Abstract

Hingga saat ini, sifat mekanik protein dapat dipelajari secara eksperimen menggunakan force mode dari atomic force microscope(AFM). Kurva gaya terhadap ekstensi yang diperoleh dari eksperimen AFM mengungkapkan gaya tarik yang dibutuhkan untuk memutuskan interaksi-interaksi penstabil protein ketika dibentangkan hingga benar-benar terbentang. Dari eksperimen ini, kita dapat melihat fleksibilitas dan kekakuan struktur protein. Meskipun eksperimen kurva ekstensi AFM dapat menjelaskan sifat mekanik dari suatu protein, namun tidak dapat secara langsung menunjukkan lokasi substruktur yang fleksibel dan kaku dalam suatu protein. Simulasi steered molecular dynamics (SMD) merupakan metode simulasi yang digunakan untuk memodelkan eksperimen force mode pada AFM sehingga dengan simulasi ini dapat ditunjukkan lokasi yang fleksibel dan kaku dalam suatu struktur protein. Dalam penelitian ini, kami tertarik untuk mempelajari sifat mekanik dari protein mirip ubiquitin. Target dari riset ini ialah untuk menyelidiki keberadaan daerah kaku dalam protein ini dan mengetahui interaksi yang menstabilkan mereka. Korelasi antara sifat mekanik dari protein kecil ini dan mekanisme folding-nya juga akan ditentukan. Tahap awal dari simulasi ini dimulai dari penyiapan struktur awal. Kemudian dilakukan simulasi Monte-Carlo dan replica exchange method(REM) untuk mengambil beberapa sampel struktur. Dari kedua prosedur, 23 sampel telah dihasilkan untuk dilanjutkan ke arah simulasi SMD. Simulasi SMD dilakukan menggunakan dua metode yang berbeda, yakni simulasi kecepatan konstan dan simulasi gaya konstan. Analisis ikatan hidrogen pada setiap lembar-b dilakukan dengan menggunakan n-layered n-layered integrated molecular orbital and molecular mechanics(ONIOM). Hasil simulasi SMD kecepatan konstan dan gaya konstan berhasil membongkar kehadiran suatu substruktur yang kaku pada protein mirip ubiquitin. Dari analisis molekuler, ditemukan bahwa substruktur tersebut distabilkan oleh adanya pembentukan klaster ikatan hidrogen di antara dua struktur lembar-b-nya. Analisis molekuler lebih jauh menghasilkan informasi berupa peran molekul air dan ion K+ di sekeliling struktur lembar-b. Penetrasi molekul air pada salah satu lembar-b ada yang menyebabkan pemutusan pada klaster ikatan hidrogen yang terbentuk di antara pada salah satu lembar-b. Pada salah satu substruktur lainnya, justru terjadi pengurangan jumlah molekul air karena mensolvasi ion K+ hingga akhirnya tidak mengganggu klaster ikatan hidrogen pada struktur lembar-b. Dengan kehadiran ion K+, energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan hidrogen pada lembar-b A ialah 8 kJ/mol yang lebih kecil dibandingkan dengan energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan hidrogen pada lembar-b B (10 kJ/mol). Hasil perhitungan ini dekat dengan hasil eksperimen yakni untuk memutuskan ikatan hidrogen diperlukan energi sebesar 4-13 kJ/mol. Kehadiran hanya sebuah substruktur dapat menunjukkan suatu mekanisme folding protein yang sesuai dengan model nukleasi-kondensasi. Dengan demikian, simulasi ini dapat menjelaskan sifat mekanik dan korelasi terhadap mekanisme folding pada protein mirip ubiquitin.