Studi molecular docking senyawa 1,5- benzothiazepine sebagai inhibitor dengue DEN-2 NS2B/NS3 serine protease
, Neni Frimayanti * , Anita Lukman, Livia Nathania
Fakultas Farmasi Sekolah Tinggi Ilmu Farmasi Riau, Pekanbaru 28928 Indonesia Program Studi Farmasi, Fakultas Farmasi Sekolah Tingi Ilmu Farmasi Riau e-mail: * nenifrimayanti@gmail.com
Diterima: 31 Mei 2021/ Disetujui: 31 Desember 2021/ Dipublikasi online: 31 Desember 2021 DOI: https://doi.org/10.22437/chp.v6i1.12980

## ABSTRAK
Studi molecular docking senyawa 1,5-benzothiazepine turunan kalkon dengan protein target dari  permodelan  struktur  kristalografi  Protease  dengan  kode  2FOM  dilakukan  dengan komputer  menggunakan  program  Molecular  Operating  Environment  (MOE).  Penelitian  ini bertujuan untuk mengetahui potensi senyawa 1,5-benzothiazepine sebagai inhibitor virus dengue  menggunakan  studi  molecular  docking  dengan  mengamati  interaksi  antara senyawa  1,5-benzothiazepine  dengan  reseptor  NS2B/  NS3  Protease  menggunakan Panduratin A sebagai kontrol positif. Sehingga dapat dijadikan acuan dalam desain inhibitor NS2B/  NS3  Protease.  Berdasarkan  hasil  docking  yang  telah  dilakukan  menunjukkan senyawa MA10 , MA11 dan MA12 berpotensi  aktif  sebagai  inhibitor  NS2B/  NS3 Proteasedengan nilai energi bebas ikatan sebesar -5,0142 kcal/mol, -4,9782kcal/mol, dan -4,9778kcal/mol dan memiliki beberapa kesamaan residu asam amino yang sama dengan kontrol positif (Panduratin A).
Kata kunci: 1,5-benzothiazepine, molecular docking, inhibitor demam dengue, panduratin A

## ABSTRACT
1,5-benzothiazepine  chalcone  derivatives  compounds  was  used  as  ligand  with  the  main target protein 2FOM from Protease enzyme crystallographic structure. Molecular Operating Environment (MOE) computer program was used as software to perform docking. The aim of this study is to determine the potentially of 1,5-benzothiazepine as dengue virus inhibitor using molecular docking. Panduratin A was used as positive control to check the interactions between  1,5  benzothiazepine compounds with  NS2B/  NS3  serine  protease.  Based  on  the docking results, it has been observed and shown that compounds MA10, MA11 and MA12 has potentially become active inhibitors for NS2B/ NS3 Protease with a binding free energy value of -5,0142 kcal/mol, -4,9782 kcal/mol, and-4,9778 kcal/mol, respectively and it also has several amino acid residues which are the same as positive control (Panduratin A).
Keywords: 1,5-benzothiazepine, molecular docking, panduratin A, inhibitors of dengue fever

## PENDAHULUAN
Demam dengue adalah penyakit infeksi yang disebabkan oleh virus dengue yang merupakan Arbovirus ( Arthro  podborn  virus )  dan  ditularkan  melalui  gigitan  nyamuk Aedes ( Aedes Albopictus dan Aedes Aegepty ) (Candra, 2010). Terdapat 4 serotipe virus yaitu DENV-1, DENV-2, DENV-3, DENV-4 yang semuanya dapat menjadi penyebab dari demam berdarah (Sudoyo et al ., 2009). Saat ini yang menarik perhatian peneliti adalah munculnya  serotipe  virus  dengue  baru  yang  disebut  DENV-5.    DENV-5  pertama  kali ditemukan terjadi pada seorang petani berusia 37 tahun yang dibawa ke rumah sakit di Sarawak ketika wabah demam berdarah melanda Malaysia tahun 2007 (Hardani, dkk,
2018). Dengue endemik  setidaknya  100  negara  di  Asia,  Pasifik,  Amerika,  Afrika,  dan Karibia  (Candra,  2019).  Munculnya  kejadian  DBD  dikarenakan  penyebab  majemuk, artinya  munculnya  kesakitan  karena  berbagai  faktor  yang  saling  berinteraksi, diantaranya agen (virus dengue ), host yang rentan serta lingkungan yang memungkinan tumbuh dan berkembang biaknya nyamuk Aedes aegypti (Candra, 2010).
Benzothiazepine adalah  senyawa  heterosiklik  lingkar  tujuh  yang  mengandung nitrogen dan sulfur (Vyawahare et al., 2010). Senyawa 1,5- benzothiazepine merupakan senyawa bioaktif yang memiliki aktivitas biologis seperti antimikroba (Gaikwad et al ., 2013),  agen  antikonvulsan  (Garg et  al .,  2010),  penghambat Plasmodium  Falciparum sitokrom bc 1 (Dong et al., 2011), anti-HIV (Santo, 2005), dan antikanker (Ameta et al.,
2013).  Senyawa-senyawa 1,5-benzothiazepine dapat  disintesis  dengan  menggunakan senyawa analog kalkon dan 2-aminothiopene sebagai senyawa awal (starting materials) (Yaeghoobi, 2016).
Molecular  docking adalah  prosedur  komputasional  yang  dapat  digunakan  untuk memprediksi  ikatan  kimia  dari  makromolekul  (reseptor)  dengan  sebuah  molekul  kecil (ligan) secara efisien menggunakan struktunya melalui simulasi moleculer docking. Tujuan dilakukannya  penambatan  ( docking )  adalah  untuk  mengetahui  konformasi  dan  energi bebas ikatan yang terlibat dalam interaksi antara reseptor dan ligan (Trott & Olson, 2009).
Tujuan dari penelitian ini yaitu untuk mengetahui potensi dari 12 senyawa 1,5- benzothiazepine yang  telah disintesis oleh Yaeghoobi (2012) sebagai inhibitor NS2B/ NS3 Protease virus dengue-2 dengan menggunakan studi molecular docking serta mengamati interaksi  antara  senyawa  1,5- benzothiazepine dengan  reseptor  NS2B/  NS3  Protease. Untuk kemudian dapat dijadikan sebagai acuan dalam mendesain inhibitor NS2B/ NS3 Protease virus dengue-2 .
Molecular  docking pada  penelitian  ini  menggunakan  komputer  LG  Intel(R)  Core (TM) i7- 8700 CPU, 3.20 GHz, dengan RAM 16,0 GB. Program yang digunakan adalah ChemDraw  Professional 15.0,  MOE  2019.0101  ( Molecular  Operating  Environment ) Chemical Computing Group , dan Operating System Windows 10, struktur protein target 2FOM  oleh  Schiering et  al (2006)  dalam  format  PDB,  struktur  ligan  yang  digunakan adalah  12  senyawa  1,5- benzothiazepine turunan  kalkon  yang  telah  disintesis  oleh Yaeghoobi (2012) dan panduratin A sebagai kontrol positif.

## METODOLOGI PENELITIAN

## Preparasi ligan
Struktur  12  ligan  dan  kontrol  positif  (panduratin  A)  digambarkan  menggunakan ChemDraw dan disimpan dalam format .cdx. Dapat dilihat seperti pada Tabel 1.
Tabel 1. Struktur 12 Senyawa 1,5- Benzothiazepine dan Kontrol Positif (Panduratin A)
Kode Struktur Kode Struktur
MA 1
MA 2
MA 3 MA 4 MA 5 MA 6 MA 7 MA 8 MA 9 MA 10 MA 11 MA 12
S N S N OH OCH 3 S N OH O O S N OH CH 3 S N OH Cl S N OH F S N OH OCH 3 OCH 3 H 3 CO N S H 3 CO S N Cl H 3 C S N F H 3 C S N Cl H 2 N Cl
Pandu- ratin A

## Preparasi Protein
Struktur  3D  protein  2FOM  didownload  melalui  situs www.rcsb.org/pdb dalam format .pdb.

## Simulasi Docking
Proses simulasi molecular docking dilakukan dengan menggunakan software MOE 2019 pada ligan dan protein 2FOM yang telah dipreparasi.

## Analisis Data
Energi  bebas  ikatan  dan  nilai  RMSD  dapat  dilihat  berupa  output  dalam  format database MOE (.mdb). Selain itu, interaksi ligan dari fitur MOE dapat digunakan untuk melihat interaksi antara ligan uji dengan residu asam amino pada enzim target. Hal ini dimungkinkan untuk mengidentifikasi gugus fungsi mana dari ligan yang akan mengikat asam amino pada sisi aktif enzim.
Metode penelitian dapat memuat alat dan bahan penelitian (beserta produsen zat), serta  jalannya  penelitian  atau  cara  kerja.  Jika  memungkinkan  uraikan  secara  lengkap cara memperoleh data, mengolah data menginterpretasikan data.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Docking dapat mengidentifikasi suatu senyawa baru untuk kepentingan dalam bidang terapeutik, memungkinkan untuk memprediksi interaksi antara protein target dan ligan pada  tingkat  molekuler,serta  menggambarkan  hubungan  antara  struktur-aktivitas. Pemanfaatan  studi molecular  docking memungkinkan  dalam  mengurangi  biaya  dan meningkatkan peluang untuk menemukan kandidat obat baru yang diinginkan, sehingga penemuan  obat  baru  dapat  dilakukan  lebih  efisien  (Pinzi et  al ,  2019).  Tahapan  yang dilakukan pada penelitian ini dimulai dari pemilihan protein sebagai reseptor target dan ligan sebagai senyawa yang akan ditambatkan  pada protein tersebut. Untuk struktur ligan 1,5- benzothiazepine dan kontrol positif (panduratin A) dari ChemDraw di copy paste pada program  MOE  untuk  kemudian  dibuat  database  baru.  Sedangkan,  pengambilan kristalografi  protein  3D  telah  tersedia  pada  situs  www.rcsb.org/pdb  dalam  format  PDB. Kristalografi protein 2FOM dilakukan pelepasan ligan asal yang menempel pada struktur protein. Tujuannya adalah agar senyawa uji (1,5- benzothiazepine ) dapat tertambat tepat
pada  sisi  aktif  reseptor  NS2B/  NS3  Protease  DENV-2.  Tahap  awal  dilakukan  preparasi protein yakni dilakukan penghilangan molekul air (H 2 O) yang bertujuan untuk menyisakan asam  amino  pada  protein  target  sehingga  saat  proses docking yang  berinteraksi  hanya senyawa uji dengan asam amino (Huey et al ., 2012). Molekul air harus dihilangkan agar dapat memaksimalkan interaksi antara senyawa uji dengan protein target (Kitchen et al ., 2004).  Pada  umumnya  interaksi  yang  terjadi  antara  ligan  dan  reseptor  adalah  berupa ikatan hidrogen sehingga perlu dilakukan penambahan hidrogen untuk mengoptimisasi interaksi yang akan terjadi.
Minimisasi  energi  juga  penting  dilakukan  saat  preparasi  protein  terhadap alpha carbon, backbone atoms, dan sidechain atoms hal ini dilakukan untuk menstabilkan ikatan pada  protein.  Pada  proses  ini  dilakukan  optimasi  dengan  pengulangan  (iterasi) docking sebanyak 10 kali yang memungkinkan untuk memperoleh nilai RMSD sekecil mungkin. Semakin  banyak  pengulangan  semakin  mungkin  diperoleh  nilai  RMSD  paling  kecil (Rachmania, 2019).
Tabel 2. Hasil Docking Senyawa 1,5- Benzothiazepine dan Kontrol Positif (Panduratin A).
Parameter Kode Energi Bebas Ikatan (kcal/ mol) Nilai RMSD Kecocokan Asam Amino dengan Suramin* Ikatan Hidrogen Ikatan Van der Waals Ikatan Hidro- fobik MA1 -4,3365 0,7577 Thr120, Lys73, Asn167, Lys74 - Asp71, Asn167 Lys74 MA2 -4,5410 0,8316 Ile123, Lys73, Lys74, Asn167, Thr120, Asn152 Lys73 Asn167 Lys74 MA3 -5,0003 2,3234 Lys74 Lys74 Glu88, Glu86 Lys74 MA4 -4,7138 1,686 Lys74 Leu85, Glu86  Glu88, Glu86 Lys74 MA5 -5,3074 1,4690  Lys74, Asn167 - Asn167, Glu88, Glu86 Lys74 MA6 -4,6509 1,2831 Val72 Gly55 - Arg54 MA7 -4,8563 1,7170 Lys73, Thr120, Asn167, Ile123, Asp75, Val154, Lys74, Asn152 - Asp75, Asn167 Lys74 MA8 -5,2402 1,6448  Lys74, Asn167 - Asn167, Glu86, Glu88 Lys74, Lys84
MA9 -5,0950 2,1071 Asn167, Thr120, Ile123, Lys73, Lys74, Val154, Asn152 Gly121, Thr118 Asn167 Lys74 MA10 -5,0142 2,0171 Thr120, Ile123, Asn167, Val154, Asp75, Lys74, Lys73, Val72, Asn152 - Asn167,As p71, Asp75 Lys74 MA11 -4,9782 1,0758 Ile123, Thr120, Asn167, Val154, Asp75, Val72, Lys73, Lys74, Asn152 - Asp75, Asp7, Asn 167 Lys74 MA12 -4,9778 0.9083 Thr120, Val154, Lys74, Asn167, Ile123, Lys73, Val72, Asp75, Asn152 Val154 Asp75, Asn167 Lys74 Panduratin A -5,1678 1,2494 Asn167,Asn152 , Val154, Lys74, Lys73, Asp75, Val72, Thr120, Ile123, Ala162 Val154 Asn16, Asp75 Lys74 Ligan Asal  -3,7038 0.9450 Ile76, Leu74, Asp58, Arg60, Ser75, Arg55 - Asp58 Arg55, Arg60 Parameter yang digunakan untuk menganalisa hasil docking diantaranya yaitu Root Mean Square Deviation (RMSD), metode docking dikatakan valid jika memiliki nilai RMSD ≤ 2 Å (Muttaqin dkk, 2019). Nilai RMSD menjelaskan nilai penyimpangan dari kesalahan yang  terjadi  saat  melakukan docking .  Semakin  kecil  nilai  RMSD  menunjukkan  bahwa penyimpangan  kesalahan  dalam  melakukan docking kecil.  Untuk  energi  bebas  ikatan berguna untuk menggambarkan bagaimana pengikatan ligan uji terhadap reseptor. Jika semakin rendah nilai energi bebas ikatannya, maka ikatan ligan dengan reseptor akan semakin stabil (Pebriana et al, 2012).
Ikatan yang mungkin terbentuk, seperti ikatan hidrogen ikatan Van der Waals, dan ikatan  hidrofobik  juga  diperhatikan  sebagai  parameter  untuk  membantu  mengetahui hubungan  struktur  dengan  aktivitas.  Ikatan  hidrogen  merupakan  ikatan  yang  kuat dibandingkan dengan ikatan Van der Waals. Hal ini disebabkan karena ikatan hidrogen dapat  terbentuk  meskipun  jarak  antara  ligan  dan  reseptor  cukup  jauh  (Lodish et  al ., 2000).  Interaksi  hidrofobik  juga  berperan  dalam  menentukan  stabilitas  ligan  terhadap reseptor.  Pembentukan  ikatan  hidrofobik  meminimalkan  interaksi  residu  nonpolar dengan air. (Lins & Brasseur, 1995).
(a) (b) (c) (d)
(e) Gambar 1. Ligand Interactions (a) MA10 , (b) MA11 , (c) MA12 , (d) Panduratin A dan (e) Ligan Asal
Senyawa  MA10,  MA11,  dan  MA12  memiliki  nilai  energi  bebas  ikatan  yang  lebih rendah  dibandingkan  dengan  senyawa  uji  lainnya.  Semakin  kecil  (negatif)  nilai  energi bebas ikatan, maka energi yang diperlukan untuk interaksi ligan-protein semakin kecil sehingga ikatan ligan dan protein menjadi lebih stabil (Pebriana et al, 2012). Pada ketiga senyawa tersebut menunjukkan jumlah kecocokan terbanyak yakni  dari beberapa residu asam amino yang sama dengan kontrol positif (panduratin A). Namun, ikatan  hidrogen terbentuk  hanya  pada  senyawa  MA12  sebanyak  satu  ikatan.  Semakin  banyak  ikatan hidrogen yang terbentuk diprediksi dapat meningkatkan aktivitas ligan sebagai inhibitor NS2B/NS3 protease DENV-2.
(a) (b)
Gambar 2. Superimposed MA10 (merah), MA11 (kuning), dan MA12 (hijau) (b) MA10, MA11, MA12 dan kontrol positif (biru ) menggunakan DSV
Senyawa MA10, MA11, dan MA12 yang diprediksi aktif sebagai inhibitor NS2B/NS3 protease DENV-2 diamati spatial arrangement -nya dengan menggunakan Discovery Studio
Visualizer (DSV). Superimposition juga menggambarkan bentuk pose struktur ligan yang paling  baik,  dilihat  dari  senyawa  yang  saling  berhimpitan  antara  senyawa  uji  dengan senyawa pembanding. Dari hasil superimposed didapatkan bahwa senyawa MA10, MA11, dan MA12 memiliki konformasi yang sesuai dengan ligan asal pada protein 2FOM seperti pada Gambar 2. Pada gambar tersebut senyawa MA10, MA11, dan MA12 menunjukkan adanya spesifisitas pada residu asam amino Val 154 melalui ikatan hidrogen, pada residu asam amino Lys 74 melalui ikatan hidrofobik dan Asn167, Asp71, Asp75 melalui ikatan pada residu asam amino Van der Waals.  Dengan demikian senyawa MA10, MA11, dan MA12  dapat  menghambat  NS2B/NS3  protease  DENV-2  dengan  mekanisme  yang  sama seperti kontrol positif.

## KESIMPULAN
Senyawa  MA10,  MA11,  dan  MA12  telah  memenuhi  semua  parameter  uji  yang diharapkan,  selain  itu  juga  memiliki  jumlah  kecocokan  asam  amino  terhadap  kontrol positif yang lebih banyak dan nilai energi bebas ikatan MA12 paling rendah dibandingkan dengan senyawa lainnya. Pada pengujian spatial arrangement dengan menggunakan DSV diperoleh bahwa MA10, MA11, dan MA12 memiliki kesamaan model ikatan dengan ligan asal  protein  pada  struktur  kristalografi  NS2B/NS3  protease  DENV-2.  Sehingga  ketiga senyawa ini diestimasi memiliki aktivitas sebagai inhibitor NS2B/NS3 protease DENV-2.

## DAFTAR PUSTAKA
Ameta, K. L., Rathore, N. S., & Kumar, B. 2013. Synthesis And Preliminary Evaluation Of Novel  1,  5- benzothiazepine Derivatives  as  Anti-Lung  Cancer  Agents. Int. J. Pharm , 3(2), 328-333.
Candra, A. 2010. Demam Berdarah Dengue: Epidemiologi, Patogenesis, dan Faktor Risiko Penularan. ASPIRATOR-Journal of Vector-borne Disease Studies , 2(2).
Candra,  A.  2019. Asupan  Gizi  dan  Penyakit  Demam  Berdarah/Dengue  Hemoragic  Fever (DHF) . JNH (Journal of Nutrition and Health), 7(2), 23-31.
Gaikwad, S. 2013. Synthesis and Antimicrobial Study of Novel 2,3-diydro-4-(naphtho [2,1- b]furan-2yl)-2-substitued [1,5]benzothiazepines. Journal of Chemical, Biological and Physical Sciences . 3(2): 936-940.
Garg, N., Trilok, C., Archana., Amit, B.J., and Ashok, K. 2010. Synthesis and Evaluation of  Some  New  Substituted  Benzothiazepine  and  Benzoxazepine  Derivatives  as Anticonvulsant Agents. European Journal of Medicinal Chemistry . 45: 1529–1535.
Hardani, M., Ramadhian, M. R., & Wahyudo, R. 2018. DENV-5: Ancaman Serotipe Baru Virus Dengue. Majority .
Huey, R., Morris, G. M., dan Forli, S. 2012. Using AutoDock 4 and AutoDock Vina with AutoDockTools: A Tutorial. The Scripps Research Institute. California.
Kitchen, D. B., Decornez, H., Furr, J. R., dan Bajorath, J. 2004. Docking and Scoring in Virtual  Screening  in  Drug  Discovery,  Methods  and  Applications. Nat.  Rev.  Drug Discov , 3: 935-949.
Lins L, Brasseur R. 1995. The Hydrophobic Effect in Protein Folding. Faseb J . 9: 535-540.
Lodish,  H.,  Berk,  A.,  Zipursky,  S.,  Matsudaira,  P.,  Baltimore,  D.,  &  Darnell,  J.  (2000). Mollecular Cell Biology 4 th Edition . W.H Freeman Company . New York.
Muttaqin,  F.  Z.  2019.  Studi  Molecular  Docking,  Molecular  Dynamic,  Dan  Prediksi Toksisitas  Senyawa  Turunan  Alkaloid  Naftiridin  sebagai  Inhibitor  Protein  Kasein Kinase 2- Α pada Kanker Leukemia. Pharmacoscript , 2(2), 131-151.
Pebriana, R. B., Romadhon, A. F., Yunianto, A., Rokhman, M. R., Fitriyah, N. Q., Jenie, R. I., & Meiyanto, E. 2012. Docking Kurkumin Dan Senyawa Analognya Pada Reseptor Progesteron: Studi Interaksinya Sebagai Selective Progesterone Receptor Modulators (SPRMs) . Fakultas Farmasi Universitas Gajah Mada . Yogyakarta.
Pinzi,  L.,  &  Rastelli,  G.  2019.  Molecular  Docking:  Shifting  Paradigms  in  Drug Discovery. International Journal of Molecular Sciences , 20 (18), 4331.
Rachmania,  R.  A.  Validasi  Protokol  Skrining  Virtual  dan  Analisis  Interaksi  Inhibitor Antiproliferasi  Sel  Kanker  Berbasis  Bahan  Alam  Terhadap  Reseptor  Cyclin- Dependent Kinase 4 (CDK 4). Media Farmasi: Jurnal Ilmu Farmasi , 16(1), 21-40.
Schneider, G., & Baringhaus, K. H. 2008. Molecular Design: Concepts and Applications. John Wiley & Sons.
Sudoyo AW, Setiyohadi B, Alwi I, Simadibrata M, Setiati S. 2009. Buku Ajar Ilmu Penyakit Dalam Jilid II Edisi 5 . Jakarta : Interna Publishing.
Trott, O. and Olson, A, J. 2009. AutoDock Vina : Improving The Speed and Accuracy of Docking with A New Scoring Function, Efficient Optimization, and Multithreading. Computational Chemistry. 31: 455-461.
Vyawahare, D., Ghodke, M. and Nikalje, A.P. 2010. Green synthesis and pharmacological screening  of  novel  1,5-Benzothiazepines  as  CNS  agents. International  Journal  of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences , 2(2): 27–29.
Yaeghoobi, M. 2012. Synthesis of Chalcone-Based Six and Seven Membered Heterocyclic Compounds and Their Biological Activities Againt H1N1 Virus. Thesis. Faculty of Science. University of Malaya. Kuala Lumpur.
Yaeghoobi, M. 2016. Synthesis of Chalcone-Based Six and Seven Membered Heterocyclic Compounds  and  Their  Biological  Activities  Againt  H1N1  Virus. Thesis . Faculty  of Science. Kuala Lumpur: University of Malaya.