Komputasi Biokimia berhasil mengungkapkan petunjuk molekular terhadap evolusi

Pada 13 September 2008, peneliti dari Universitas negeri Florida (FSU), yang menggunakan super komputer untuk memetakan pekerjaan dari protein mengumumkan, bahwa mereka telah berhasil mengungkapkan mekanisme yang memberikan pemahaman lebih jauh bagaimana evolusi terjadi pada tingkat molekuler.

Pemahaman demikian akan membimbing kita pada pengembangan obat anti parasit yang baru dan lebih efektif. Wei Yang adalah asisten profesor pada Departemen Kimia dan Biokimia FSU dan anggota fakultas pada institut biofisis molekuler milik universitas. Bekerja sama dengan kolega dari FSU, Universitas Duke dan Universitas Brandeis, dia baru-baru ini memproduksi model komputer yang pas dari enzim inosin monofosfat dehidrogenasi, atau IMPDH jika disingkat. IMPDH bertanggung jawab untuk memulai proses metabolik tertentu pada DNA dan RNA, dan mengaktifkan sistim biologis untuk mereproduksi secara cepat.
‘ Dalam mengembankan simulasi IMPDH ini, kami mengamati sesuatu yang belum terlihat sebelumnya,’ demikian kata Yang. ‘Sebelumnya, enzim dipercaya hanya memiliki jalur tunggal untuk mengantarkan agen katalitis pada sel biologis untuk membawa perubahan metabolisme. Namun dengan IMPDH, kami menemukan bahwa ada jalur kedua yang dapat digunakan untuk menyebabkan perubahan kimiawi. Jalur kedua tidak beroperasi dengan efesiensi sebaik yang pertama, namun ia aktif.’
Mengapa enzim tersebut memiliki dua jalur untuk tugas yang sama? Yang dan koleganya yakin bahwa jalur yang lebih lambat adalah peninggalan evolusioner dari enzim yang lebih kuno, yang akhirnya berevolusi menjadi IMPDH di zaman sekarang.
Menurut Yang, penemuan tersebut signifikan karena beberapa alasan.
“Pertama, hal ini membuka mata kita terhadap kerja proses evolusi pada tingkat molekuler,” kata Yang. “Biasanya, jika kita berbicara mengenai evolusi, kita mengacu pada proses adaptasi yang terjadi pada populasi organisme pada periode waktu yang panjang. Penelitian kami mengamati adaptasi tersebut pada tingkatan paling mendasar, yang dapat menolong peneliti untuk mengembangkan gambaran yang lebih jelas mengenai terjadinya evolusi.”
‘ Hal ini juga mewakili langkah maju kedepan pada usaha kami untuk mengembangkan simulasi komputasi pada proses biologis,’ kata Yang. ‘ Pada kasus ini, kami pertama kali membuat prediksi dari struktur enzim dengan komputer, dan kemudian memverifikasinya melalui observasi langsung di laboratorium, dan bukan sebaliknya. Ini adalah hal yang tidak biasa, dan kami kemampuan kami dalam menjawab pertanyaan fungsi biologis secara molekular telah membaik.’
“Karena peran kunci dari IMPDH, ilmuwan telah berfokus dalam mengembangkan obat antiparasit baru yang mentargetkan enzim tersebut,” kata Yang. “Riset kami akan mengkontribusikan ke arah tersebut.”
Joseph Schlenof, ketua Departemen Kimia dan Biokimia FSU memuji metode komputasi Yang sebagai “Sangat kuat karena mampu membuat asumsi dari kompleksitas di dunia nyata. Prediksi akurat mereka adalah sukses yang pantas didapat oleh peneliti komputasi.”
Berkolaborasi dengan Yang pada proyek itu, adalah Gavin J.P Naylor, associate professor pada Departemen komputasi ilmiah FSU; Donghong Min, associate postdoktoral pada Institut Fisika Molekuler; Hongzhi Li, mantan pos-doc pada Institut Fisika Molekuler; Clemens Lakner, asisten riset pada Departemen Biologi; David Swofford, peneliti pada Universitas Duke dan mantan anggota fakultas FSU; Lizbeth Hedstrom, profesor biokimia pada Univeristas Brandeis; dan pos-doc Helen R Josephine dan Iaian S MacPherson, keduanya dari Brandeis.
Para peneliti tersebut secara bersama-sama menulis penemuan mereka pada sebuah paper ‘Atavis Enzimatis diungkapkan pada Jalur ganda selama aktivasi oleh air,’ yang telah dipublikasi pada PLOS Biology, jurnal peer reviewed, dan open access yang dipublikasi oleh Public Library of Service.
Dan Herschlag, profesor biokimia pada Universitas Stanford, menedit paper tersebut untuk PLOS Biology. Dia memuji pendekatan inovatif tersebut.
“Pekerjaan ini mengungkapkan aspek mendasar dari kerja enzim dan evolusinya,” kata Herschlag. “Kajian ini menggabungkan eksperimen dan komputasi pada cara yang baru dan mewakili model untuk menggunakan riset interdisiplin untuk menjawab pertanyaan penting”, tambahnya.