Mengenal Rekayasa Protein

Aplikasi bioteknologi yang melibatkan aktivitas biologis protein kini sudah menjadi tren pada berbagai produk yang digunakan dalam kehidupan manusia. Sebutlah penggunaan detergen sabun pembersih, pengembang roti, pembuatan keju, bahkan obat-obatan, semua tidak lepas dari pemanfaatan protein. Bahkan, tubuh kita pun merupakan salah satu ‘pabrik raksasa’ penghasil protein, yang bekerja sinergis satu sama lain.

Selain murah dan lazim di alam, aktivitas biologis protein sangat spesifik dan dapat meningkatkan efisiensi suatu proses secara signifikan. Hanya saja, secara kimiawi atau dalam aplikasinya, produk-produk tersebut sering memiliki atau membutuhkan kondisi lingkungan fisik serta kimiawi spesifik yang ekstrem. Kondisi ini dapat merusak protein sehingga aktivitas biologis menjadi hilang. Kondisi-kondisi ekstrem itu antara lain tingkat keasaman atau kebasaan yang tinggi atau suhu yang sangat rendah atau tinggi.

Rekayasa protein (protein engineering), yang diperkenalkan oleh Kevin M Ulmer (Ulmer, 1983), merupakan metode pengembangan protein dengan cara mendesain struktur protein sehingga mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan. Sifat-sifat yang diinginkan adalah berupa kemampuan protein-protein tersebut bekerja secara optimal pada kondisi ekstrem yang telah disebutkan. Sejauh ini, rekayasa molekul protein dilakukan dengan dua pendekatan, yaitu pendekatan pada level genetika dan pendekatan pada level protein.

Pendekatan pada level genetika

Ketika Francis Crick berteriak, “We have found the secret of life,” yang berhubungan dengan penemuan struktur DNA (Crick and Watson, 1953), saat itu telah terjadi suatu revolusi dalam perkembangan ilmu genetika. Kebanyakan proses rekayasa protein biasanya diawali dari protein yang informasi karakteristik dasarnya, seperti urutan DNA atau asam amino, sudah tersimpan dalam suatu basis data (database). Metode rekayasa protein pada tataran genetika dengan cara mengubah urutan DNA sehingga dengan sendirinya urutan asam amino dari protein akan terekayasa.

Secara garis besar, metode rekayasa protein pada tataran genetika dikelompokkan menjadi desain rasional (rational design) dan evolusi terarah (directed evolution). Metode desain rasionaldifokuskan pada asam amino spesifik yang memiliki peran dalam aktivitas biologisnya. Sementara itu, pada metode evolusi terarah, rekayasa dilakukan secara acak, dan selanjutnya mutan yang memiliki karakteristik yang diinginkan.

Mutagenesis terarah, delesi atau insersi adalah metode-metode yang termasuk kedalam desain rasional. Keuntungan metode desain rasional adalah pada sisi kemudahan dalam menentukan target rekayasa berdasarkan informasi struktur protein disertai perkembangan metode mutagenesis terarah yang sangat cepat sehingga tingkat efisiensi rekayasa dengan metode ini sangat tinggi, baik itu dalam hal waktu, tenaga dan dana (Hasan, 2011). Pendekatan metode ini biasanya diperuntukkan untuk meningkatkan fungsi biologis (seperti meningkatkan kinerja) atau stabilitas molekuler (seperti tahan terhadap suhu/pH ekstrim) dari protein yang direkayasa.

Metode mutagenesis acak atau DNA shuffling adalah metode-metode yang dikategorikan ke dalam evolusi terarah. Metode evolusi terarah ini mengikuti pola evolusi alamiah (natural evolution) yang lazim terjadi di alam. Hanya saja, metode ini akan menghasilkan kombinasi mutan dalam jumlah yang sangat besar sehingga dibutuhkan high-throughput screening (penyeleksian) yang akan memilih mutan yang memiliki karakteristik mutan yang diinginkan. Namun, beberapa tahun belakangan ini ada suatu tren yang cukup masif dalam rekayasa protein dengan cara mendesain protein yang secara teoretis belum eksis di alam atau informasi protein tersebut belum terdapat di dalam database.

Pendekatan pada level protein

Rekayasa pada level protein adalah dengan cara mereaksikan suatu senyawa kimia dengan asam-asam amino tertentu yang reaktif pada protein. Metode ini disebut dengan modifikasi kimia protein. Hasil reaksi ini kemudian membentuk ikatan yang kuat, seperti ikatan ionik atau kovalen, yang selanjutnya merubah karakteristik struktur protein dan juga karakterisik fisik serta kimiawi secara keseluruhan.

Contoh penelitian yang menggunakan modifikasi kimia dalam rekayasa protein adalah yang dilakukan oleh Soemitro dkk. pada 2013 lalu. Kelompok ini merekayasa enzim pendegradasi pati dengan menggunakan berbagai senyawa pemodifikasi, seperti anhidrida asam dan polietilena glikol (PEG) sehingga menghasilkan enzim pendegradasi pati yang memiliki stabilitas lebih dari 10 kali dari enzim yang tidak dimodifikasi.

Dari tulisan singkat di atas, kita memahami proses rekayasa protein bisa terjadi secara alamiah dan tidak alamiah. Hal ini terjadi karena lingkungan yang semakin ekstrim menuntut kondisi protein yang secara fisiologis siap bekerja dan beradaptasi pada kondisi tersebut. Dari keadaan tersebut, rekayasa protein secara in vitro memiliki peran penting dalam mempercepat proses adaptasi tersebut.

Referensi:

  • Crick, F.H.C. and Watson, JD. 1953. Molecular structure of nucleic acids. Nature. 171: 737-738
  • Ismaya, W. T., Hasan, K., Kardi, I., Zainuri, A., Rahmawaty, R. I., Permanahadi, S., El Viera, B. V., Harinanto, G., Ghaffar, S., Natalia, D., Subroto, T., and Soemitro, S. 2013. Chemical Modification of Saccharomycopsis fibuligera R64 α-Amylase to Improve its Stability Against Thermal, Chelator, and Proteolytic Inactivation. Appl. Biochem. Biotechnol. 170: 44-57
  • Hasan, K. 2011. Rekayasa protein: perkembangan dan tantangan. INOVASI online. 19: 6-10
  • Ulmer, K. M. 1983. Protein Engineering. Science. 219: 666-671

Penulis:

Khomaini Hasan, lahir di Jakarta pada 24 Februari 1979. Gelar sarjana kimia (2003)diperoleh dari Universitas Padjadjaran, Bandung dan doktor dalam bidang biokimia (2012) diperoleh dari Masaryk University, Brno, Republik Ceko. Saat ini bekerja sebagai peneliti di Pusat Ilmu Hayati dan Pusat Penelitian Pangan, Kesehatan dan Obat, Institut Teknologi Bandung. Selain sebagai peneliti, bekerja juga sebagai konsultan di STIKes Bani Saleh dan Team Leader untuk Equipment Quality Consultant di Islamic Development Bank.