Pengangkutan elektron, proses pembangkitan energi dalam sel hidup yang memungkinkan fotosintesis dan respirasi, ditingkatkan dalam peptida dengan struktur terlipat dan tidak terlipat. Kredit: Moeen Meigooni.
Para peneliti memvalidasi temuan mereka, yang dipublikasikan di PNASmenggunakan kombinasi eksperimen molekul tunggal, simulasi dinamika molekuler, dan mekanika kuantum.
Sebuah studi baru mengungkapkan bahwa peptida dengan struktur terlipat menghantarkan listrik lebih baik daripada peptida yang tidak terlipat. Para peneliti di Beckman Institute menggunakan eksperimen dan simulasi untuk menunjukkan bagaimana struktur ini memengaruhi transpor elektron, yang penting untuk proses seperti fotosintesis dan respirasi. Penemuan ini tidak hanya memperdalam pemahaman kita tentang aliran elektron dalam struktur molekul yang kompleks, tetapi juga membuka kemungkinan baru untuk mengembangkan perangkat elektronik molekuler yang canggih.
Apa yang memberikan peptida struktur elektroniknya? Struktur terlipat, menurut sebuah studi baru di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
Pengangkutan elektron, proses pembangkitan energi dalam sel hidup yang memungkinkan fotosintesis dan respirasi, ditingkatkan dalam peptida dengan struktur terlipat dan tidak terlipat. Peneliti interdisipliner di Beckman Institute for Advanced Science and Technology menggabungkan eksperimen molekul tunggal, simulasi dinamika molekul, dan mekanika kuantum untuk memvalidasi temuan mereka.
“Penemuan ini memberikan wawasan baru tentang bagaimana elektron mengalir melalui peptida dengan struktur yang lebih kompleks dan menawarkan cara baru untuk merancang dan mengembangkan perangkat elektronik molekuler yang lebih efisien,” kata peneliti utama Charles Schroeder, James Economy Professor dalam Ilmu Material dan Teknik di University of Illinois Urbana-Champaign.
Protein terdapat dalam semua sel hidup dan berperan penting dalam aktivitas seluler seperti fotosintesis, respirasi (mengambil oksigen dan melepaskan karbon dioksida), dan kontraksi otot.
Secara kimia, protein adalah rantai panjang Asam amino dirangkai seperti lampu liburan, warna-warna yang berbeda mewakili asam amino yang berbeda seperti triptofan dan glutamin.
Dalam bentuk protein yang paling sederhana (struktur utamanya), asam amino kecut Tali tersebut terletak datar. Akan tetapi, asam amino cenderung bercampur; saat berinteraksi satu sama lain, tali tersebut menjadi kusut, yang menyebabkan keruntuhan struktural yang disebut pelipatan protein (atau struktur sekunder).
Para peneliti menanyakan apakah dan bagaimana struktur protein memengaruhi kemampuannya untuk menghantarkan listrik — sebuah pertanyaan yang belum terjawab dengan jelas oleh literatur yang ada.
Fokus Penelitian pada Peptida
Rajarshi “Reeju” Samajdar, mahasiswa pascasarjana di Schroeder Group, telah dengan sabar menyelidiki masalah protein, bereksperimen dengan satu molekul pada satu waktu. Namun, Samajdar tidak meneliti protein sama sekali. Sebaliknya, ia berfokus pada peptida, fragmen protein dengan sejumlah kecil asam amino. Untuk penelitian ini, Samajdar menggunakan peptida dengan sekitar empat atau lima asam amino, yang memungkinkan pengamatan yang lebih rinci, katanya.
Samajdar menyadari sesuatu yang mengejutkan: peptida yang diregangkan dengan struktur primer tampak menjadi konduktor energi yang kurang efektif dibandingkan peptida yang dilipat dengan struktur sekunder. Perbedaan mencolok antara perilaku peptida di setiap keadaan menggelitik rasa ingin tahunya.
“Peptida sangat fleksibel. Kami tertarik untuk memahami bagaimana sifat konduktansi berubah saat Anda meregangkannya dan bagaimana peptida bertransisi dari struktur sekunder terlipat ke konformasi yang diperpanjang. Menariknya, saya melihat lompatan yang jelas antara kedua struktur tersebut, dengan sifat elektronik yang berbeda di masing-masing struktur,” kata Samajdar.
Untuk memverifikasi pengamatannya, Samajdar memanggil Moeen Meigooni, asisten peneliti pascasarjana yang bekerja dengan Emad Tajkhorshid, rekan peneliti Beckman, profesor dan Ketua J. Woodland Hastings Endowed Chair dalam Biokimia.
Tim tersebut mensimulasikan perilaku konformasi peptida dengan pemodelan komputer, yang mengonfirmasi pergeseran struktural tersentak yang diamati Samajdar. Agar tidak terjebak dalam sains, para peneliti bekerja sama dengan Martin Mosquera, asisten profesor kimia di Montana State University, dan Nicholas Jackson, seorang peneliti Beckman dan asisten profesor kimia di Illinois, untuk menggunakan kalkulasi mekanika kuantum guna mengonfirmasi bahwa kedua struktur diskret ini memang terkait dengan perubahan konduktivitas.
“Kami yakin bahwa pendekatan kami yang menggabungkan eksperimen molekul tunggal, pemodelan struktural dengan dinamika molekul dan mekanika kuantum merupakan pendekatan yang sangat ampuh untuk memahami elektronika molekul,” kata Samajdar. “Kami bisa langsung ke kuantum, tetapi kami tidak melakukannya. Bagian simulasi komputer memungkinkan kami untuk mempelajari seluruh ruang konformasi peptida.”
Hasil pemeriksaan tiga kali oleh para peneliti menunjukkan bahwa peptida dengan struktur sekunder terlipat memang menghantarkan listrik lebih baik daripada peptida dengan struktur primer yang tidak terlipat. Struktur sekunder spesifik yang mereka amati membentuk bentuk yang disebut 310 spiral.
Karena penelitian ini dilakukan pada peptida, hasilnya memberikan pemahaman yang lebih baik tentang transpor elektron dalam protein yang lebih besar dan lebih kompleks serta biomolekul lainnya, yang mengarah pada aplikasi dalam perangkat elektronik molekuler seperti semikonduktor yang bekerja dengan beralih di antara dua struktur yang berbeda.
Referensi: “Struktur sekunder menentukan transpor elektron dalam peptida” oleh Rajarshi Samajdar, Moeen Meigooni, Hao Yang, Jialing Li, Xiaolin Liu, Nicholas E. Jackson, Martín A. Mosquera, Emad Tajkhorshid dan Charles M. Schroeder, 25 Juli 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2403324121
NewsRoom.id
