## DOCKING ANALOG KURKUMIN TURUNAN PIPERAZINDION DENGAN TUBULIN (1TUB)
RANTAI  MENGGUNAKAN VINA DAN AUTODOCK 1

## Broto Santoso
Fakultas Farmasi, Universitas Muhammadiyah Surakarta broto.santoso@gmail.com

## ABSTRAK
Program Autodock mampu memprediksi energi bebas dan konformasi ikatan antara fleksibel ligan dan makromolekul target yang telah diketahui. Senyawa turunan dan analog kurkumin adalah ligan  yang  telah  banyak  dihasilkan  dan  diuji  aktivitasnya.  Beberapa  diantaranya  memiliki  khasiat yang lebih baik dari kurkumin. Enam senyawa turunan piperazindion, kurkumin, PGV-0, dan PGV-1 dihitung  energi  optimasi  geometrinya  menggunakan density  functional  theory (DFT) –  Gaussian. Ligan  hasil  optimasi  dicari  energi  ikatan  ligan  dengan  reseptor  1TUB  rantai  melalui docking menggunakan Vina dan Autodock dengan metode Lamarckian Genetic Algorithm (LGA), traditional Genetic Algorithm (tGA), dan Simulated Annealing (SA) Monte Carlo. Data energi ikatan (affinitas) terbaik  yang  diperoleh  dianalisis  dengan  Anova: Two-Factor  Without  Replication (P=0,01).  Hasil docking dengan  semua  metode  menunjukkan  bahwa  senyawa  analog  kurkumin  turunan piperazindion mempunyai potensi ikatan lebih baik dibanding senyawa induknya
Kata Kunci : 1TUB, Autodock, docking, kurkumin, piperazindion

## ABSTRACT
Autodock  could  predict  free  energy  and  bonding  conformation  between  flexible  ligand  and macromolecular of target which has been known earlier. Derivates and analogues of curcumin are ligands have been widely produced and tested for its activity. Some of them have a better efficacy than curcumin. Six molecules of piperazinedione derivates along with curcumin, PGV-0, and PGV- 1 have been calculated their geometry optimization using Density Functional Theory (DFT) method of  Gaussian.  Their  conformation  molecules  have  been  docked  to  receptor  of  1TUB  chain  to calculate  their  binding  energy  using  Vina  and  Autodock  with  methods  of  Lamarckian  Genetic Algorithm  (LGA),  traditional  Genetic  Algorithm  (tGA),  dan  Simulated  Annealing  (SA)  Monte  Carlo. The best data of binding energy (affinity) each molecules were analyzed using Anova: Two-Factor Without Replication (P=0.01). The result of all methods of docking calculation show those curcumin analogues:  piperazinedione  derivates  have  a  better  binding  potency  than  curcumin,  their  lead compound.
Kata Kunci : 1TUB, Autodock, docking, curcumin, piperazinedione

## PENDAHULUAN
Desain obat
secara
rasional
menggunakan bantuan komputer mulai membuahkan  hasil.  Senyawa  obat  baru  hasil rancang  obat dapat dihitung aktivitas ikatannya secara komputasi pada protein yang bertanggung  jawab  terhadap  suatu  penyakit. Beberapa  telah  dilaporkan  dan  diantaranya adalah  terhadap  HIV-1  protease  (protein retrovirus Human Immunodeficiency Virus yang menyebabkan Acquired  Immune  Deficiency Syndrome atau  AIDS),  sintase  timidilat  (anti- kanker),  dan  fosforilasa  nukleosida  purin (gangguan  autoimun)  telah  masuk  dalam tahapan  uji  klinis  (Trylska et al .,  2007;  Kubinyi, 1998;  Goodsell et  al .,  1996;  Touroutoglou  and Pazdur, 1996) bahkan ada yang sudah mampu dibuat dalam bentuk pemodelan aktivitas ikatan
vernakalant  (ligan)  dengan  Kv1,5  channels (protein) (Eldstrom and Fedida, 2009).
Rancangan  obat  rasional  dikembangkan melalui penggunaan komputasi untuk menemukan  konformasi  ikatan  ligan  untuk target  makromolekul struktur yang telah diketahui.  Komputasi  merupakan  alat  untuk menguji  dan  melakukan  urutan  peringkat geometri  calon  obat  berdasarkan  modifikasi senyawa  penuntun  atau  melakukan  skrining database  molekul  yang  tersedia  untuk  mencari senyawa penuntun baru (Goodsell et al ., 1996). Salah  satu  program  komputasi  yang gratis  adalah  AutoDock  yang  merupakan program docking otomatis  yang  dirancang untuk memprediksi energi bebas dan konformasi  ikatan  antara flexible ligand  dan makromolekul  target  (struktur  kimia  3  dimensi)
_____________________ 1 Telah dipresentasikan di Konggres IAI XVIII, Makasar, 10 Desember 2010.
yang  telah  diketahui.  Begitu  pula  dengan Autodock  Vina  yang  merupakan  program docking lainnya  dengan  kemampuan  dalam penemuan  obat, molecular  docking ,  dan skrining senyawa baru secara virtual (Trott and Olson, 2010; Morris et al ., 2009; Goodsell et al ., 1996).
Senyawa  turunan  dan  analog  kurkumin adalah  ligan  yang  telah  banyak  dihasilkan  dan diuji aktivitasnya. Beberapa diantaranya, Pentagamavunon-0 (2,5-bis-(4-hidroksi-3- metoksi)-benzilidin-siklopentanon)  dan  PGV-1 (2,5-bis-(4-hidroksi-3,5-dimetil)-benzilidin- siklopentanon),  kedua  analog  ini  memiliki potensi  aktivitas  (terutama  anti-kanker  sel T47D) yang lebih baik dari kurkumin (Da’i et al ., 2007; Reksohadiprodjo et al ., 2004).
Kelompok  lain  analog  kurkumin  adalah turunan  piperazindion.  Piperazindion  dapat digunakan  sebagai  pengganti  gugus  tengah diketon kurkumin dan dengan mempertahankan gugus  samping  PGV-0  dan  PGV-1  diperoleh senyawa  turunan  piperazindion.  Beberapa turunan  piperazindion  telah  diteliti  dan  memiliki aktivitas  inhibisi  pertumbuhan  sel,  sitostatik, dan  sitotoksik  (Andreani et  al .,  2008),  dan antikanker  sporidesmins  merupakan  turunan piperazin-2,5-dion  (Polaske et  al .,  2009). Pembuktian adanya aktivitas ini dapat dilakukan  melalui  teknik molecular  docking terhadap  salah  satu  protein  yang  ditenggarai paling  banyak  berperan  dalam  siklus  sel kanker,  yaitu  tubulin  (Davis et  al .,  1999). Protein  1TUB  dipilih  karena  dapat  mewakili tubulin  yang  terdapat  dalam  siklus  sel  kanker dalam manusia.

## METODOLOGI PENELITIAN
Alat yang  digunakan  adalah  seperangkat
komputer  dengan  prosesor  Intel  Core2Quad 4GHz  dan  RAM  4GB  untuk  menghitung  kimia komputasi  dengan  memanfaatkan  program Vina  dan  Autodock  yang  dipermudah  dengan Pyrx,  GaussView-Gaussian  2003 release E.01, dan PyMol.

## Metode Kerja
Optimasi  energi  geometri .  Struktur  3D  ligan, yaitu  enam  senyawa  turunan  piperazindion, kurkumin,  PGV-0,  dan  PGV-1,  telah  dilakukan dengan  Gaussian  menggunakan  perhitungan DFT: B3LYP/6-31(g).
Persiapan  protein  reseptor  dan ligand percobaan .  Tubulin  -  dimer  (1TUB)  dengan ligand Guanosin-5'-Difosfat  (GDP),  Guanosin- 5'-Trifosfat (GTP) dan Taxotere (TXL) diperoleh dari  www.pdb.org.  Rantai  tubulin  dengan daerah  binding  site  untuk  Taxotere  adalah bagian  protein  1TUB  yang  digunakan  dalam molecular docking . Aktivitas docking . Semua ligand diuji  secara docking untuk  mencari  energi  ikatan  terendah dengan protein target menggunakan perhitungan  Vina,  dan  AutoDock  metode Lamarckian Genetic Algorithm (LGA), traditional Genetic Algorithm (tGA), dan Simulated Annealing (SA)  Monte  Carlo.  Analisis  data dilakukan  dengan  ANOVA: Two-Factor Without Replication (P=0,01)  menggunakan  fasilitas dari Microsoft Excel.

## HASIL DAN PEMBAHASAN Optimasi Geometri
Perhitungan DFT:B3LYP/6-31(g) dilakukan untuk  memperoleh  molekul  3D  ligan yang paling stabil (teroptimasi) Gambar 1 . 1-(4om) 2-(4op) 3-(bem) 4-(bep) 5-(vam) 6-(vap) 7-(cur) 8-(pg0) 9-(pg1)
Gambar 1- Struktur 3D hasil optimasi geometri menggunakan perhitungan DFT-Gaussian ( view in PyMol).
Gambar  2- Energi  ikatan  (kcal/mol) docking antara ligand dengan  1TUB  rantai  (be= binding  energy ;  ba= binding  affinity ; n=6; turunan piperazindion = 4om, 4op, bem, bep, vam, vap; cur = kurkumin; pg0 = PGV-0; dan pg1 = PGV-1).
Docking
analog
kurkumin turunan piperazindion Docking masing-masing ligand dilakukan dengan  6  kali  replikasi  perhitungan  di  setiap metodenya. Hasil yang diperoleh adalah seperti yang  ditampilkan  pada Gambar  2 .  Energi ikatan  dihitung  pada  daerah binding  site dari Taxotere.  Data  hasil  memperlihatkan  bahwa
turunan  piperazindion:  4om,  bem,  dan  bep memiliki  energi  ikatan  terkuat  secara  berurutan pada  metode  Vina  (bersama  dengan  bem  dan pg1),  tGA-SA,  dan  LGA.  Namun  tiga  besar molekul  yang  menunjukkan  interaksi  ikatan lebih  kuat  dibandingkan  dengan  ligan  lainnya adalah 4om, bem, bep dan pg1 (Gambar 2).
Ligan-1TUB-tGA
Ligan-1TUB-LGA Ligan-1TUB-SA
Ligan-1TUB-Vina
Gambar  3- Interaksi  semua  ligand  dengan  1TUB  rantai  .  Docking  dilakukan  menggunakan  metode  Vina  dan  Autodock metode Lamarckian  Genetic  Algorithm (LGA), traditional  Genetic  Algorithm (tGA),  dan Simulated  Annealing (SA)  Monte Carlo. Semua ligan berinteraksi pada pocket binding site dari Taxotere.
Hal lain yang menarik adalah hasil docking juga menunjukkan  bahwa  secara  keseluruhan  PGV- 0  dan  PGV-1  memiliki  energi  ikatan  yang  lebih kuat dibandingkan dengan kurkumin.
Perbandingan  hasil docking antara  PGV-0  dan PGV-1  dengan  kurkumin  sama  dengan  hasil penelitian  yang  telah  dilakukan  Da’i et  al . (2007),  yaitu  kedua  analog  kurkumin  tersebut
memiliki  aktivitas  anti-kanker  yang  lebih  baik terhadap protein tubulin.
Gambar  3  memperlihatkan  bahwa  semua konformasi  molekul  hasil docking berbagai metode  masih  berada  di  dalam binding  pocket dari  molekul  ligan  hasil  kristalografi,  yaitu Taxotere. Hal ini membuktikan bahwa Vina dan Autodock selektif dalam melakukan perhitungan komputasi  walaupun gridbox yang  digunakan adalah  seluruh molecular  space dari  protein target.

## Analisis Data
Data docking berupa  energi  ikatan  (kcal/mol) ligan  dengan  1TUB  rantai  dihitung  dengan ANOVA: Two-Factor Without Replication (faktor ligan dan metode) diperoleh hasil bahwa setiap
metode  memiliki  hasil  yang  berbeda  nyata untuk  masing-masing ligand dan  nilai  energi ikatan setiap ligand berbeda nyata satu dengan ligand  lainnya  dalam  metode docking yang sama (P=0,01).

## KESIMPULAN
Turunan  piperazindion  (4om,  bem  dan  bep) yang merupakan analog dari kurkumin memiliki potensi  aktivitas  yang  lebih  baik  dibandingkan kurkumin dalam hal interaksinya dengan protein tubulin melalui perhitungan docking .

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  ucapkan  terima  kasih  kepada  Fakultas Farmasi UMS atas dukungannya dalam penyelesaian penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Andreani, A., Burnelli, S., Granaiola, M., Leoni, A., Locatelli, A., Morigi, R., Rambaldi, M., Varoli, L., Landi,  L.,  Prata,  C.,  Berridge,  M.  V.,  Grasso,  C.,  Fiebig,  H.-H.  dan  Kelter,  G.,  2008,  "Antitumor Activity of Bis-indole Derivatives(1)." Journal of Medicinal Chemistry , 51 (15): 4563-4570.
Da'i,  M.,  Edy  Meiyanto,  E.,  Supardjan,  Jenie,  U.A.,  dan    Kawaichi,  M.,  2007,  Potensi Antiproliferative  Analog  Kurkumin  Pentagamavunon  terhadap  Sel  Kanker  Payudara  T47D, Artocarpus , 7 (1): 14-20.
Davis,  A.,  Jiang,  J.D.,  Middleton,  K.M.,  Wang,  Y.,  Weisz,  I.,  Ling,  Y.H.,  and  Bekesi,  J.G.,  1999, Novel Suicide Ligands  of Tubulin  Arrest Cancer Cells in S-Phase, Neoplasma ,  1 (6): 498 - 507
Eldstrom,  J.  and  Fedida,  D.,  2009,  Modeling  of  high-affinity  binding  of  the  novel  atrial  anti- arrhythmic  agent,  vernakalant,  to  Kv1.5  channels, Journal  of  Molecular  Graphics  and  Modelling , 28: 226 –235.
Frisch,  M.  J.,  Trucks,  G.  W.,  Schlegel,  H.  B.,  Scuseria,  G.  E.,  Robb,  M.  A.,  Cheeseman,  J.  R., Montgomery, Jr., J. A., Vreven, T., Kudin, K. N., Burant, J. C., Millam, J. M., Iyengar, S. S., Tomasi, J.,  Barone,  V.,  Mennucci,  B.,  Cossi,  M.,  Scalmani,  G.,  Rega,  N.,  Petersson,  G.  A.,  Nakatsuji,  H., Hada, M., Ehara, M., Toyota, K., Fukuda, R., Hasegawa, J., Ishida, M., T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, M. Klene, X. Li, J. E. Knox, H. P. Hratchian, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo,  R.  Gomperts,  R.  E.  Stratmann,  O.  Yazyev,  A.  J.  Austin,  R.  Cammi,  C.  Pomelli,  J.  W. Ochterski, P. Y. Ayala, K. Morokuma, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, V. G. Zakrzewski, S. Dapprich, A. D. Daniels, M. C. Strain,  O. Farkas, D. K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, Q. Cui, A. G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B. B. Stefanov, G. Liu, A.  Liashenko,  P.  Piskorz,  I.  Komaromi,  R.  L.  Martin,  D.  J.  Fox,  T.  Keith,  M.  A.  Al-Laham,  C.  Y. Peng,  A.  Nanayakkara,  M.  Challacombe,  P.  M.  W.  Gill,  B.  Johnson,  W.  Chen,  M.  W.  Wong,  C. Gonzalez,  and  J.  A.  Pople,    2004, Gaussian  03  -  Revision  E.01 ,  Gaussian,  Inc.,  Wallingford  CT, www.gaussian.com.
Goodsell,  D.S.,  Morris,  G.M.,  and  Olson,  A.J.,  1996,  Automated  Docking  of  Flexible  Ligands: Applications of AutoDock, Journal of Molecular Recognition , 9: 1-5.
Kubinyi,  H.,  1998,  Structure-based  Design  of  Enzyme  Inhibitors  and  Receptor  Ligands, Current Opinion in Drug Discovery and Development , 1 (1): 4-15.
Morris, G.M., Huey, R., Pique, M., Hart, W.E., Halliday, R.S.,  Lindstrom, W., Chang, M., Gillet, A., Forli,  S.,  Belew,  R.K.,  Goodsell,  D.S.,  and  Olson,  A.J.,  2009, AutoDock  4.2  -Release  4.2.3 ,  The Scripps Research Institute.
Polaske, N. W., Nichol, G. S. dan Olenyuk, B., 2009, "Polymorphism and phase transition behavior of 6,6'-bis(chloromethyl)-1,1',4,4'-tetramethyl-3,3'-(-phenylenedimethylene)bis(piperazine-2,5- dione)." Acta Crystallographica Section C , 65 (8): o381-o384.
Reksohadiprodjo,  M.  S.,  Timmerman,  H.,  Sardjiman,  Margono,  S.  A.,  Martono,  S.,  Sugiyanto, Hakim, L. R., Nurlaila, Hakim, A. R., Puspitasari, l., Nurrochmad, A., Purwantiningsih, Oetari, R. A. dan  Yuwono,  T.,  2004,  Derivatives  of  Benzylidene  Cyclohexanone,Benzylidene  Cyclopentanone, and  Benzylidene  Acetone,  and  Therapeutic  Uses  Thereof, United  States  Patent ,  USA, US006777447B2: 1-12.
Touroutoglou,  N.,  and  Pazdur,  R.,  1996,  Minireview:  Thymidylate  Synthase  Inhibitors, Clinical Cancer Research , 2: 227-243.
Trott, O., and Olson, A. J., 2010, AutoDock Vina: improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function, efficient optimization and multithreading, Journal of Computational Chemistry , 31: 455-461.
Trylska,  J.,  Tozzini,  V.,  Chang,  C.A.,  and  McCammon,  J.A.,  2007,  HIV-1  Protease  Substrate Binding  and  Product  Release  Pathways  Explored  with  Coarse-Grained  Molecular  Dynamics, Biophysical Journal , 92: 4179 –4187.
Wolf,  L.K.,  2009,  New  software  and  Websites  for  the  Chemical  Enterprise, Chemical  and Engineering News, 87:31.