STABILITAS TERMAL DAN PERGERAKAN DINAMIS KLENOW-LIKE DNA POLIMERASE I ITB-1 BERDASARKAN SIMULASI DINAMIKA MOLEKUL
DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung
SANTI NURBAITI NIM : 30505007 (Program Studi Kimia)
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009
ABSTRAK STABILITAS TERMAL DAN PERGERAKAN DINAMIS KLENOW-LIKE DNA POLIMERASE I ITB-1 BERDASARKAN SIMULASI DINAMIKA MOLEKUL Oleh
Santi Nurbaiti NIM : 30505007 Penelitian sifat stabilitas termal protein telah membuka wawasan baru terhadap pengembangan ilmu dasar maupun aplikasi praktis khususnya di dunia industri. Faktor penyebab stabilitas termal dari suatu protein telah ditentukan dengan berbagai teknik eksperimen maupun pendekatan komputasi. Keseluruhan penelitian yang telah dilakukan, telah menyimpulkan bahwa sifat stabilitas termal tidak terfokus pada satu jenis interaksi intramolekul dalam protein, tetapi lebih menyarankan bahwa faktor penentu ini dapat berbeda dari satu protein ke protein yang lain. Oleh karena itu, penelitian untuk mengungkap faktor penentu sifat stabilitas termal dari suatu protein masih terus dilakukan.
Model enzim yang digunakan dalam penelitian ini adalah DNA Polimerase (Pol) I yang diisolasi dari isolat lokal Geobacillus thermoleovorans. Enzim DNA Pol I umum digunakan dalam bioteknologi seperti pengembangan teknologi PCR dan penentuan urutan nukleotida. Gen penyandi DNA Pol I dari bakteri di atas, selanjutnya disebut sebagai DNA Pol I ITB-1 telah diklon dan diekspresikan secara heterolog di Escherichia coli. Aktivitas polimerase optimum enzim ini pada 65oC (338 K) dan pH 7.4. Hasil penjajaran asam amino terhadap keluarga Pol I lainnya menunjukkan bahwa enzim ini terdiri atas tiga domain yaitu eksonuklease 5’3’, eksonuklease 3’5’ dan polimerase 5’3’. Fragmen besar enzim ini yang hanya terdiri atas dua domain yaitu eksonuklease 3’5’ dan polimerase 5’3’ dinamakan sebagai Klenow-like DNA Pol I ITB-1, selanjutnya digunakan sebagai model untuk mengkaji struktur fungsi serta pemahaman mengenai sifat stabilitas termal dan dinamika enzim.
Untuk mendapatkan pemahaman sifat stabilitas termal Klenow-like DNA Pol I ITB-1 telah dilakukan studi dinamika molekul (MD) pada berbagai temperatur yaitu 300, 350, 400 dan 500 K. Hasil simulasi pada temperatur di atas temperatur optimum dari aktivitas polimerase (350, 400 dan 500 K) telah memberikan gambaran terhadap proses awal pembukaan lipatan (unfolding) enzim yang terkarakterisasi melalui proses pemisahan antarmuka domain eksonuklease 3’5’
dan polimerase 5’3’. Hal ini menyarankan bahwa daerah tersebut merupakan daerah yang relatif labil dibandingkan daerah-daerah lain pada DNA Pol I ITB-1, disamping itu integritas kedua domain merupakan faktor kunci stabilitas enzim. Selain itu, hasil ini juga mengindikasikan bahwa proses awal unfolding merupakan proses yang tidak tergantung temperatur.
Kajian lebih mendalam difokuskan pada proses pemisahan kedua domain untuk mendapatkan informasi residu-residu yang berperan penting dalam mempertahankan daerah antarmuka tersebut dengan menggunakan data simulasi pada 350 K. Hasilnya menunjukkan adanya beberapa residu asam amino berperan penting dalam mempertahankan stabilitas daerah antarmuka yaitu interaksi elektrostatik antardomain antara Lys374-Glu489 dan Lys381-Glu487. Untuk mengevaluasi pentingnya interaksi antardomain tersebut, dilakukan mutasi pada salah satu residu asam amino secara in silico dan mengevaluasi energi bebas solvasi (∆∆Gsolv) mutan-mutan tersebut. Substitusi Glu menjadi Gln pada posisi 487 dan 489 akan mengubah interaksi elektrostatik menjadi ikatan hidrogen. Hasil perhitungan (∆∆Gsolv) menunjukkan bahwa protein mutan lebih tidak stabil dibandingkan wild type-nya. Sedangkan hasil perhitungan (∆∆Gsolv) untuk penggantian Glu menjadi Asp dengan tetap mempertahankan interaksi elektrostatiknya mengindikasikan bahwa protein mutan memiliki kestabilan termal yang lebih tinggi. Hasil ini menyarankan bahwa interaksi elektrostatik pada daerah antarmuka domain berperan penting dalam mempertahankan kestabilan struktur Klenow-like DNA Pol I ITB-1.
Informasi tentang stabilitas termal keluarga DNA Pol I masih sangat terbatas, untuk itu telah dilakukan studi komparasi terhadap padanan enzim yang sama namun berasal dari kelompok organisme yang berbeda yaitu Fragmen Klenow (KF) dari Escherichia coli yang merupakan mikroorganisme mesofilik dan Klenow Taq I (Klentaq) yang berasal dari mikroorganisme termofilik Thermus aquaticus. Simulasi MD terhadap KF telah dilakukan pada temperatur 300, 315, 328 dan 350 K. Hasilnya mengindikasikan bahwa proses awal unfolding terjadi melalui proses yang sama yaitu terpisahnya domain eksonuklease 3’5’ dengan polimerase 5’3’. Analisis lebih lanjut mengindikasikan bahwa integritas kedua domain dipengaruhi oleh interaksi elektrostatik antara Lys422-Glu541 dan ikatan hidrogen antara Arg425-Ser538. Interaksi antardomain tersebut telah dievaluasi lebih lanjut melalui mutan in silico. Sedangkan simulasi MD terhadap Klentaq telah dilakukan pada temperatur 300, 350 dan 400 K dengan hasil yang mengindikasikan bahwa proses awal unfolding Klentaq ditandai dengan rusaknya subdomain ibu jari dan jemari pada domain polimerase, diikuti dengan pemisahan domain eksonuklease 3’5’ dan polimerase 5’3’. Analisis lebih lanjut pada daerah tersebut menunjukkan bahwa Klentaq mempunyai 4 interaksi elektrostatik antardomain yaitu Lys354-Glu445, Asp355-Arg563, Glu363-Arg556, Asp371Arg435. Hal ini menyarankan bahwa interaksi antarmuka domain pada Klentaq jauh lebih stabil dibanding 2 padanan enzim lainnya
ii
Pendekatan SDM juga telah dilakukan untuk mempelajari pergerakan dinamis Klenow-like DNA Pol I ITB-1 dengan menggunakan 2 sistem solvasi yaitu secara implisit dan eskplisit pada temperatur 300 dan 350 K. Hasil simulasi memperlihatkan adanya pergerakan konformasi secara periodik yang terkonsentrasi pada subdomain ibu jari dan jemari. Pergerakan ini diperlukan untuk aktivitas enzimatis. Namun tanpa kehadiran substrat pergerakan ini diduga karena potensial permukaan elektrostatik pada daerah antarmuka kedua subdomain tersebut didominasi oleh muatan positif yang menyebabkan terjadinya saling tolak menolak secara berkesinambungan.
Berdasarkan hasil-hasil yang telah diperoleh, dapat disarankan bahwa proses awal unfolding terutama untuk Klenow-like DNA Pol I ITB-1 dan KF terjadi melalui pemisahan domain eksonuklease 3’5’ dengan polimerase 5’3’. Sedangkan pada Klentaq ditandai dengan rusaknya subdomain ibu jari dan jemari pada domain polimerase, diikuti dengan pemisahan domain eksonuklease 3’5’ dan polimerase 5’3’. Stabilitas protein sangat ditentukan oleh konektivitas kedua domain yang dipengaruhi oleh interaksi antardomain. Peningkatan jumlah interaksi elekstrostatik antardomain dapat menyebabkan kenaikan sifat stabilitas termal enzim di keluarga DNA Pol I. Interaksi antardomain diduga juga berperan penting terhadap pergerakan dinamis Klenow-like DNA Pol I ITB-1. Informasi ini belum pernah dilaporkan sebelumnya, sehingga diharapkan dapat menambah khasanah ilmu pengetahuan terutama yang berkaitan dengan stabilitas termal keluarga enzim DNA Pol I. Kata kunci: DNA polimerase I, mutasi in silico, stabilitas termal protein, simulasi dinamika molekul, perubahan energi bebas mutasi, pergerakan dinamis, proses awal unfolding
iii
ABSTRACT THERMAL STABILITY AND DYNAMIC MOTION OF KLENOW-LIKE DNA POLYMERASE I ITB-1 BASED ON MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION By
Santi Nurbaiti NIM : 30505007 Research on the mechanisms of thermal stability of protein has extensively been carried out to development of basic sciences and practical applications, especially for protein engineering. This subject has been performed through various experimental and computational studies. Some of the results showed that no general rule for the factors of thermal stability in protein. Thermal stability depends on the combination of many factors. Therefore, research to elucidate the factors that maintaines the thermal stability of protein are still carried out.
DNA polymerase (Pol) I from local isolate Geobacillus thermoleovorans has used as a model system to study thermal stability of thermostable enzyme. DNA Pol I have been used extensively in molecular biological research, especially in PCR and sequencing techniques. The pol I gene from the above bacteria has been cloned and overexpressed in Escherichia coli, namely DNA Pol I ITB-1. The enzyme has optimal polymerase activity at 65oC (338 K) and pH 7.4. Based on amino acids sequences homology showed that the enzyme consist of three structural domain, 5’3’ exonuclease, 3’5’ exonuclease and 5’3’ polymerase. The large fragment consisting only two domains i.e 3’5’ exonuclease and 5’3’ polymerase is namely as Klenow-like DNA Pol I ITB-1. The fragment used as a model system to understand the molecular basis for dynamics and thermal stability.
Factors that govern thermal stability of Klenow-like DNA Pol I ITB-1 at atomic level was elucidated by using molecular dynamics (MD) simulation at various temperature: 300, 350, 400 and 500 K. From the trajectories at 350, 400 and 500 K, it has been found that there was similarity in the unfolding process of the enzyme through disruption of the interface between 3’5’ exonuclease and 5’3’ polymerase domains. However, the unfolding process occurred very rapidly at higher temperature. This implies that the interface region was relatively unstable compared to other regions. In addition, the results also indicating that the initial unfolding process of enzyme was temperature independent.
iv
In order to identify amino acids residues responsible for the stability of the interface domain, further analysis was carried out focusing on the separation of the two domains trough simulation at 350 K. It was found that at least two pairs of amino acid residues i.e Lys374-Glu489 and Lys381-Glu487, formed electrostatic interaction at the interface domain and played important role in the contact between two domains. These interaction were examined through in silico mutation by comparing the free energy solvation changes (∆∆Gsolv) between the wild type and the mutants. The substitution of GluGln at 487 and 489 were designed to change the electrostatic interaction into charge-neutral hydrogen bond between the side chain. The mutant caused positive values of ∆∆Gsolv suggesting that the mutant protein was less stable compared to the wild type. While the substitution of Glu to Asp at position 487 and 489 preserved the electrostatic interaction. The last two mutants showed negative value of ∆∆Gsolv suggesting that the protein were more stable. All the results suggested that the electrostatic interaction between Lys374-Glu489 and Lys381-Glu487 have essential role in maintaining the stability of interface domain on Klenow-like DNA Pol I ITB-1, and thus the whole structure of the enzyme.
Very limited information is available concerning thermal stability of DNA Pol I family. Therefore, molecular dynamics simulation at various temperatures also performed to Klenow Fragment (KF) from Escherichia coli and Klenow Taq Pol I (Klentaq) from Thermus aquaticus for comparison with the Klenow-like DNA Pol I ITB-1. MD simulation of the KF was carried out at temperature 300, 315, 328 and 350 K. The results showed that the unfolding of KF was initiated by the separation of interface between 3’5’ exonuclease and 5’3’ polymerase domains. Further analysis indicated that at leat two pairs of amino acid residues, i.e. Lys422-Glu541 and Arg425-Ser538 were apparently responsible for maintaining domain integrity. The first pair of amino acid residues form electrostatic interaction and the second pair form hydrogen bond at the interface domain of KF. The role of these interactions was also evaluated by performing in silico mutations. While the MD simulations of Klentaq was carried out at temperatures 300, 350 and 400 K. The unfolding process was started by destruction of thumb and fingers subdomain, followed by separation between 3’5’ exonuclease and 5’3’ polymerase domains. Klentaq shows the most stable enzyme, this might due to the existing of 4 electrostatic interactions between Lys354-Glu445, Asp355-Arg563, Glu363-Arg556, Asp371-Arg435 at the interface domain.
The dynamic motions of Klenow-like DNA Pol I ITB-1 was studied by MD simulations with implicit and explicit solvent at 300 and 350 K. The simulations showed that there was existence of periodic movements, concentrated in thumb and fingers subdomains. These motions are important for their enzymatic activity. Further analysis on the electrostatic potential surface of Klenow-like DNA Pol I ITB-1 showed that the outer surface of fingers and thumb subdomain showed negative charge with patches of positive electrostatic potential concerted at the interface of these subdomains which caused repulsion between the subdomain.
v
Based on the data obtained, the early stage of unfolding process of Klenow-like DNA Pol I ITB-1 and KF were occured by disruption of the interface domain, meanwhile for the Klentaq the initial unfolding process was occured by destruction of thumb and fingers subdomain, followed by separation of interface between 3’ 5’ exonuclease and 5’3’ polymerase domains. Hence, the protein stabilities are determined by domain integrity which influenced by interdomain interactions. Furthermore, this studies also suggested that increasing the number of electrostatic interaction at the interface region contributed to increase thermal stability of DNA Pol I family. Besides that, interdomain interactions might be play an important role to the dynamic motions of Klenow-like DNA Pol I ITB-1. These informations have not been reported yet, so it is expected to contribute for development of basic science, especially on understanding of thermal stability of DNA Pol I family . Keywords :
DNA polymerase I, dynamic motion, free energy perturbation, in silico mutant, initial unfolding process, molecular dynamics simulation, thermal stability
vi
STABILITAS TERMAL DAN PERGERAKAN DINAMIS KLENOW-LIKE DNA POLIMERASE I ITB-1 BERDASARKAN SIMULASI DINAMIKA MOLEKUL
Oleh
Santi Nurbaiti NIM : 30505007 (Program Studi Kimia) Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tim Pembimbing
Tanggal 01 Oktober 2009
Ketua
___________________________ (Dr. Akhmaloka)
Anggota
Anggota
_______________________
_______________________
(Dr. Rukman Hertadi)
(Dr. Muhamad A. Martoprawiro)
vii
Hope…. is the thing with feathers that perches in the soul and sings the tune without the words and never stops—at all (Emily Dickinson)
Bakti bagi para dosen saya, Dedikasi bagi siapapun yang mendapatkan manfaat dari tulisan ini Dipersembahkan kepada Ma, Pa, Deki Ersanda, Zahra, Dzakwan dan segenap keluarga tercinta
viii
PEDOMAN PENGGUNAAN DISERTASI Disertasi Doktor yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh disertasi haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
ix
UCAPAN TERIMA KASIH/ KATA PENGANTAR Alhamdulillah, Segala Puji bagi Allah SWT karena dengan Rahmat dan KaruniaNya penulis dapat merampungkan penelitian beserta penulisan disertasi sebagai suatu rangkaian dalam menempuh pendidikan Program Doktor di Institut Teknologi Bandung.
Penulis ingin menyatakan penghargaan sedalam-dalamnya pada semua pihak yang berkontribusi selama melakukan penelitian dan penulisan, dalam berbagai peran. Tanpa pengetahuan, keahlian, dedikasi, kemurahan hati, dan pengorbanan, disertasi ini tidak mungkin diselesaikan. Ucapan terima kasih yang tulus penulis haturkan kepada,
Dr. Akhmaloka sebagai ketua Tim Pembimbing, Rukman Hertadi, DSc dan Muhamad Abdulkadir Martoprawiro, PhD selaku anggota Tim Pembimbing atas kesabaran dan kesediannya untuk memberikan saran, ilmu, serta meluangkan waktu bimbingan selama penelitian berlangsung dan selama penulisan disertasi ini.
Institut Teknologi Bandung atas bantuan Beasiswa Voucher ITB yang diterima selama menempuh pendidikan Program Doktor.
Direktur Jendral Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional Republik Indonesia yang telah memberikan beasiswa sandwich selama melaksanakan sebagian penelitian di Kanazawa University, Jepang
Dekan Sekolah Pascasarjana, Dekan FMIPA dan Ketua Prodi Pascasarjana Kimia beserta staf pengajar yang telah memberikan bantuan serta layanan kepada penulis selama menjalani Program Doktor di Institut Teknologi Bandung
Prof. Hidemi Nagao, PhD, Hiroaki Saito, PhD dan Dr. Taku Mizukami yang telah memberikan ilmu dan bantuan selama pelaksaan penelitian di Kanazawa University, Jepang
Ketua KK Biokimia beserta seluruh staf atas pengertian yang diberikan selama penulis menempuh Program Doktor
x
Rekan-rekan di kelompok sal4-termofilik : Dr. Laksmi Ambarsari, Febriani Tahar MSi, Dr. Prima Endang, Dr. Heni Yohandini, Savante Arreneuz MSi, Made Puspasari MSi, Baiq Viera MSi, Suharti MSi dan drh. Safika MSi atas kerjasama, diskusi maupun dukungan yang diberikan
Rekan-rekan di kelompok biokomputasi : Indrajaya MSi, Hira Helwati MSi, Reza Aditama SSi, Suharta SSi serta Khabiburrahman atas diskusi, bantuan dan kebersamaan selama ini
Rekan-rekan di kelompok kimia teori : Rahmat Gunawan MSi, Yustinus TM MSi, Hasan Al-Rasyid SSi atas semua bantuan dan diskusi yang diberikan terkait dengan program-program komputasi
Ungkapan kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya penulis haturkan kepada orang tua tercinta (Papa Bai, Papa Ermis, Mama Emi, Mama Asmah), suami Deki Ersanda, anak-anak Zahra dan Dzakwan serta adik satu-satunya Fahmy atas doa, pengertian, pengorbanan serta dorongan semangat yang tak pernah padam hingga akhirnya penulis dapat menyelesaikan disertasi ini.
Penulis berharap disertasi ini, yang lahir dari pengamatan, penelitian, hipotesa serta ditulis dalam rangkaian kata, memberikan manfaat bagi pembacanya. Demikian akhirnya, disertasi ini penulis persembahkan.
Bandung, Agustus 2009.
Santi Nurbaiti
xi
DAFTAR ISI ABSTRAK ...........................................................................................................i ABSTRACT ....................................................................................................... iv PEDOMAN PENGGUNAAN DISERTASI ........................................................ ix UCAPAN TERIMA KASIH/ KATA PENGANTAR ........................................... x DAFTAR ISI .....................................................................................................xii DAFTAR LAMPIRAN...................................................................................... xv DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI .......................................................... xvi DAFTAR TABEL ............................................................................................ xix DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG...................................................... xx Bab I
PENDAHULUAN................................................................................ 1
I.1
Latar Belakang Penelitian..................................................................... 1
I.2
Masalah Penelitian ............................................................................... 4
I.3
Pendekatan dan Metode Penelitian Yang Digunakan ............................ 5
I.4
Pelaksanaan Penelitian ......................................................................... 5
I.5
Sistematika Disertasi ............................................................................ 6
Bab II
TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 7
II.1
Stabilitas Termal Protein ...................................................................... 7
II.1.1 Komposisi Asam Amino............................................................... 8 II.1.2 Interaksi Elektrostatik ................................................................. 11 II.1.3 Ikatan Disulfida .......................................................................... 13 II.1.4 Interaksi Hidrofob....................................................................... 14 II.1.5 Interaksi Aromatik...................................................................... 14 II.1.6 Ikatan Hidrogen .......................................................................... 16 II.1.7 Interaksi Antardomain ................................................................ 17 II.1.8 Parameter Ekstrinsik ................................................................... 18 II.1.8.1 Stabilisasi oleh garam ............................................................. 19 II.1.8.2 Stabilisasi oleh substrat ........................................................... 20 II.2
Simulasi Dinamika Molekul ............................................................... 20
II.2.1 Gaya Intramolekul ...................................................................... 22 II.2.1.1 Uluran Ikatan (Bond Streching)............................................... 23 II.2.1.2 Sudut Ikatan............................................................................ 24 II.2.1.3 Sudut Dihedral........................................................................ 25 II.2.1.4 Interaksi van der Waals (Potensial Lennard-Jones).................. 26 II.2.1.5 Interaksi Elektrostatik (Potensial Couloumb) .......................... 26 II.2.2 Parameter Simulasi ..................................................................... 27
xii
II.2.2.1 Sistem Protein-Pelarut............................................................. 28 II.2.2.2 Parameter Temperatur dan Tekanan ........................................ 30 II.2.2.2.1 Kontrol Temperatur dengan Metode Berendsen................... 30 II.2.2.2.2 Kontrol Temperatur dengan Metode Langevin Dynamics .... 31 II.2.2.2.3 Kotrol Temperatur dengan Metode Noose-Hover ................ 31 II.2.2.3 Minimisasi .............................................................................. 33 II.2.2.3.1 Metode Steepest Descent (SD) ............................................ 34 II.2.2.3.2 Metode Conjugate Gradient (CG)........................................ 35 II.2.2.4 Ekuilibrasi .............................................................................. 35 II.2.3 Simulasi Dinamika Molekul Untuk Mempelajari Stabilitas Protein. ................................................................................................... 36 II.3
DNA Polimerase ................................................................................ 37
II.3.1 Klasifikasi DNA Polimerase ....................................................... 38 II.3.2 Struktur dan Fungsi DNA Polimerase ......................................... 42 II.3.2.1 Aktivitas dan Domain Eksonuklease 5’3’ ............................ 43 II.3.2.2 Aktivitas dan Domain Eksonuklease 3’5’ ............................ 44 II.3.2.3 Aktivitas dan Domain Polimerase 5’3’ ................................ 46 II.3.3 DNA Polimerase I (Pol I)............................................................ 48 II.3.3.1 DNA Pol I E.coli..................................................................... 48 II.3.3.2 DNA Pol I ITB-1 .................................................................... 49 II.3.3.3 DNA Pol I T.aquaticus............................................................ 50 Bab III
METODOLOGI PENELITIAN.......................................................... 51
III.1
Alat .................................................................................................... 51
III.2
Metode ............................................................................................... 51
III.2.1 Model 3 Dimensi Protein dan Parameterisasi .............................. 51 III.2.2 Solvasi........................................................................................ 52 III.2.2.1 Solvasi secara implisit......................................................... 52 III.2.2.2 Solvasi secara eksplisit menggunakan perangkat lunak AMBER.............................................................................. 53 III.2.2.3 Solvasi secara eksplisit menggunakan perangkat lunak NAMD................................................................................ 53 III.2.3 Kondisi Simulasi ........................................................................ 54 III.2.4 Minimisasi.................................................................................. 55 III.2.5 Pemanasan dan Ekulibrasi .......................................................... 57 III.2.6 Simulasi Dinamika Molekul ....................................................... 61 III.3
Analisis .............................................................................................. 61
III.3.1 III.3.2 III.3.3 III.3.4 III.3.5 III.3.6 III.3.7
Root-mean-square deviation (RMSD)......................................... 62 Root-mean-square fluctuation (RMSF) ....................................... 62 Solvent Accessible Surface Area (SASA) .................................... 62 Analisis Struktur Sekunder (Secondary Structure Analysis) ........ 63 Ikatan Hidrogen .......................................................................... 65 Perhitungan Potensial Elektrostatik............................................. 65 Dynamic Cross Correlation Map (DCCM) ................................. 66
xiii
III.3.8
Principal Component Analysis (PCA)......................................... 66
Bab IV
HASIL DAN PEMBAHASAN........................................................... 68
IV.1
Model Enzim Klenow-like DNA Pol I ITB-1 ...................................... 69
IV.2
Stabilitas Enzim Pada Temperatur 300 K............................................ 73
IV.2.1 IV.2.2 IV.2.3 IV.3
Klenow-like DNA Pol I ITB-1..................................................... 74 Fragmen Klenow Pol I (KF)........................................................ 77 Klenow Taq Pol I (Klentaq) ........................................................ 82
Interaksi Antardomain dan Stabilitas Termal Enzim ........................... 88
IV.3.1 IV.3.2 IV.3.3
Klenow-like DNA Pol I ITB-1..................................................... 88 Klenow Fragment (KF)............................................................... 99 Klenow Taq Pol I (Klentaq) ...................................................... 108
IV.4
Pergerakan Dinamis Klenow-like DNA Pol I ITB-1 .......................... 119
IV.5
Diskusi Umum ................................................................................. 129
Bab V
KESIMPULAN ................................................................................ 132
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 135 RIWAYAT HIDUP ......................................................................................... 156 LAMPIRAN .................................................................................................... 156
xiv
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A
Publikasi Jurnal ........................................................................ 159
xv
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI Gambar II.1.
Gambar II.2. Gambar II.3.
Gambar II.4.
Gambar II.5. Gambar II.6. Gambar II.7. Gambar II.8. Gambar II.9. Gambar II.10. Gambar II.11. Gambar II.12. Gambar II.13. Gambar II.14. Gambar II.15. Gambar II.16. Gambar III.1
Gambar III.2 Gambar III.3 Gambar IV.1 Gambar IV.2 Gambar IV.3
Perbandingan komposisi asam amino protein yang diisolasi dari mikroorganisme mesofil (hijau) dan termofil (merah). (a) mesofil versus moderat termofil dan (b) mesofil versus hipertermofil. ......................................................................... 10 Representasi jaringan interaksi elektrostatik pada antarmuka subunit GDH P.furiosus (Yip dkk., 1998). .............................. 12 Klaster aromatik yang teridentifikasi pada protein RnaseH dari termofil T.thermofilus HB8 (Kode PDB : 1RIL). (Ishikawa dkk., 1993; Kannan dan Vishveshwara, 2000) ................................. 15 Normalisasi jumlah ikatan hidrogen pada sejumlah protein yang berasal dari mesofil, termofil dan hipertermofil (Szilàgyi dan Zàvodszky, 2000). .................................................................. 16 Model hipotetik untuk mengilustrasikan energi potensial pada persamaan di atas. .................................................................. 23 Uluran ikatan antara atom i dan j ........................................... 23 Interaksi sudut ikatan yang dibentuk antara atom i, j dan k...... 25 Salah satu jeni interaksi van der Waals dimana suatu molekul menginduksi pembentukan dipol molekul lain ........................ 26 Interaksi elektrostatik antara partikel i dan j............................ 27 Representasi jari-jari cutoff Rco suatu sistem dalam simulasi dinamika molekul ................................................................... 28 Kondisi batasan berkala dalam penggambaran 2 dimensi (2D) pada proses simulasi ............................................................... 30 Permukaan energi potensial suatu protein ............................... 33 Representasi perbedaan algoritma minimisasi antara metode SD dan CG. . ................................................................................ 36 Struktur Kristal 3D dari Taq Pol I. . ........................................ 43 Model yang diajukan untuk proses polimerisasi maupun pengeditan pada DNA Pol. ..................................................... 45 Mekanisme reaksi polimerisasi yang dimediasi oleh dua ion logam divalent. . ..................................................................... 47 Pola dasar α-helix (digambarkan dalam bentuk batang) yang terbentuk akibat interaksi hidrogen (garis putih putus-putus) antara atom H yang terikat pada atom N (k+4) dengan residu karbonil (k)............................................................................. 63 Pola dasar β-sheet (digambarkan dalam bentuk batang) yang melibatkan dua ikatan hidrogen (garis putih terputus-putus). .. 64 Ilustrasi ikatan hidrogen yang dibentuk oleh atom akseptor, H dan donor dengan sudut ω dan θ ............................................. 65 Hasil penjajaran urutan asam amino antara BF (Kode PDB 1XWL) dengan Klenow-like DNA Pol I ITB-1.. ..................... 72 Komparasi antara cetakan protein yaitu BF (biru) dengan model Klenow-like DNA Pol I ITB-1 (merah). .................................. 73 Evaluasi stabilitas model enzim Klenow-like DNA Pol I ITB-1 pada temperatur simulasi 300 K.............................................. 75
xvi
Gambar IV.4
Gambar IV.5 Gambar IV.6 Gambar IV.7 Gambar IV.8 Gambar IV.9 Gambar IV.10 Gambar IV.11
Gambar IV.12
Gambar IV.13 Gambar IV.14
Gambar IV.15 Gambar IV.16
Gambar IV.17
Gambar IV.18
Gambar IV.19 Gambar IV.20
Gambar IV.21
(a) Profil perubahan perubahan struktur tersier dan (b) perubahan komposisi struktur sekunder protein selama proses simulasi.. ................................................................................ 76 Struktur 3D KF tanpa dNTP dan PPi....................................... 78 Evaluasi stabilitas model enzim KF pada temperatur 300 K. ............................................................................................... 80 (a) Perubahan struktur tersier KF selama proses simulasi di 300 K, (b) Analisis perubahan komposisi struktur sekunder........... 81 Struktur 3D Klentaq yang telah dipisahkan dari dNTP.. .......... 83 Evaluasi stabilitas model enzim Klentaq pada temperatur 300 K. . .............................................................................................. 84 (a) Perubahan struktur tersier Klentaq selama proses simulasi di 300 K, dan (b) Komposisi komponen struktur sekunder.......... 85 Peta fleksibilitas residu-residu asam amino antara Klenow-like DNA Pol I ITB-1, KF dan Klentaq berdasarkan nilai RMSF pada temperatur 300 K............................................................ 87 Kurva RMSD Klenow-like DNA Pol I ITB-1 terhadap waktu simulasi pada temperatur 350 (hitam), 400 (merah) dan 500 K (hijau)..................................................................................... 89 Perubahan konformasi Klenow-like DNA Pol I ITB-1 yang teramati pada simulasi (a) 500 K; (b) 400 K dan (c) 350 K.. ... 92 (a) Evaluasi perubahan konformasi global yang ditandai dengan kenaikan nilai SASA total dan SASA non-polar selama berlangsungnya simulasi di 400 dan 500 K (b) Persentase perubahan komposisi struktur sekunder selama simulasi di 400 dan 500 K. .............................................................................. 93 Analisis perubahan struktur sekunder dan tersier Klenow-like DNA Pol I ITB-1 selama proses simulasi di 350 K. ................ 95 Jarak ikatan interaksi elektrostatik antara Lys381-Glu487 (merah) dan Lys374-Glu489 (hitam) selama proses simulasi pada 350 K. ............................................................................ 96 Kurva ∆∆Gsolv sebagai fungsi dari parameter kopling (λ) ketiga mutan in silico yaitu Glu487Gln (merah), Glu478Asp (hitam); Glu489Asp (hijau) .................................................................. 98 (a) Profil RMSD KF terhadap waktu simulasi pada berbagai temperatur yaitu 315 (hijau), 328 (merah) dan 350 K (hitam). (b) Superposisi struktur protein hasil simulasi pada 315 K (hijau) terhadap struktur awalnya (merah)............................. 101 Perubahan konformasi KF yang teramati pada simulasi (a) 315 K; (b) 328 K dan (c) 350 K.. ................................................. 103 Analisis kestabilan struktur sekunder dan tersier protein pada 328 K (a) Nilai SASA total KF dan (b) Persentasi komponen struktur sekunder α-helix (hitam) dan β-sheet (merah) selama simulasi. ............................................................................... 104 Jarak interaksi antardomain Lys422-Glu541 (abu-abu) dan Arg425-Ser538 (hitam) pada antarmuka kedua domain KF pada simulasi di 328 K.................................................................. 105
xvii
Gambar IV.22
Gambar IV.23
Gambar IV.24 Gambar IV.25
Gambar IV.26 Gambar IV.27
Gambar IV.28
Gambar IV.29
Gambar IV.30
Gambar IV.31
Gambar IV.32
Gambar IV.33
Gambar IV.34
Kurva perubahan energi bebas (∆∆Gsolv) sebagai fungsi dari parameter kopling λ terhadap ke empat mutan in silico KF. Mutan Glu541Gln (hitam), Glu541Asp (merah), Ser538Ala (hijau) dan Ser538Thr (kuning)............................................. 107 Stabilitas Klentaq selama proses simulasi di berbagai temperatur yaitu 350 (hijau), 373 (merah) dan 400 K (hitam) yang dievaluasi berdasarkan nilai RMSD terhadap waktu.............. 109 Snapshot trajektori Klentaq pada berbagai temperatur simulasi (a) 350 K; (b) 373 K dan (c) 400 K. ...................................... 111 Perubahan persentase komponen struktur sekunder Klentaq sebagai fungsi dari waktu simulasi (a) di 350 K dengan komponen α-helix (hitam), β-sheet (merah), turn (hijau) serta coil (kuning) dan (b) di 373 K dengan komponen α-helix (hitam) dan β-sheet (merah).................................................. 112 Evaluasi struktur tersier Klentaq selama proses simulasi berlangsung (a) di 350 K dan (b) di 373 K. ........................... 114 Jarak empat pasang interaksi elektrostatik antardomain selama proses simulasi Klentaq di 337 K. Pasangan interaksi Asp355Arg563 (hitam), Asp371-Arg435 (merah), Glu363-Arg556 (hijau) dan Lys354-Glu445 (kuning)..................................... 115 Kurva perubahan energi bebas (∆∆Gsolv) sebagai fungsi dari parameter kopling λ terhadap ke empat mutan in silico Klentaq. Mutan Asp371Glu (hitam), Asp371Asn (merah), Glu445Asp (hijau) dan Glu445Gln (kuning)............................................ 117 Komparasi nilai RMSD antara Klentaq (hitam), Klenow-like DNA Pol I ITB-1 (hijau) dan KF (merah) pada simulasi di 350 K. ......................................................................................... 118 Analisis pergerakan dinamis subdomain ibu jari dan jemari selama proses simulasi di 300 dan 350 K dengan sistem solvasi implisit.. ............................................................................... 121 Analisis pergerakan dinamis subdomain ibu jari dan jemari selama proses simulasi di 350 K dengan sistem solvasi eksplisit. . ............................................................................................ 123 Representasi hasil proyeksi pergerakan dinamis protein selama proses simulasi di 300 K dan 350 K dengan sistem solvasi eksplisit.. .............................................................................. 124 Hasil perhitungan correlated motions antar residu dalam Klenow-like DNA Pol I ITB-1 dipetakan dalam bentuk DCCM. ............................................................................................. 126 Hasil perhitungan potensial permukaan elektrostatik Klenow-like DNA Pol I ITB-1, KF dan Klentaq. ...................................... 128
xviii
DAFTAR TABEL Tabel II.1. Tabel II.2. Tabel II.3. Tabel II.4. Tabel II.5. Tabel II.6. Tabel IV.1. Tabel IV.2. Tabel IV.3. Tabel IV.4.
Komparasi komposisi interaksi elektrostatik pada enzim GDH Clostridium symbiosum dan P.furiosus (Yip dkk., 1998)........ 12 Komparasi jumlah subunit pada enzim hipertermofil dengan mesofil (diambil dari : Vieille dan Zeikus, 2001) .................... 18 Pengaruh garam klorida terhadap kinetika dan stabilitas termal xylosa isomerase B.licheniformis. (Vieille dan Zeikus, 2001) . 19 Karakteristik klasifikasi DNA Polimerase (Perler dkk., 1996). 39 Motif lestari yang terdapat pada domain 5’3’ eksonuklease (Perler dkk., 1996). ................................................................. 44 Motif lestari yang terdapat pada domain 3’5’ eksonuklease (Perler dkk., 1996).................................................................. 45 Karakteristik data struktur 3D Klenow-like DNA Pol I ITB-1 hasil permodelan..................................................................... 71 Karakteristik data struktur 3D KF ........................................... 77 Karakteristik data struktur 3D Klentaq.................................... 82 Komparasi rantai samping, pKa dan nilai indeks hidropati antara Ser, Thr dan Tyr (Kyte dan Doolittle, 1982; Mathews dan van Holde, 1996)......................................................................... 106
xix
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
SINGKATAN
Nama
Pemakaian pertama kali pada halaman 1
PCR
Polymerase Chain Reaction
Pol
Polimerase / Polymerase
1
DNA
Deoxyribo nucleic acids
1
SDM
Simulasi Dinamika Molekul
4
3D
Tiga Dimensi
4
BF
Bacillus Fragment
4
KF
Klenow Fragment
4
PDB
Protein Data Bank
5
VMD
Visual Molecular Dynamics
5
AMBER
Assisted Model Building with Energy
5
Refinement NAMD
Not Just Another Molecular Dynamics
5
WT
Wild type
6
GDH
Glutamat dehidrogenase
12
GADPH
Gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenase
17
MkFT
Methanopyrus kandleri formiltransefrase
20
ATP
Adenosine triphosphate
20
NADPH
Nicotinamide adenine dinucleotide
20
phosphate NMR
Nuclear Magnetic Resonance
21
BPTI
Bovine pancreatic trypsin inhibitor
21
LJ
Lennard-Jones
26
GB
Generalized Born
29
PBC
Periodic boundary condition
29
2D
Dua dimensi
30
NPT
Isothermal-isobaric ensemble
30
NVT
Canonical ensemble
30
xx
SD
Steepest descent
34
CG
Conjugate gradient
34
Rd
Rubredoxin
36
dNTP
deoxyribonucleotide triphosphate
38
ddNTP
dideoxyribonucleotide triphosphate
38
BM
Berat Molekul
39
Da
Dalton
39
BER
Base excision repair
41
RT
Reverse transcriptase
41
Ppi
Pirofosfat
46
rRNA
Ribosomal ribonucleic acids
49
APBS
Adaptive Poisson-Boltzmann Solver
51
RMSD
Root-mean-square deviation
62
RMSF
Root-mean-square fluctuation
62
SASA
Solvent accessible surface area
62
DCCM
Dynamic cross-correlation map
66
PCA
Principal component analysis
66
CI2
Cymotrypsin inhibitor type 2
89
FEP
Free energy perturbation
97
dCTP
deoxycytidine triphosphate
131
xxi
Pemakaian pertama kali pada halaman
LAMBANG
o
C
derajat Celcius
1
K
derajat Kelvin
5
Å
Angstrom
20
b
Panjang ikatan
23
Kb
tetapan panjang ikatan
23
θ
Sudut ikatan
24
Kθ
tetapan sudut ikatan
24
χ
Sudut dihendral
25
Kχ
tetapan sudut dihedral
25
σ
fasa sudut dihedral
25
r
jarak antara dua atom
26
∆t
tahapan waktu (timestep)
27
Rco
jari-jari cutoff
28
Km
Konstanta Michaelis-Menten
39
Tm
Temperature melting
99
xxii
