PROGRAM KOMPUTER UNTUK MEMBANTU PENENTUAN STRUKTUR KIMIA BIOAKTIP BERDASAR DATA NMR
L.Broto Sugeng Kardono*, Utaja**
ABSTRAK
PROGRAM KOMPUTER UNTUK MEMBANTU PENENTUAN STRUKTUR KIMIA BIOAKTIP BERDASAR DATA NMR. Setiap molekul organik termasuk senyawa bioaktip bahan alam
dengan struktur kimia tertentu membawa sifat spesifik yang dicirikan oleh banyaknya serta harga nilai (data) pergeseran kimia 1H- dan 13C- NMR. Di negara maju, sampai saat ini banyak program struktur kimia yang ada dan juga didasarkan pada data NMR tersebut, dan banyaknya puncak dan harga/data NMR mencapai jumlah yang cukup besar, namun khusus yang dibuat terutama untuk bahan alam Indonesia, sejauh pengetahuan kami belum ada. Penentuan jenis struktur kimia bioaktip hasil penelitian para peneliti di Indonesia untuk penentuan strukturnya, pada umumnya masih mengalami kesulitan bila dilakukan secara manual berdasarkan teori NMR dan spektroskopi pada umumnya serta perbandingan data yang dikumpulkan dari data pustaka yang telah diterbitkan baik dari data dalam jurnal-jurnal ilmiah atau data pustaka lainnya. Untuk itu dikembangkan sebuah program komputer untuk penentuan struktur molekul senyawa suatu bioaktip bahan alam Indonesia berdasar data NMR di P3KT-LIPI, Program for Life Sciences. Penentuan ini dilakukan dengan cara membandingkan harga NMR struktur kimia senyawa bioaktip yang sedang diteliti dengan harga NMR bioaktip yang sudah diketahui hasil kompilasi data dari pustaka maupun pengukuran langsung dari NMR 400 MHz, dan hasil interpretasi strukturnya setelah dievaluasi secara benar melalui peer reviewed terpilih. Dengan membandingkan harga NMR tersebut, formula dan struktur molekul suatu senyawa bioaktip yang diteliti akan dapat diketahui. Dengan data yang diinput dalam program ini dapat ditunjukan jenis, berat dan gambar formula serta struktur molekul dengan lebih cepat. Dapat disimpulkan bahwa program komputer yang dikembangkan dapat membantu penentuan struktur molekul dan jenis suatu senyawa bioaktip bahan alam Indonesia.
ABSTRACT
COMPUTER PROGRAM FOR ASSISTING DETERMINATION OF BIOACTIVE CHEMICAL STRUCTURES BASED ON NMR DATA. Any organic molecule includes natural
products bioactive constituent having a certain chemical structure, bears a specific character based on 1 H-and 13C- NMR chemical shift data. In developed countries, there are many existing computer programs for structure determination base on a huge number of 1H- and 13C- NMR chemical shift data, however, to best our knowledge, so far, there is not any computer program prepared by Indonesian researchers, especially for Indonesian natural products. Chemical structures determination of bioactive constituents from the work of Indonesian researchers usually facing some difficulties if being done manually based on NMR theory in particular and spectroscopy theory in general, as well as, based on comparison to compiled published values data references from scientific journals and other publications. For this purpose, a computer program for assisting the bioactive molecule structure de termination from Indonesian natural products based on NMR data compilation at the Program for Life Sciences, Research and Development Center for Applied Chemistry, Indonesian Institute of Sciences. The molecule structure
* P3KT-LIPI Kawasan Puspiptek Serpong ** Pusat Pengembangan Perangkat Nuklir - BATAN
determination is judged by comparison of NMR chemical shift values of the bioactive molecules being investigated to published values compiled from the references or direct measurement from our NMR 400 MHz, and from the data interpretation results after having been evaluated by selected peer reviewed. By comparing the NMR data, the molecule formula and structure of a bioactive molecule under investigation will be identified. With the data input to this program, the type, molecular weight and structure can be proposed faster. In conclusion, this computer program being developed, will assist us in structure determination of bioactive Indonesian natural products.
PENDAHULUAN
Metabolit sekunder bahan alam obat ditentukan oleh molekul aktip atau kandungan senyawa kimia dengan struktur molekul tertentu dalam bahan alam tersebut. Salah satu hal yang penting dalam penelitian senyawa bioaktif bahan alam Indonesia, adalah menentukan struktur molekul senyawa bioaktip yang ada dalam bahan alam tersebut. Jenis struktur senyawa bioaktip atau senyawa yang dapat berinteraksi dengan salah satu bagian atau seluruh bagian suatu makhluk hidup, dapat dicirikan berdasarkan besar dan banyaknya puncak resonansi dan harga NMR. Sampai saat ini jenis bioaktip yang sudah diketahui berdasarkan harga NMR yang dimiliki, mencapai jumlah yang sangat banyak. Salah satu penentuan jenis bioaktip dilakukan dengan membandingkan harga NMR hasil penelitian dengan data NMR dari sejumlah besar molekul senyawa bioaktip yang sudah diketahui atau diteliti oleh para peneliti bidang ini di seluruh dunia. Apabila penentuan struktur molekul ini dilakukan secara manual meskipun sangat tergantung pada kemampuan individu masing-masing peneliti, biasanya struktur molekul organik tersebut tidak secara mudah dapat ditentukan dan memakan banyak waktu serta melelahkan. Untuk itu penentuan struktur molekul senyawa bioaktip berdasar data NMR yang ada supaya bisa lebih cepat dan tepat dilakukan dengan bantuan program komputer yang kita kembangkan dan kita sajikan dalam kesempatan ini. Program semacam ini, belum pernah dikembangkan di Indonesia, meskipun program serupa telah dikembangkan di negara maju, untuk struktur molekul senyawa organik pada umumnya. Untuk keperluan ini terlebih dahulu dikembangkan sebuah data base yang memuat data harga dan puncak NMR dari sejumlah besar struktur molekul yang sudah diketahui atau diterbitkan dalam pustaka ilmiah, baik primer dan sekunder. Data base inilah yang dipakai sebagai pembanding untuk penentuan struktur molekul jenis bioaktip yang sedang diteliti. Dengan program komputer ini diharapkan penentuan jenis suatu bioaktip akan lebih cepat dan lebih mudah, disamping mempermudah dalam penentuan struktur molekul organik yang baru.
METODOLOGI DAN ALGORITMA PENENTUAN STRUKTUR MOLEKUL
Semua senyawa organik metabolit bahan alam baik yang bersifat bioaktif maupun tidak memiliki ciri NMR, baik 1H- dan 13C- NMR yang dinyatakan oleh banyaknya puncak resonans dan harga pergeseran kimia NMR yang dimiliki.
Gambar 1. Salah satu contoh struktur molekul beserta harga pergeseran NMR Hal ini dapat dilihat pada Gambar 1 berikut. Pada gambar 1 terlihat salah satu contoh struktur molekul senyawa organik beserta sejumlah harga pergeseran kimia 13 C-NMR nya. Pada Gambar 1 setiap atom karbon pada molekul mempunyai harga puncak atau pergeseran kimia NMR yang tergantung pada posisi atom karbon di dalam struktur molekul tersebut. Posisi atom karbon memberikan kondisi spesifik yang mengakibatkan setiap atom karbon pada molekul organik mempunyai harga puncak atau pergeseran kimia NMR yang spesifik pula. Sifat tersebut yang akan membedakan molekul satu dengan molekul lain. Banyaknya puncak serta harga NMR inilah yang dipakai sebagai dasar penentuan suatu molekul.
Algoritma penentuan jenis suatu bioaktip dapat diikuti pada langkah berikut. 1. Ditentukan lebih dahulu banyaknya puncak atau pergeseran kimia NMR dari
senyawa yang sedang diteliti. Harga ini didapat dari penelitian dengan alat NMR. 2. Dari data base dicari struktur molekul yang memiliki jumlah puncak yang sama
dengan jumlah puncak struktur molekul yang diteliti.
3. Bila ditemukan bioaktip dengan jumlah puncak yang sama, dilakukan pelacakan berikut.
a. Setiap harga NMR bioaktip yang diteliti dibandingkan dengan harga NMR dari struktur molekul dalam data base.
b. Harga dianggap sama bila memiliki perbedaan lebih kecil dari yang telah ditetapkan.
∆ NMR <= ∆NMR ditetapkan dimana :
∆ NMR = | NMR1 – NMRo |
NMR1 = harga puncak NMR bioaktip yang diteliti NMRo = harga puncak NMR bioaktip data base
c. Pembandingan pada langkah a dan b dilakukan untuk seluruh harga puncak NMR
4. Bila banyaknya harga puncak NMR yang sama memenuhi prosentase yang di tentukan, maka jenis bioaktip dari data base menjadi calon yang akan diamati lebih lanjut.
5. Langkah 2 sampai 4 dilakukan pada seluruh molekul yang ada pada data base. Dari langkah 1 sampai langkah 5, akan didapat sejumlah struktur molekul yang memenuhi persyaratan untuk dianggap sama. Selanjutnya dilakukan pengamatan pada harga di setiap puncak NMR, dan pengamatan gambar struktur molekul.
Gambar struktur molekul akan memperlihatkan bentuk molekul, posisi atom, serta harga puncak NMR di setiap posisi atom karbon. Selain itu akan ditunjukkan pula berat molekul dan prosentase kesamaan. Berdasarkan informasi tersebut dilakukan interpretasi jenis dan struktur molekul yang diteliti.
PROGRAM KOMPUTER
Pada Gambar 2 dapat dilihat alur logika (flow chart) dari program. Dimulai dengan menentukan banyaknya puncak dan harga NMR (dapat dilakukan dari file atau dengan memasukkan langsung), program diarahkan untuk membaca file data base. Selanjutnya dibaca apakah banyaknya puncak struktur senyawa yang diteliti sama dengan banyaknya puncak struktur senyawa dalam data base. Bila banyaknya puncak tidak sama, dilakukan pembacaan data base berikutnya. Tetapi bila banyaknya puncak sama, dilakukan pembandingan harga NMR dari bioaktip yang diselidiki dengan harga NMR bioaktip data base dan menentukan prosentase data yang sama. Bila prosentase data yang sama lebih besar dari ketentuan, struktur molekul senyawa bioaktip yang diteliti dicalonkan untuk pengamatan berikutnya. Langkah di atas diulang hingga meliputi seluruh isi data base.
Selanjutnya dilakukan pengamatan pada struktur molekul yang prosentase kesa maan data memenuhi ketentuan. Pengamatan meliputi pembacaan berat molekul , data harga puncak atau pergeseran kimia NMR serta gambar struktur molekul.
Dari pengamatan tersebut dapat dilakukan interpretasi struktur molekul mana yang cocok dengan data masukan. Bila tidak ada nama yang cocok, berarti struktur molekul senyawa bioaktip yang diteliti belum ada dalam data kompilasi data base (dalam library data base tersebut) atau mungkin merupakan senyawa baru.
UNJUK KERJA DAN TAMPILAN PROGRAM.
Data base senyawa bioaktip yang tersedia meliputi nama molekul yang berstruktur kimia tertentu berdasarkan publikasinya, data NMR, berat molekul dan struktur molekul yang berupa gambar. Dengan data base tersebut dapat dilakukan pelacakan struktur molekul yang sedang diteliti, berdasar data NMR yang dimiliki. Lama pelacakan suatu struktur molekul tergantung pada banyaknya data NMR, seperti terlihat pada Tabel 1 berikut.
Tabel 1. Lama pelacakan berdasar banyaknya data NMR komputer Pentium I, 133 MHz
Banyaknya data NMR Lama Pelacakan (detik)
11 1.43
14 1.433
16 1.48
20 2.136
22 2.14
Tabel 1 merupakan hubungan antara banyaknya data NMR dengan lama pelacakan. Dalam hal ini data base untuk pelacakan sebanyak 2000 buah. Pada akhir pelacakan akan ditampilkan struktur molekul yang memenuhi ketentuan, prosentase data yang sama, rumus molekul dan berat molekul. Ini dapat dilihat pada bidang B. Gambar 3. Selanjutnya data NMR senyawa yang memenuhi ketentuan dapat ditampilkan pada bidang G, sedangkan gambar struktur molekul dapat dilihat pada bidang F. Gambar struktur di bidang F dapat diperbesar dengan perintah yang ada di bidang E. Selain struktur molekul, di ruang F ditampilkan juga harga NMR pada atom karbon. Bila hasil yang didapat pada penelitian, tidak memiliki kemiripan dengan salah satu struktur molekul data base, maka akan ditampilkan pemberitahuan bahwa senyawa yang diteliti, belum dikenal oleh data base. Untuk itu diperlukan penelitian lebih lanjut tentang struktur molekul serta sifat lainnya.
Gambar 3. Tampilan program
Keterangan :
A = ruang untuk menampilkan data NMR hasil penelitian
B = ruang untuk menampilkan nama bioaktip yang memenuhi ketentuan C = ruang untuk memasukkan data NMR
D = ruang untuk kendali data
E = ruang untuk penanganan file masukan dan gambar F = ruang untuk menampilkan gambar struktur molekul G = ruang untuk menampilkan data NMR dari data base
KESIMPULAN
Program komputer ini sangat membantu penelitian di bidang kimia, khususnya kimia farmasi dalam menentukan struktur suatu molekul aktif. Dengan program komputer ini penentuan suatu molekul aktif ataupun penemuan molekul aktif baru makin dipermudah dan dipercepat.
UCAPAN TERIMA KASIH
Kami sampaikan terima kasih kepada John D. dan Catherine T. Mac Arthur Foundation, Chicago. Illionis, U.S.A. atas dukungannya pada proyek ini, dan juga terima kasih kepada Sdr. Ahmad Darmawan atas bantuan pemasukan data.
DAFTAR PUSTAKA
1. PETROUTSOS, E., ”Visual Basic 5”, SYBEX Inc. San Fransisco, USA, (1997) 2. KARDONO, L.B.S., “Structure Elucidation of Bioactive Constituents of
Indonesian Medicinal Plants”, Ph.D.Tthesis, University of Illinois, Chicago, (1992)
3. KALINOWSKI, H.O., BERGER, S., and BROWN, S., “Carbon-13 NMR Spectroscopy”, Becconsal, J.K. (Engl. Transl.), John Wiley and Sons, New York, (1988)
DISKUSI
ARKO
1. Dalam penentuan struktur kimia suatu bioaktif, apakah program Anda berfungsi sebagai program database (look-up table) atau ada rumus dan perhitungan yang kompleks?
2. Benarkah bahwa kinerja program Anda menjadi lebih jelek bila data yang sudah dimasukkan jumlahnya besar?
L. BROTO SUGENG K.
1. Sebagai program database (look-up table); tidak ada rumus yang kompleks dan perhitungan dilakukan oleh penelitinya.
2. Kalau kinerja lebih jelek tidak, akan tetapi kalau menjadi lebih lama karena jumlah yang dibandingkan lebih banyak.
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
1. Nama : L. BROTO SUGENG K.
2. Tempat/Tanggal Lahir : Yogyakarta, 12 Nopember 1956
3. Instansi : Puslitbang Kimia Terapan - LIPI
4. Pekerjaan / Jabatan : Life Sciences Program Manager 5. Riwayat Pendidikan : (setelah SMA sampai sekarang)
• ITB, Jurusan Farmasi (1980) (S1)
• ITB, Apoteker (1981)
6. Pengalaman Kerja :
• 1982 – 1986 : Puslitbang Kimia Terapan - LIPI Bandung
• 1987 – 1992 : Universitas Illinois, Chicago-USA
• 1993 – sekarang : Puslitbang Kimia Terapan - LIPI, Puspiptek Serpong 7. Organisasi Professional :
• Himpunan Kimia Indonesia
• American Chemical Society
