular dynamic (MD) yang dikomplemenkan dengan analisis komputasi geometri dari fluktuasi struktural yang tersedia untuk migrasi ligan pada myoglobin.’ Solusi kami adalah menggunakan kekuatan komputasi secara maksimal, dimana komputer super System X milik Virginia Tech sangat membantu kami,’ kata Onufriev.

Peneliti menggunakan CO karena itu lebih mudah untuk dirunut daripada dengan okseigen, dan karena sebagian besar eksperimen di masa lalu juga menggunakan CO.’ Konsensusnya adalah ligan non polar kecil seperti oksigen, CO, dan NO mengikuti jalur yang sama dengan ligan oksigen,’ kata Onufriev.

Satu tipe dari eksperimen komputasi adalah memulainya dengan meletakkan ligan dimana mereka terikat, memutus ikatannya, dan mengamati beberapa dari mereka untuk keluar dari protein myoglobin.’Secara alternatif, kita dapat memposisikan ligan pada air diluar protein dan mengamatinya memasuki protein, dan menuju pada situs ikatan,’ kata Onufriev. ‘ Ada banyak kapasitas komputasi pada komputer super modern untuk mensimulasi even ini pada temperatur ruangan, dengan menghasilkan kesimpulan yang memuaskan secara statistik,’ demikian kata dia.

‘ Tipe komputasi yang lain adalah menggunakan komputasi geometri dan teori graph untuk mencari ruang yang tersedia pada migrasi ligan berdasarkan pada volume bebas di protein. Pada cara ini, kita menggunakan snapshots dari simulasi MD untuk menemukan kaviti pada protein myoglobin yang cukup besar untuk menahan ligan. Kemudian, kita menyambungkan titik-titik tersebut dengan mengkomputasi persatuan kaviti pada semua snapshots dan kemudian kita dapat melihat jalur secara jelas. Mereka terlihat serupa dengan yang kita lihat secara langsung dengan mengkuti trayektori ligan individu,’ kata Onufriev. ‘Secara keseluruhan, kedua metode adalah saling melengkapi untuk menyediakan gambaran yang jelas dan sederhana atas apa yang terjadi.’

Metodologi yang dikembangkan pada pekerjaan ini dapat digunakan untuk mempelajari sistim yang lain. ‘Ada banyak sistim yang relevan secara biomedis, yang belum terlalu dipahami, terutama jika berhubungan dengan jalur metabolisme, yang sangat kritis untuk fungsi protein,’ kata Onufriev.

Referensi Jurnal:

Jory Z. Ruscio, Deept Kumar, Maulik Shukla., Michael G. Prisant, T. M. Murali, and Alexey Onufriev. Atomic level computational identification of ligand migration pathways between solvent and binding site in myoglobin. Proceedings of the National Academy of Sciences, June 30, 2008

Diterjemahkan dari http://www.sciencedaily.com­ /releases/2008/06/080630173945.htm