perancangan peptida siklis dengan ikatan prolin

PERANCANGAN PEPTIDA SIKLIS DENGAN IKATAN PROLIN-PROLIN
SEBAGAI INHIBITOR FUSI PROTEIN ENVELOPE DENV MELALUI MOLECULAR
DOCKING DAN SIMULASI MOLECULAR DYNAMICS
Andreas S. Nugroho1 dan Usman Sumo Friend Tambunan1
1
Departemen Kimia, FMIPA UI, Kampus UI Depok 16424
[email protected], [email protected]
Abstrak
Protein envelope merupakan salah satu protein struktural virus dengue (DENV) yang berperan dalam proses fusi virus ke
dalam sel host. Proses fusi berperan penting dalam mentransfer materi genetik virus ke dalam sel host untuk pembentukan
virus baru. Penelitian terdahulu menunjukkan adanya cavity pada struktur dimer protein envelope. Adanya suatu ligan yang
dapat menempati cavity tersebut dapat menghambat trimerisasi protein envelope sehingga proses fusi dapat dicegah.
Penelitian ini bertujuan untuk merancang peptida siklis dengan ikatan prolin-prolin sebagai inhibitor fusi protein envelope
DENV melalui molecular docking dan simulasi molecular dynamics. Screening 3883 ligan peptida siklis dengan molecular
docking didapatkan lima ligan terbaik berdasarkan nilai ΔGbinding dan pKi. Sifat farmakologi dan toksisitas dari kelima ligan
terbaik diprediksi secara in silico. Ligan PYRRP dan PAWRP dipilih sebagai ligan terbaik berdasarkan hasil molecular
docking, dan prediksi sifat farmakologi dan toksisitas ligan. Stabilitas kompleks protein-ligan dianalisa dengan simulasi
molecular dynamics. Hasil simulasi molecular dynamics menunjukkan bahwa ligan PYRRP dapat membuat struktur dimer
protein envelope DENV stabil pada 310 K dan 312 K. Sedangkan ligan PAWRP lebih aktif membentuk kompleks dengan
protein envelope DENV pada 310 K dibandingkan pada 312 K. Oleh karena itu, ligan PYRRP memiliki potensi sebagai
inhibitor fusi DENV.
Kata kunci : virus dengue, protein envelope, proses fusi, peptida siklis, inhibitor fusi
Abstract
Envelope protein is one of the structural proteins of dengue virus (DENV) engaged in virus fusion process into the host cell.
Fusion process plays an important role in transfering genetic material into the host cells to form a new virion. The previous
research shows the existing cavity on the dimer structure of the envelope protein. The existing ligand that is able to get into
cavity on the envelope protein can hamper the trimerization of envelope protein, so that the fusion process can be prevented.
This aims of research to design the cyclic peptide by prolin-prolin bond as fusion inhibitor of DENV envelope protein
through molecular docking and molecular dynamics simulation. Screening 3883 of cyclic peptide by molecular docking got
the best five ligands as inhibitors based on ΔGbinding and pKi value. Pharmacological and toxicity properties of the best five
ligands were predicted by in silico. The PYRRP and PAWRP are also chosen as the best ligands based on molecular docking
result, pharmacological and toxicity properties prediction of the ligands. Complex stability of ligan protein was analyzed by
molecular dynamics simulation. The result shows that PYRRP ligand can make the dimer structure of DENV envelope
protein stable in 310 K and 312 K. While PAWRP ligand actively forms the complexity with the DENV envelope protein in
310 K compared to 312 K. Thus the PYRRP ligand has a potential as DENV fusion inhibitor.
Keywords : dengue virus, envelope protein, fusion process, cyclic peptide, fusion inhibitor
1. PENDAHULUAN
Penyakit yang disebabkan oleh infeksi virus dengue
telah menjadi masalah kesehatan dunia terutama pada
daerah tropis dan subtropis seperti di benua Asia,
Afrika, dan Amerika. Infeksi ini telah menjadi
endemik di lebih dari 100 negara termasuk Indonesia.
World Health Organization memperkirakan telah
terjadi 50-100 juta kasus infeksi virus dengue tiap
tahun dan sebanyak 2,5 miliar orang atau 40% dari
populasi dunia berisiko terjangkit infeksi virus ini [1].
DENV termasuk ke dalam genus flavivirus dan famili
flaviviridae yang merupakan virus RNA
berantai tunggal dengan strand positif . DENV
memiliki empat serotype, yaitu DENV-1, DENV-2,
DENV-3, dan DENV-4. Keempat serotype ini
memiliki morfologi dan genom yang sama tetapi
menunjukkan antigen yang berbeda sehingga
seseorang bisa terinfeksi lebih dari satu kali karena
tidak ada proteksi silang yang lengkap pada
antibodinya [2].
Genom RNA virus dengue merupakan satu untaian
Open Reading Frame (ORF) yang mengkode satu
poliprotein yang tediri dari 3391 residu asam amino
membentuk tiga protein sruktural C (capsid), protein
prM (pre-membrane), dan protein E (envelope), serta
tujuh protein non-struktural NS1, NS2A, NS2B, NS3,
NS4A, NS4B, dan NS5 [3].
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
Siklus hidup DENV diawali dengan penempelan
virion pada reseptor sel host dan kemudian masuk ke
dalam sel secara endositosis. Penurunan pH dalam
endosom memicu trimerisasi protein E (envelope)
virus yang bersifat irreversible dan menyebabkan
proses fusi protein antara virus dengan membran sel
host terjadi sehingga genom virus dapat ditransfer ke
dalam sel.
yang dapat berikatan dengan binding pocket -OG ini.
Adanya ligan yang menempati situs binding pocket ini
diharapkan dapat menghambat proses fusi atau
mencegah trimerisasi protein E karena adanya
pengaruh inhibisi terhadap fleksibilitas protein
envelope. Transisi pembentukan trimer merupakan
tahapan penting dalam masuknya genom virus dengue
ke dalam sel host [6,7,8].
Proses fusi dikatalisis oleh perubahan kondisi pH
yang rendah dalam endosom (~5.8-6.0) sehingga
menyebabkan perubahan konformasi struktur dimer
protein E. Kondisi pH yang rendah dalam endosom
menyebabkan protonasi residu histidina tertentu yang
conserved pada protein E dan memicu terjadinya
disosiasi struktur dimer protein E. Struktur dimer
protein E tersusun atas dua rantai yang identik.
Masing-masing rantai terdiri dari tiga domain: domain
I, bagian N-terminal yang terletak pada bagian ujung;
domain II, daerah terjadinya fusi; dan domain III,
merupakan daerah reseptor untuk berikatan dengan
sel host (Gbr 1). Pada saat proses fusi terjadi
pemaparan loop peptida fusi pada ujung domain II
terjadi akibat pergerakan domain II sekitar hinge
region antara perbatasan domain I-II. Pemaparan ini
menyebabkan masuknya peptida fusi kedalam
membran sel host (Gbr 2). Pada tahapan transisi ini,
protein E menghubungkan virus dengan membran sel
host. Kedua membran saling berdekatan memicu
terjadinya fusi sewaktu protein E bergabung
membentuk trimer [4].
Penelitian terkait lainnya juga telah dilakukan
Yennamali et al., [9] telah menemukan situs cavity
diantara domain I-III pada protein envelope DENV-2.
Cavity ini hanya terdapat pada struktur dimer protein
E. Adanya suatu ligan yang dapat menempati cavity
ini dapat menstabilkan struktur dimer atau
menghambat trimerisasi protein E, sehingga proses
fusi dapat dihambat. Penelitian difokuskan untuk
menemukan suatu senyawa yang dapat menempati
cavity ini melalui metode virtual screening. Hasilnya
menunjukkan bahwa adanya senyawa tetracycline
(R1) yang dapat dijadikan ligan sebagai inhibitor
proses fusi berdasarkan fitness score dan binding
energy yang paling baik dibandingkan dengan
senyawa-senyawa hasil screening lainnya. Tambunan
et al., [10] melalui metode molecular docking dan
simulasi molecular dynamics telah berhasil
menemukan ligan peptida siklis , CLREC, sebagai
inhibitor fusi dengan cavity protein E DENV sebagai
targetnya.
Beberapa penelitian terdahulu yang terkait dengan
inhibisi protein E DENV oleh Modis et al., [5]
menemukan adanya suatu daerah pengikatan (binding
pocket) pada struktur protein E DENV-2 yang
ditempati oleh suatu substrat alami yaitu detergen noctyl-β-D-glucoside (β-OG). Situs ini diketahui
terletak pada hinge region protein envelope diantara
domain I-II. Beberapa penelitian terkait selanjutnya
memfokuskan untuk menemukan inhibitor proses fusi
Gbr 1. Struktur dimer protein envelope DENV dan
letak cavity; domain I (merah), domain II (kuning)
peptida fusi (hijau), dan domain III (biru)
Pada penelitian ini akan dilakukan perancangan ligan
peptida siklis melalui ikatan prolin-prolin sebagai
inhibitor proses fusi dengan cavity protein E sebagai
target melalui metode molecular docking dan simulasi
molecular dynamics . Dasar pemilihan residu asam
amino prolin sebagai pemebntuk siklis karena adanya
gugus amina sekunder pada struktur prolin yang dapat
mengurangi energi rotasi ikatan ketika proses
siklisisasi antara prolin-prolin terjadi [11], sehingga
diharapkan dapat menghasilkan efek inhibisi yang
lebih baik.
Gbr 2. Proses trimerisasi protein E (aktivasi fusi);
(a) struktur dimer, (b) struktur trimer
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
2. METODE PENELITIAN
Studi toksisitas terhadap ligan peptida
siklis
Persiapan protein envelope (E) DENV
Protein E dengan kode 1OAN_A diunduh dari PDB
dan
dibuka
melalui
Molecular
Operating
Environment (MOE) 2008.10. Struktur protein E
terlebih
dahulu
diperbaiki
dan
dioptimasi
menggunakan opsi protonate3D pada MOE [11].
Penambahan atom hidrogen dilakukan dengan
memilih opsi partial charge. Proses minimisasi energi
dilakukan dengan menggunakan force field
AMBER99, solvasi gas phase, dan mengatur nilai
RMS gradient menjadi 0.05 kkal/Å mol [12].
Studi toksisitas akan dilakukan terhadap ligan terbaik
hasil docking. Prediksi sifat karsinogenesitas dan
mutagernesitas
pada ligan dilakukan dengan
menggunakan software Toxtree v-2.5.0 berdasarkan
aturan Benigni dan Bossa. Selanjutnya dilakukan
prediksi sifat mutagenic, tumorigenic, irritant,
reproductive
effective
pada
ligan
dengan
menggunakan software Osiris Property Explorer.
Analisa sifat ADME-Tox (Absorpsi, Distribusi,
Metabolisme, Ekskresi dan Toksisitas) terhadap ligan
dilakukan dengan menggunakan software ACD Ilabs/Percepta.
Perancangan dan persiapan ligan peptida
siklis
Simulasi Molecular Dynamics
Penentuan ligan peptida siklis sebagai inhibitor
dilakukan dengan menganalisa residu asam amino
pembentuk cavity protein E. Peptida siklis yang
digunakan dalam bentuk pentapeptida siklis dengan
residu prolin pada ujung-ujungnya sebagai pembentuk
siklis. Proses perancangan struktur tiga dimensi ligan
dilakukan dengan menggunakan
ChemSketch
ACDLabs. Optimisasi dan minimisasi ligan dilakukan
dengan MOE 2008.10. Proses optimasi dilakukan
dengan memilih opsi wash terhadap semua ligan hasil
rancangan kemudian memilih opsi partial charge.
Proses minimisasi energi dilakukan dengan
menggunakan force field MMFF94x, solvasi gas
phase, dan mengatur nilai RMS gradient menjadi
0.001 kkal/Ǻ mol [13].
Optimisasi dan minimisasi energi kompleks proteinligan diperlukan sebelum melakukan simulasi
molecular dynamics. Optimisasi dilakukan dengan
memilih opsi partial charge. Minimisasi energi
dilakukan dengan menggunakan force field
AMBER99, solvasi born, dan mengatur nilai RMS
gradient menjadi 0.05 kkal/Ǻ mol. Simulasi
molecular dynamics dilakukan dengan menggunakan
MOE dengan memilih opsi simulation_dynamic.
Parameter yang digunakan yaitu ensemble NVT dan
algoritma NPA. Force field yang digunakan adalah
AMBER99.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisa cavity protein envelope (E) DENV
Molecular Docking
Ligan peptida siklis dan protein E dilakukan docking
dengan memilih opsi simulation_dock pada MOE.
Metode triangle matcher dipilih sebagai placement
method. Fungsi scoring yang digunakan adalah
London dG dengan menampilkan 100 pose terbaik.
Selanjutnya dari 100 tampilan pose terbaik dilakukan
pengukuran ulang (refinement) berdasarkan parameter
force field. Tampilan hasil keseluruhan proses
docking yang dipilih adalah satu pose terbaik.
Cavity protein envelope DENV tersusun dari 25
residu asam amino: residu 1, 143-149, 156, 158, 178
dan 295 dari domain I, dan residu 324, 333, 355-357,
359-366 dari domain III [9] (Gbr 3). Berdasarkan
hasil visualisasi cavity dengan MOE, residu asam
amino yang bersifat polar, polar bermuatan, dan non
polar dipilih sebagai penyusun peptida siklis.
Prediksi Sifat Farmakologi terhadap
Ligan Peptida Siklis
Prediksi sifat farmakologi terhadap ligan peptida
siklis dilakukan terhadap ligan terbaik dari hasil
docking. Prediksi sifat farmakologi ligan meliputi
Lipinski’s Rules of five, bioavailibilitas oral,
druglikeness, dan drug score. Prediksi dilakukan
dengan menggunakan software Osiris Property
Explorer dan FAF-drugs2.
Gbr 3. Visualisasi cavity pada protein envelope
DENV
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
Analisa hasil screening ligan dengan
Molecular Docking
Screening terhadap 3883 ligan peptida siklis hasil
rancangan menghasikan 5 ligan terbaik berdasarkan
nilai energi bebas ikatan Gibbs (ΔGbinding) dan nilai
pKi (Gbr 3). Berdasarkan persamaan termodinamika,
terdapat hubungan antara nilai energi bebas ikatan
Gibbs (ΔGbinding) dengan konstanta inhibisi (Ki) [14] :
ΔGo = - RT ln KA
KA = Ki-1 =
KA= Konstanta aktivitas biologis
Ki = Konstanta inhibisi
(14)
Kestabilan dan kuat interaksi pada kompleks proteinligan dapat dilihat dari semakin rendahnya nilai energi
bebas ikatan Gibbs (ΔGbinding) yang ditampilkan pada
hasil akhir docking. Nilai negatif dari ΔGbinding
menunjukkan bahwa reaksi pembentukan kompleks
protein-ligan berlangsung secara spontan. Nilai Ki
ditampilkan sebagai nilai pKi yang berarti nilai minus
log (logaritma) dari nilai Ki. Semakin besar nilai pKi
maka pembentukan kompleks protein-ligan semakin
stabil.
Tabel 1. Hasil screening lima ligan peptida siklis
terbaik dengan molecular docking
Ligan
PYRRP
PAWRP
PCWRP
PFWRP
PWPRP
R1 Yennamalli*
CLREC*
A4 Kampmann*
A5 Kampmann*
C6 Wang*
NITD448 Poh*
keterangan: * standar
ΔGbinding
(Kkal/mol)
-24.0833
-20.2963
-19.9615
-18.9418
-18.3896
-14.3512
-12.3581
-15.5195
-14.6856
-13.8653
-11.5687
pKi
17.5453
14.7855
14.5416
13.7987
13.3965
10.4550
9.0031
11.3063
10.6988
10.1012
8.4281
Gbr 4. Visualisasi kontak residu antara ligan PYRRP
dengan cavity protein envelope DENV
Gbr 3. Gambar 2D dari ligan peptida siklis terbaik
hasil screening dengan molecular docking
Hasil screening menunjukkan bahwa ligan PYRRP
dan PAWRP memiliki kestabilan dan interaksi yang
baik dengan protein dibandingkan keenam ligan
standar berdasarkan nilai ΔGbinding dan pKi-nya (Tabel
1). Kestabilan dan interaksi yang baik dari kompleks
yang terbentuk dapat diamati dari banyaknya interaksi
berupa ikatan hidrogen yang terbentuk.
Rantai samping dari residu asam amino GluA360, Ser
A363, dan Asp A362 berinteraksi membentuk ikatan
hidrogen dengan ligan PYRRP. Rantai samping dari
GluA360 dan Asp A362 berinteraksi membentuk
ikatan hidrogen dengan gugus amina pada Arginin
dari ligan. Sedangkan rantai samping dari Ser A363
berinteraksi membentuk ikatan hidrogen dengan atom
oksigen dari gugus karboksil (backbone) residu
Tirosin pada ligan (Gbr 4).
Rantai samping dari residu Glu A360 dan Lys A157
berinteraksi membentuk ikatan hidrogen dengan ligan
PAWRP. Rantai samping dari Glu A360 berinteraksi
membentuk ikatan hidrogen dengan gugus amina
pada Arginin dari ligan. Sedangkan rantai samping
dari Lys A157 berinteraksi membentuk ikatan
hidrogen dengan atom oksigen dari gugus karboksil
(backbone) residu Alanin pada ligan (Gbr 5 ). Terjadi
juga interaksi hidrofobik antara residu His A158 dan
Lys A295 dengan rantai samping aromatik dari
Triptofan pada ligan.
Gbr 5. Visualisasi kontak residu antara ligan PAWRP
dengan cavity protein envelope DENV
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
Hasil prediksi sifat farmakologi terhadap
ligan
Empat parameter Lipinski’s Rules of Five yang harus
dipenuhi adalah berat molekul tidak lebih dari 500
Da, logP tidak lebih dari 5, jumlah H-donor (n
OHNH) tidak lebih dari 5, dan jumlah H-acceptor (n
ON) tidak lebih dari 10 (15). Meskipun demikian,
Lipinski’s Rules tidak selalu menjadi acuan dalam
perancangan suatu obat. Umumnya Lipinski’s Rules of
Five hanya digunakan untuk memprediksi molekul
obat yang memiliki berat molekul yang relatif kecil.
Kelima ligan peptida siklis (PYRRP, PAWRP,
PCWRP, PFWRP, dan PWPRP) serta ligan standar
CLREC tidak memenuhi kriteria kelulusan Lipinski’s
Rules. Hal ini disebabkan karena keenam ligan
peptida siklis tersebut merupakan ligan yang berbasis
peptida dalam bentuk pentapeptida siklis sehingga
ukuran dan berat molekulnya tidak memenuhi kriteria
Lipinski’s Rules (Tabel 2). Nilai logP merupakan
koefisien partisi yang dirumuskan sebagai rasio
kosentrasi suatu molekul dalam oktanol dan air. Nilai
logP berhubungan dengan hidrofobisitas suatu
molekul obat. Semakin besar nilai logP maka sifat
hidrofobisitas senyawa obat tersebut juga meningkat.
Kelima ligan peptida siklis dan ligan standar CLREC
memiliki nilai logP kurang dari 5 sesuai Lipinski’s
Rules. Hal ini disebabkan karena sifat hidrofobisitas
dari ligan dipengaruhi oleh gugus rantai samping
residu asam amino penyusun ligan tersebut.
Bioavailibilitas
oral
yang
tinggi
menjadi
pertimbangan penting dalam mengembangkan
molekul bioaktif sebagai therapeutic agent.
Bioavailibilitas oral merupakan tingkat presentase
obat dalam darah dengan rute pemberian secara oral.
Prediksi bioavailibilitas oral suatu senyawa obat
dilakukan berdasarkan parameter Veber’s Rules yang
mencakup: rotatable bonds tidak lebih dari 10, tPSA
(Topological Surface Area) tidak lebih dari 140 Å,
dan jumlah H-bonds (H-donor + H-acceptor) tidak
lebih dari 12. tPSA didefenisikan sebagai luas semua
permukaan atom polar dari senyawa obat yang
dipengaruhi oleh atom-atom oksigen (O), nitrogen
(N), dan hidrogen (H). Nilai tPSA cenderung
digunakan sebagai matrik untuk optimasi dari
kemapuan obat menembus membran sel (16). Pada
Hasil prediksi bioavailibilitas oral menunjukkan
bahwa kelima ligan peptida siklis memiliki
bioavailibilitas oral yang rendah dibandingkan dengan
ligan standar (Tabel 2). Rendahnya bioavailibilitas
oral disebabkan karena residu-residu asam amino
penyusun kelima ligan peptida siklis didominasi oleh
asam amino bersifat polar sehingga ligan peptida
siklis memiliki nilai tPSA yang lebih besar dari batas
yang ditentukan oleh Veber’s Rules.
Nilai druglikeness menggambarkan kandungan
fragmen yang sering dijumpai dalam obat yang
dikomersialkan. Nilai drug likeness dari ligan
PYRRP, PAWRP, PFWRP, PCWRP, dan PWPRP
memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan dengan
ligan standar. Sedangkan nilai drug score merupakan
kombinasi dari druglikeness, logP, solubility, berat
molekul, dan resiko toksisitas dalam satu nilai praktis
yang digunakan untuk menilai potensi keseluruhan
senyawa untuk memenuhi syarat sebagai obat. Ligan
PYRRP, PAWRP, PCWRP, dan PWPRP memiliki
nilai drug score lebih besar dibandingkan dengan
ligan standar.
Studi toksisitas terhadap ligan
Hasil
prediksi
toksisitas
dengan
Toxtree
memperlihatkan bahwa kelima ligan peptida siklis
(PYRRP, PAWRP, PCWRP, PFWRP, dan PWPRP)
tidak
berpotensi
bersifat
mutagenesis
dan
karsinogenesis berdasarkan pendekatan QSARs
(Qualitative or Quantitative Structure-ActivityRelationship). Kelima ligan ini juga tidak memiliki
kecenderungan bersifat karsinogen baik dalam tingkat
genotoxic dan nongenotoxic (Tabel 3).
Hasil prediksi toksisitas dengan Osiris Property
Explorer ditunjukan dengan parameter warna; warna
hijau menunjukkan tingkat kecenderungan rendah
terhadap parameter, sedangkan warna merah
menunjukkan tingkat kecenderungan tinggi terhadap
parameter. Hasil prediksi menunjukkan bahwa ligan
PYRRP,
PAWRP,
dan
PWPRP
memiliki
kecenderungan yang rendah terhadap sifat mutagenic,
tumorgenic, irritant, maupun reproductive effective
(Tabel 4). Sedangkan untuk ligan PFWRP dan
PCWRP memiliki tingkat kecenderungan yang tinggi
terhadap sifat mutagenic. Hal ini disebabkan karena
kedua ligan ini memiliki cincin aromatik pada gugus
rantai samping residu asam amino fenilalanin (F) dan
triptofan (W) yang bersifat toksik dalam tubuh.
Hasil analisa sifat ADME-Tox menunjukkan bahwa
kelima ligan peptida siklis (PYRRP, PAWRP,
PCWRP, PFWRP, dan PWPRP) memiliki efek
kesehatan yang sangat buruk terhadap organ hati,
ginjal, usus halus, dan sistem peredaran darah. Hal ini
mungkin disebabkan karena adanya cincin aromatis
pada gugus rantai samping residu asam amino
fenilalanin (F) dan triptofan (W) yang menyusun
ligan. Ukuran ligan yang terlalu besar juga
mengakibatkan penyumbatan pada pembuluh darah.
Meskipun demikian, kelima ligan peptida siklis hasil
rancangan memiliki probabilitas toksik yang lebih
baik dibandingkan dengan ligan standar (Tabel 5).
Hasil analisa ADME-Tox juga menunjukan bahwa
kelima ligan memiliki bioavailibilitas oral yang
rendah (< 30%) (Tabel 5). Hal ini sesuai dengan hasil
prediksi sifat farmakologi berdasarkan Veber’s Rules
(16). Bioavailibilitas oral yang rendah mengharuskan
proses penghantaran obat dilakukan melalui injeksi.
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
Tabel 2. Hasil prediksi sifat farmakologi ligan peptida siklis
Ligan
Berat
LogP
n ON
Molekul
n
tPSA
OHNH
(Å)
n rotb
Drug
Drug score
likeness
(Da)
PYRRP
669.77
-1.07
17
12
271.95
12
9.44
0.55
PAWRP
607,70
0.24
14
8
205.61
7
8.67
0.58
PFWRP
683.80
1.83
14
8
205.61
9
9.15
0.29
PCWRP
639.77
0.16
14
8
244.41
8
4.06
0.32
PWPRP
633.74
-0.24
14
7
196.82
7
9.09
0.56
CLREC*
620.74
-4.30
16
12
329.52
11
-2.41
0.31
R1
Yennamalli
*
A4
Kampman*
414.84
5.84
6
1
72.95
4
0.98
0.26
402.69
4.12
6
2
100.08
4
2.12
0.20
A5
Kampman*
469.39
7.57
5
1
87.64
6
1.80
0.50
C6 Wang*
428.94
5.95
4
1
78.94
5
0.29
0.08
NITD448
Poh*
653.49
7.30
6
2
122.27
12
-4.44
0.05
Keterangan : * standar
Tabel 3. Hasil prediksi toksisitas dengan Toxtree
Ligan
Negative for
genotoxic
carcinogenicity
Negative for
nongenotoxic
carcinogenicity
Potential
S.typhimurium
TA100 mutagen
based on QSARs
No
Potential
carcinogen
based on
QSARs
No
PYRRP
Yes
Yes
PAWRP
PFWRP
PCWRP
PWPRP
CLREC*
R1
Yennamalli*
C6 Wang*
A4
Kampmann*
A5
Kampmann*
NITD448 Poh*
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
No
No
No
No
No
No
No
No
No
No
No
No
No
Yes
Yes
No
Yes
No
No
No
No
No
No
No
No
No
Yes
No
No
Keterangan : * standar
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
Tabel 4. Hasil prediksi toksisitas ligan peptida siklis dengan Osiris Property Explorer
Mutagenic Tumorgenic
Ligan
Irritant
Reproductive
effective
PYRRP
Hijau
Hijau
Hijau
Hijau
PAWRP
Hijau
Hijau
Hijau
Hijau
PFWRP
Merah
Hijau
Hijau
Hijau
PCWRP
Merah
Hijau
Hijau
Hijau
PWPRP
Hijau
Hijau
Hijau
Hijau
CLREC*
Hijau
Hijau
Hijau
Hijau
R1 Yennamalli*
Hijau
Hijau
Hijau
Hijau
C6 Wang*
Hijau
Kuning
Hijau
Hijau
A4 Kampmann*
Hijau
Hijau
Kuning
Hijau
A5 Kampmann*
Kuning
Merah
Hijau
Hijau
NITD448 Poh*
Hijau
Hijau
Merah
Hijau
Keterangan : * standar
Tabel 5. Hasil analisa sifat ADME-Tox terhadap ligan peptida siklis
Parameter
Oral Bioavailibility
PYRRP
PAWRP
PWPRP
PFWRP
PCWRP
Less than 30%
Less than 30%
Less than 30%
Less than 30%
Less than 30%
Blood
1.00
1.00
1.00
1.00
0.96
Cardiovascular
0.36
0.97
0.63
0.98
1.00
Gastrointestinal
0.90
0.96
1.00
0.98
0.97
Kidney
0.99
1.00
1.00
1.00
1.00
Liver
0.99
1.00
1.00
0.99
0.99
Lungs
0.89
0.84
0.96
0.96
0.89
Probability of
Toxicity
No
(94% probability
non-toxic)
Yes
(80% probability
harmful)
Yes
(78% probability
harmful)
Yes (85%
probability
hazard and
harmful)
Yes
(80%
probability
harmful)
PGP Inhibitor
No
No
No
No
No
CNS active
No
No
No
No
No
Health Effects:
Active Transport :
Pep T1
Not Transported
Not Transported
Not Transported
Not Transported
ASBT
Not Transported
Not Transported
Not Transported
Not Transported
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
Not
Transported
Not
Transported
Berdasarkan hasil docking, prediksi sifat farmakologi,
dan prediksi toksisitas terhadap ligan peptida siklis,
maka ligan PYRRP dan PAWRP dijadikan sebagai
ligan terbaik sebagai inhibitor fusi protein envelope
DENV untuk selanjutnya dilakukan simulasi
molecular dynamics.
untuk kompleks protein-ligan PAWRP. Setelah
mencapai titik ekuilibrasi, kedua kompleks proteinligan sudah dapat menyesuaikan konformasinya
dengan dengan pelarut implisit.
Hasil simulasi molecular dynamics
Simulasi molecular dynamics digunakan untuk
menganalisa perubahan konformasi kompleks proteinligan akibat diberikan pengaruh pelarut implisit ke
dalam sistem. Oleh karena itu protein dan ligan
dikondisikan dalam keadaan fleksibel dengan
mengatur solvasi gas phase menjadi born. Metode
dynamics ini sangat penting dalam meningkatkan
proses perancangan obat karena obat yang telah
dirancang akan dikonsumsi ke dalam tubuh yang
kebanyakan mengandung pelarut air (17).
Ada tiga tahap dalam simulasi molecular dynamics,
yaitu tahap inisialisasi, tahap ekulibrasi, dan tahap
produksi. Pada tahapan inisialisasi, dilakukan
penentuan keadaan awal sistem seperti koordinat
atom, kecepatan dan energi potensial sistem. Setelah
itu simulasi dijalankan hingga sistem mencapai titik
ekuilibrasi yang ditunjukkan dengan semakin
menurunnya energi potensial sistem hingga mencapai
kestabilan. (18). Tahapan produksi menghasilkan
trajectory dari suatu simulasi. Trajectory yang
diperoleh merupakan koordinat yang dibentuk dengan
mengambil data perubahan dari waktu ke waktu yang
menunjukkan keadaan setiap atom pada rentang
waktu simulasi akibat pengaruh suhu.
Tahap inisialisasi dilakukan pada temperatur 300 K
dengan rentang waktu 100 ps.
Gbr 6. Kurva inisialisasi kompleks protein-ligan
PYRRP
Pada kompleks protein-ligan, fluktuasi dimulai dari 0
ps sampai dengan 30 ps untuk ligan PYRRP (Gbr 6),
sedangkan untuk ligan PAWRP fluktuasi dimulai dari
0 ps sampai dengan 28 ps (Gbr 7). Waktu yang
diperlukan untuk mencapai titik ekuilibrasi yaitu, 30
ps untuk kompleks protein-ligan PYRRP, dan 28 ps
Gbr 6. Kurva inisialisasi kompleks protein-ligan
PAWRPP
Tahap produksi kedua kompleks protein-ligan
(PYRRP dan PAWRP) dilakukan pada suhu 310 K
dan 312 K. Suhu 310 K tersebut merupakan
temperatur tubuh dalam keadaan normal, sedangkan
312 K merupakan suhu tubuh pada saat demam
dengue. Tahap produksi dibagi menjadi tiga tahap,
yaitu heating, simulasi utama, dan cooling. Heating
dilakukan untuk menaikkan temperatur sistem sampai
ke titik ekuilibrium dan cooling dilakukan untuk
menemukan energi konformasi terendah dari
kompleks.
Hasil tahap produksi pada 310 K menunjukkan bahwa
kedua ligan, PYRRP dan PAWRP, masing-masing
tetap
mempertahankan
interaksinya
dengan
membentuk ikatan hidrogen pada cavity protein
envelope sampai pada akhir tahap cooling. Selama
awal tahap inisialisasi sampai pada akhir tahap
simulasi 5000 ps, ligan PYRRP dan PAWRP tetap
berinteraksi dengan residu binding site dari cavity
protein envelope. Pembentukan ikatan hidrogen antara
ligan dengan cavity protein selama simulasi dynamics
terjadi melalui beberapa cara, yaitu melalui interaksi
rantai samping ligan dengan rantai samping dan
backbone dari cavity protein (Tabel 6).
Hasil tahap produksi pada 312 K juga menunjukkan
bahwa kedua ligan, PYRRP dan PAWRP, masingmasing juga tetap mempertahankan interaksi dengan
cavity pada protein envelope DENV sampai pada
akhir tahap cooling. Selama awal proses inisialisasi
sampai pada akhir tahap simulasi 5000 ps, ligan
PYRRP dan PAWRP tetap konsisten berikatan
dengan residu binding site dari cavity protein
envelope. Ikatan hidrogen antara ligan PYRRP
dengan residu Glu A360, Asp A362, dan Ser A363
dari cavity masih dipertahankan hingga akhir
simulasi. Sedangkan untuk ligan PAWRP masih
mempertahankan interaksinya hingga akhir simulasi
dengan membentuk ikatan hidrogen dengan residu
Glu A360 dan Glu A147 dari cavity (Tabel 7).
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
Tabel 6. Data ikatan hidrogen pada kompleks selama simulasi dynamics pada 310 K
Ligan
PYRRP
PAWRP
Tahap
Inisialisasi
Glu A360, Glu A360, Glu A360, Glu
A360, Asp A362, Asp A362, Asp
A362
Glu A360, Glu A360, Lys A157
Heating 10 ps
Glu A360, Glu A360, Glu A360, Asp
A362, Ser A363
Glu A147, Glu A148, Glu A360
Simulasi 5000 ps
His A158, His A158, Lys A295, Lys
A295, Asp A329, AspA329, Glu
A360, Glu A360, Glu A360, Lys
A361, Lys A361, Asp A362, Asp
A362, Asp A362, Thr A359, Glu
A360, Glu A360, Glu A360, Ser
A363
Glu A148, Glu A148, Glu A148,
His A149, Lys A295
His A158, His A158, Lys A295, Lys
A295, Asp A329, Asp A329, Thr
A359, Thr A359, Glu A360, Glu
A360, Glu A360, Glu A360, Lys
A361, Lys A361, Asp A362, Asp
A362, Asp A362, Ser A363
Glu A148, Glu A148, His A149,
His A149, Lys A295
Cooling 10 ps
Tabel 7. Data ikatan hidrogen pada kompleks selama simulasi dynamics pada 312 K
Ligan
PYRRP
PAWRP
Tahap
Inisialisasi
Glu A360, Glu A360, Glu A360, Glu
A360, Asp A362, Asp A362, Asp A362
Glu A360, Glu A360, Lys
A157
Heating 10 ps
Glu A360, Glu A360, Glu A360, Asp
A362, Ser A363
Glu A147, Glu A148, Glu
A360
Simulasi 5000 ps
Glu A147, Glu 360, Glu A360, Glu 360,
Ser A363
Glu A147, Glu 360, Glu
A360, Glu 360
Glu A147, Glu A147, Gly A177, Ser
A363, Thr A359, Glu A360, Glu A360,
Glu A360
Glu A147, Glu 360, Glu
A360, Glu 360
Cooling 10 ps
Keterangan : Residu berwarna merah adalah residu binding site dari cavity protein envelope DENV
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
Besarnya perubahan konformasi kompleks proteinligan akibat pengaruh pelarut implisit dan suhu dapat
dilihat dari kurva waktu simulasi terhadap nilai
RMSD (Root Mean Square Deviation).
Gbr 8. Kurva RMSD kompleks protein-ligan PYRRP
selama simulasi 5000 ps
Kurva RMSD kedua kompleks protein- ligan pada
simulasi terlihat cukup stabil selama simulasi 5000 ps.
Hal ini ditunjukkan oleh pola kurva yang cenderung
linier. Namun terjadi fluktuasi nilai RMSD kompleks
protein-ligan PYRRP pada selang waktu simulasi
1000-1500 ps pada 310 K. Akan tetapi kompeks tetap
mempertahankan kestabilannya di 310 K dan 312 K
pada selang waktu simulasi 2500-5000 ps (Gbr 8).
Perubahan konformasi kompleks selama simulasi
5000 ps mengikuti perubahan konformasi struktur
protein envelope DENV dalam perubahan bentuk
dimer menjadi trimer. Sehingga ligan PYRRP dapat
membuat struktur protein envelope DENV stabil pada
310 K dan 312 K.
4. KESIMPULAN
Hasil screening melalui molecular docking
didapatkan lima ligan (PYRRP, PAWRP, PCWRP,
PFWRP, dan PWPRP) yang memiliki afinitas (ΔG
binding dan pKi) lebih baik dengan cavity protein
envelope DENV sebagai targetnya. Berdasarkan hasil
prediksi farmakologi dan studi toksisitas, diperoleh
ligan PYRRP dan PAWRP sebagai ligan terbaik
untuk selanjutnya dilakukan simulasi molecular
dynamics. Pada simulasi dynamics, kedua ligan,
PYRRP dan PAWRP, tetap mempertahankan
interaksi dengan cavity protein envelope DENV
hingga akhir simulasi 5000 ps baik pada 310 K
maupun 312 K. Berdasarkan analisa perubahan
konformasi (kurva RMSD), ditunjukkan bahwa ligan
PYRRP
dapat
mempertahankan
kestabilan
konformasi kompleks protein-ligan. Sedangkan ligan
PAWRP lebih aktif di 310 K dibandingkan di 312 K.
Oleh karena itu, ligan PYRRP memiliki potensi
sebagai sebagai inhibitor fusi protein envelope DENV
untuk dikembangkan selanjutnya sebagai obat.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih saya ucapkan kepada
Bapak Syarifudin Idrus atas segala bantuan
dan diskusinya mengenai penelitian saya serta
beberapa penelitian terkait lainnya.
DAFTAR ACUAN
[1] WHO. (2012). Dengue and Dengue
Haemorrhagic Fever. World Health Organization.
[2] Lindenbach, B.D and Rice, C.M. (2007).
Flaviridae: The Viruses and Their Replication: In
Fundamental Virology. Knipe DM & Howley PM,
eds, pp. 991−1041. Lippincott.
[3] Zuo, Z., et al. (2009). Mechanism of NS2BMediated Activation of NS3pro in Dengue Virus:
Molecular Dynamics Simulation and Bioassays.
Virology Journal: vol. 83 No. 2, 1060-1070.
Gbr 9. Kurva RMSD kompleks protein-ligan PAWRP
selama simulasi 5000 ps
Kurva RMSD pada kompleks protein-ligan PAWRP
pada 312 K memiliki nilai rerata RMSD lebih kecil
dibandingkan pada 310 K. Hal ini menunjukkan
bahwa perubahan konformasi kompleks pada 310 K
lebih besar dari 312 K. Sehingga ligan PAWRP lebih
aktif membentuk kompleks dengan protein envelope
DENV pada 310 K dibandingkan pada 312 K.
[4] Kampmann, T., et al. (2009). In silico Screening
of Small Molecule Libraries using The Dengue
Virus E Protein has Identified Compounds with
Antiviral Activity Againts Multiple Flaviviruses.
Antiviral Research, 84, 234−241.
[5] Modis, Y., et al. (2003). Ligand-binding Pocket in
the Dengue Virus Envelope Glycoprotein. Proc
Natl Acad Sci USA, 100(12), 6986-91.
[6] Li, Z., et al. (2008). Design, Synthesis, and
Biological Evaluation of Antiviral Agents
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
Targeting Flavivirus Envelope Protein. J
MedChem, 51(15), 4660−4671.
[7] Wang, Q.Y., et al. (2009). A Small-Molecule
Dengue Virus Entry Inhibitor. Antimicrobial
Agents and Chemotherapy, Vol. 53, No. 5, 1823–
1831.
[18] Nurbaiti, S. (2009). The Role of Interface
Domain Interactions on Thermal Stability of
DNA Polymerase I ITB-1. International Journal
of Intergrative Biology. ISSN 0973-8363.
[8] Poh, M.K., et al. (2009). A Small Molecule Fusion
Inhibitor of Dengue Virus. Antiviral Research, 84,
260−266.
[9] Yennamali, R., et al. (2009). Identification of
Novel Target Sites and an Inhibitor of The Dengue
Virus E Protein. J. Compute Aided Mol, 23, 333–
341.
[10] William. (2012). Karya Magister Utama Kimia
UI: Perancangan Peptida Siklis Disulfida
sebagai Inhibitor Fusi Protein Envelope DENV.
Departemen Kimia FMIPA-UI. Depok.
[11] Pohl, S., Goddard, R., and Kubik, S. (2001). A
New Cyclic Ttrapeptide Composed of Alternating
L-Proline and 3-Aminobenzoic Acid Subunits.
Tetrahedron Letters: 42, 7555-7558.
[12] Apriyanti, N. (2010). Karya Utama Sarjana
Kimia UI: Simulasi Dinamika Molekul Kompleks
NS3-NS2B Protease Virus Dengue dengan
Inhibitor Potensial Peptida Siklis Disulfida.
Departemen Kimia FMIPA-UI. Depok.
[13] Tambunan, U.S.F., et al. (2011). Computational
Design of Disulfide Cyclic Peptide as Potential
Inhibitor of Complex NS2B-NS3 Dengue Virus
Protease. African Journal of Biotechnology,
Vol. 10(57), 12281−12290.
[14] Kitchen, D.B., et al. (2004). Docking and
Scoring in Virtual Screening for Drug
Discovery: Methods and Applications. Nature
Reviews: Drug Discovery 3 (11): 935–49.
[15] Lipinski, C.A., et al. (1996). Experimental and
Computational Approaches to Estimate
Solubility and Permeability in Drud Discovery
and Development Setings. Elsevier, Advanced
Drug Delivery Reviews 46 (2001) 3-26.
[16] Vebber, D.F., et al. (2002). Molecular Properties
that Influence the Oral Bioavailibility of Drug
Candidates. J. Med. Chem. 2002, 45, 2615-623.
[17] Alonso, H., Bliznyuk, A.A., and Gready, J.E.
(2006). Combining Docking and Molecular
Dynamic Simulations in Drug Design. Medicinal
Research Reviews, 26(5):531-568.
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013
l
Perancangan peptida..., Andreas S. Nugroho, FMIPA UI, 2013