Bagaimana Cara Mengetahui Struktur Protein yang Belum Diketahui?

KOMPAS.com - Cara mengetahui struktur protein yang belum diketahui bisa dilakukan dengan eksperimen laboratorium dan in silico.

Eksperimen in silico merupakan penelitian dengan bantuan komputer. Karena in silico berarti di dalam silikon yang mengacu pada chip komputer.

Prediksi struktur protein melalui eksperimen laboratorium dilakukan dengan Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Sementara pemodelan struktur protein melalui eksperimen in silico dilakukan lewat teknik protein modeling.

Protein modeling merupakan istilah dalam pemodelan struktur protein tiga dimensi (3D). Metode ini banyak digunakan karena lebih hemat waktu maupun biaya.

Teknik untuk memprediksi struktur protein

Guna mengetahui struktur protein yang baru, ada beberapa teknik yang bisa dipilih sesuai kebutuhan peneliti. Tiap teknik tersebut memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing.

Eksperimen laboratorium

Dalam eksperimen ini, teknik yang paling umum digunakan untuk memprediksi struktur protein ialah Nuclear Magnetic Resonance (NMR).

Baca juga: Fungsi Protein dalam Membran Plasma

NMR adalah teknik pendeteksian struktur senyawa kimia, seperti protein, oligosakarida, dan asam nukleat.

Teknik ini bisa memprediksi struktur kimia molekul organik yang berasal dari alam maupun hasil sintesis dan semisintesis, baik struktur dua dimensi maupun tiga dimensi.

Dilansir dari situs Direktorat Riset dan Pengembangan Universitas Indonesia, NMR juga dapat digunakan untuk mempelajari interaksi molekul, komposisi campuran biologi, struktur molekul, larutan hasil sintesis, kinetika atau dinamika molekul dan komposit.

Dalam analisisnya, NMR memiliki kelebihan, yakni mampu melakukan analisis kuantitatif terhadap molekul dalam larutan, serta analisis yang bersifat non-destructive atau tidak merusak sampel.

Sedangkan kekurangan NMR adalah dibutuhkan biaya yang besar untuk melakukan pengujian sampel.

Eskperimen in silico

Dalam eksperimen ini, teknik yang digunakan untuk memprediksi struktur protein adalah protein modeling.

Menurut Gupta, dkk dalam jurnal In Silico Protein Modeling (2014), ada tiga teknik dalam protein modeling yaitu ab initio, threading modeling, dan homology modeling. Tiga teknik ini dipakai untuk memodelkan protein berdasarkan panjang asam amino penyusunnya.

• Ab initio

Ab initio merupakan metode yang digunakan secara khusus jika struktur homolog tidak ada, atau ada tetapi tidak dapat diidentifikasi sehingga model harus dibangun dari awal. 

Penggunaan metode ini didasarkan pada termodinamika dan parameter energi molekuler. Parameter ini berfungsi pada level atomik dari asam amino, guna membangun konformasi 3D protein dengan entropi minimum dan stabilitas maksimum.

Baca juga: Perbedaan Protein Nabati dan Hewani

Biasanya ab initio menghasilkan sejumlah kemungkinan konformasi atau structure decoys. 

Walau ab initio dapat dijadikan alternatif dalam pemodelan struktur 3D protein, namun metode ini memiliki akurasi yang rendah dan terbatas pada protein kecil dengan panjang asam amino kurang dari 120 residu.

• Threading modeling

Threading modeling menggunakan strategi penyelarasan struktur dan pelipatan sekuens. Metode ini digunakan ketika kemiripan sekuens asam amino target dengan template kurang dari 50 persen, atau dibawah kisaran metode homology modeling.

Jika pemodelan tetap dilakukan menggunakan homology modeling, beberapa asam amino tidak dapat dimodelkan karena tidak ada template yang sesuai.

Metode threading modeling memprediksi struktur 3D protein target, dengan menyelaraskan sekuens ke struktur eksperimental serupa dengan yang ada pada Protein Data Bank (PDB).

Dalam metode ini, ketika dua protein memiliki sequence identity kurang dari 25 persen, dapat dipastikan akurasi keselarasannya akan sangat rendah.

• Homology modeling

Dikenal dengan pemodelan komparatif. Adalah pemodelan yang membangun struktur protein 3D yang belum diketahui, dengan membandingkan dan memanfaatkan ketersediaan informasi dari sekuens protein homolog.

Metode ini digunakan ketika kemiripan sekuens asam amino target dengan template lebih besar dari atau sama dengan 50 persen. 

Baca juga: Definisi dan Struktur Protein Kuartener

Homology modeling memiliki akurasi yang tinggi pada kesamaan sekuens, dengan tingkat kesalahan cukup rendah dalam memodelkan rantai samping maupun penentuan posisi loop.

Struktur 3D yang dibentuk melalui homology modeling memiliki kemiripan yang baik dengan struktur yang biasa diselesaikan dengan eksperimen laboratorium menggunakan Nuclear Magnetic Resonance (NMR).

Aplikasi untuk memprediksi struktur protein

Jika dilakukan lewat eksperimen laboratorium, aplikasi prediksi struktur protein tidak diperlukan seperti pada eksperimen in silico.

Sebagai tambahan informasi, berikut beberapa contoh aplikasi untuk memprediksi struktur protein secara in silico:

QUARK

Merupakan salah satu aplikasi yang digunakan pada metode prediksi struktur ab initio. Aplikasi ini dapat digunakan secara online dan bebas biaya.

Aplikasi QUARK dapat diakses melalui QUARK.

I-TASSER

Merupakan salah satu aplikasi yang digunakan pada metode prediksi struktur threading modeling. Aplikasi ini juga dapat digunakan secara online dan bebas biaya.

Aplikasi I-TASSER dapat diakses melalui I-TASSER.

SWISS-MODEL

Merupakan salah satu aplikasi yang digunakan pada metode prediksi struktur homology modeling. Aplikasi ini juga dapat digunakan secara online dan bebas biaya.

SWISS-MODEL dapat diakses melalui SWISS-MODEL.

Baca juga: Proses Metabolisme Protein: Bagaimana Tubuh Mencerna Protein?