Prediksi Struktur Mutan Enzim Glukosa Oksidase Aspergillus niger IPBCC.08.610 Untuk Aplikasi Enzymatic Fuel Cell

Abstract

Enzymatic fuel cell (EFC) merupakan perangkat energi terbarukan yang memanfaatkan reaksi enzimatis untuk menghasilkan energi listrik. Enzim digunakan karena memiliki sensitifitas kerja yang tinggi terhadap substratnya. Salah satu enzim yang digunakan dalam perangkat EFC adalah enzim glukosa oksidase (GOD). Enzim ini bekerja mengoksidasi β-D-glukosa menjadi D-glukono-δ-lakton dan hidrogen peroksida. Enzim glukosa oksidase yang digunakan dalam penelitian ini merupakan enzim glukosa oksidase dari Aspergillus niger IPBCC.08.610 (GOD_IPBCC_1CF3). Dalam pengaplikasiannya sebagai EFC, enzim GOD_IPBCC_1CF3 menemui beberapa permasalahan yang harus dihadapi, diantaranya adalah terkait nilai konstanta Michaelis-Menten (Km). Standar nilai Km enzim sebagai EFC adalah sebesar 11-41 μM, sedangkan enzim GOD_IPBCC_1CF3 memiliki nilai Km sebesar 2.9 μM. Untuk menangani permasalahan tersebut, penelitian ini dilakukan untuk meningkatkan nilai Km enzim GOD_IPBCC_1CF3 dengan melakukan prediksi mutasi pada struktur enzim. Tipe mutasi yang dilakukan adalah mutasi tunggal pada dua residu yaitu E412 dan H516. Prediksi mutasi dilakukan menggunakan struktur 3D enzim GOD_IPBCC_1CF3 hasil prediksi yang dilakukan pada penelitian sebelumnya. Berdasarkan hasil analisis molecular docking dan dinamika molekuler 38 struktur mutan enzim GOD_IPBCC_1CF3, diperoleh 11 struktur mutan terpilih dan selanjutnya dianalisis kestabilannya menggunakan simulasi dinamika molekuler untuk mendapatkan struktur mutan yang memiliki kemampuan meningkatkan nilai Km dan juga memiliki kestabilan struktur yang baik. Simulasi dinamika molekuler dalam penelitian ini dilakukan selama 50 ns dengan temperatur 300 K. Hasil analisis menggambarkan dari 11 struktur mutan yang dianalisis terdapat empat struktur mutan yang memiliki stabilitas struktur yang baik, yaitu mutan E412C, E412T, H516E dan H516W. Stabilitas ini dinilai berdasarkan data plot RMSD, RMSF, struktur sekunder dan jembatan garam. Serta hasil analisis energi bebas (free energy) menggunakan metode MMPBSA mengungkapkan dari 11 struktur mutan enzim GOD_IPBCC_1CF3 yang dianalisis terdapat 10 struktur mutan yang diprediksi dapat meningkatkan nilai Km, dan satu struktur sisanya tidak dapat meningkatkan nilai Km enzim GOD_IPBCC_1CF3.

Enzymatic fuel cell (EFC) is a renewable energy device that utilizes enzymatic reactions to produce electrical energy. Enzymes are used because they have a high sensitivity to their substrates. One of the enzymes used in the EFC device is glucose oxidase (GOD). It oxidizes -D-glucose to D-glucono-δ-lactone and hydrogen peroxide. The glucose oxidase enzyme used in this study derived from Aspergillus niger IPBCC.08.610 (GOD_IPBCC_1CF3). In its application as an EFC, the enzyme GOD_IPBCC_1CF3 encountered various problems, including the value of the Michaelis-Menten constant (Km). The standard Km value for the glucose oxidase enzyme to be used as an EFC is to have a Km value of 11-41 M, while for the GOD_IPBCC_1CF3 enzyme it has a Km value of 2.9 M. To overcome this problem, research was carried out to increase the Km value of the GOD_IPBCC_1CF3 enzyme by changing the structure enzyme. The type of mutation carried out was a single mutation in two residues, namely E412 and H516. Mutation prediction was carried out using the 3D structure of the GOD_IPBCC_1CF3 enzyme as predicted in previous studies. Based on the molecular docking analysis and molecular dynamics simulation of 38 GOD_IPBCC_1CF3 mutant structures, 11 selected mutant structures were obtained and then analyzed using molecular dynamics simulations to obtain a mutant structure that can increase the Km value and also has good structural stability. Molecular dynamics simulation in this study was set up at 300 K for 50 ns. The results revealed that out of the 11 mutant structures, four mutant structures (E412C, E412T, H516E and H516W) demonstrated a high stability. This stability was assessed based on plot data of RMSD, RMSF, secondary structure, and salt bridge. Futhermore, the results of free energy analysis using the MMPBSA method showed that 10 mutant structures were predicted to increase the Km value, meanwhile, the remaining one was unable to increase the Km value of the GOD_IPBCC_1CF3 enzyme.