ANALISIS PENGGUNAAN PROGRAM NAMD UNTUK SIMULASI MOLEKUL DINAMIK

TUGAS AKHIR MATA KULIAH KIMIA KOMPUTASI

Oleh

Achmad Sholikhudin Almu’mininNIM 101810301051

JURUSAN KIMIAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS JEMBER2014

BAB 1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perkembangan teknologi yang sangat pesat khususnya teknologi dibidang

informasi, telah membawa umat manusia ke suatu era baru yang berbeda dengan

era sebelumnya. Adanya perkembangan teknologi ini memungkinkan semakin

banyaknya banyaknya terobosan yang dilakuakan setiap menitnya dalam berbagai

bidang khususnya dunia komputerisasi. Pesatnya perkembangan teknologi ini juga

diimbangi dengan semakin kompleksnya permasalahan yang muncul oleh karena

semakin detailnya hal baru yang ditemukan dan dikembangkan. Salah satu bidang

perkembangan teknologi dalam dunia komputer yaitu komputasi, yang mana

fokus dalam pengembangan komputerisasi dalam keilmuan kimia.

Komputasi merupakan salah satu bidang ilmu kimia yang aplikatif

mengenai penyelesaian topik kimia secara komputerisasi. Salah satunya yaitu

dengan pemodelan dan perhitungan energi molekuler yang berdasarkan kimia

kuantum (Ityastono, 2009). Adanya kimia komputasi dapat menghitung energi

yang memungkinkan suatu molekul dalam keadaan stabil atau tidak, sehingga

dapat disesuaikan dengan teori yang mendasari pembentukan molekul tersebut.

Pemodelan perhitungan tersebut untuk membuktikan kebenaran teori yang sudah

ada dan tidak atau belum mungkin dapat dilakukan dalam percobaan

dilaboratorium (Schmidt dan Polik, 2014).

Salah satu bentuk pemodelan molekul yang dapat diaplikasikan dalam kimia

komputasi yaitu pemodelan molekul dengan program aplikasi NAMD. Program

ini banyak dan dapat digunakan karena terbukti memiliki tingkat efisiensi,

efektifitas skalabilitas, dan ekstensibilitas yang maksimal. Adanya penggunaan

kombinasi algoritma dan teknik numerik lainnya dalam perhitungan pada program

NAMD sehingga mampu mengimplementasikan teknik dan persamaan

perhitungan untuk digunakan dalam simulasi dinamika molekul[4]. Simulasi

dinamika molekul yang kompleks seperti molekul protein dapat dimodelkan

dengan program NAMD, oleh karena itu untuk keperluan tugas materi

pembelajaran kuliah kimia komputasi akan dijelaskan rincian prosedur

penggunaan program NAMD untuk pemodelan molekul protein sebagai laporan

berikut.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang diatas, maka rumusan masalah dalam laporan ini

yaitu antara lain:

Bagaimana prosedur penggunaan program NAMD untuk pemodelan

simulasi dinamika molekul protein?

1.3 Batasan Masalah

Batasan masalah dari laporan ini antara lain:

Buku pedoman simulasi mengacu pada tutorial NAMD untuk Windows dari

Universitas Illionis.

1.4 Tujuan

Mengetahui prosedur penggunaan program NAMD untuk pemodelan

simulasi dinamika molekul protein?

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 NAMD

NAMD merupakan program paralel pada UNIX yang dirancang khusus

untuk simulasi dinamika molekular struktur biologi. Sistem kerja NAMD

dijalankan menggunakan rangkaian komputer paralel dengan software programa

NAMD dengan berbagai jenis versi software open source seperti versi windows,

mac, linux, dan lainnya. Software NAMD sendiri merupakan program yang dibuat

oleh The Board of Trustees of the University of Illinois, yang mengatasnamakan

The Theoretical Biophysics Group pada Beckman Institute (Mutiara AB., 2008).

Untuk menjalankan sebuah simulasi molekular dinamik dengan program

NAMD diperlukan beberapa macam file masukan, yaitu: file PDB (protein data

bank), file PSF (protein structure file), file parameter medan energi (force field

parameter), dan file konfigurasi NAMD.

2.1 VMD

VMD (Visual Molecular Dynamics) merupakan aplikasi yang dirancang

untuk memvisualisasikan dan menganalisa sistem biopolimer (protein, asam

nukleid, lipid, dan membran. VMD berjalan diatas mayoritas sistem UNIX, Apple

MacOS X, dan Microsoft Windows. Seperti halnya NAMD, VMD juga

dikembangakan oleh Theoritical Biophysics Group, di University of Illinois and

Beckman Institute, Urbana. VMD memang dikembangkan sebagai aplikasi visual

bagi aplikasi simulasi dinamika molekular NAMD (Mutiara AB., 2008).

BAB 3. PEMBAHASAN

3.1 Prosedur Simulasi Molekular Dinanik pada Windows

Untuk menjalankan simulasi molekular dinamik, maka diperlukan program

pendukung seperti; NAMD 2.6 da VMD yang didapat dengan download di

http://www.ks.uiuc.edu. Program lainnya yaitu text editor berupa WordPad, dan

program plotting pada microsoft excel yang didapat dari program yang disediakan

pada operating sitem windows. Setelah persyaratan program pendukung itu

terpenuhi maka prosedur simulasi molekular dinamik dapat dijalankan.

Prosedur untuk memulai operasional pada NAMD dimulai dengan

membuka jendela perintah pada windows untuk membuka command prompt.

Command promt sendiri merupakan sebuah tool pada Windows yang dapat

digunakan untuk berkomunikasi kepada komputer selain menggunakan Windows

Explorer. Dengan menggunakan Command Prompt kita juga dapat mengakses

fitur - fitur yang tidak bisa dilakukan menggunakan Windows Explorer (Setiawan,

2014). Command promt dalam anlisis NAMD digunakan untuk mebuka direktori

menuju pada file yang NAMD yaitu pada sub folder 1-1-build. Prosedur dari

pembuatan perintah pada command promt untuk membuka direktori tersebut

yaitu;

1. Pada command promt ketik: cd “partisi hardisk tempat penyimpanan:\folder

penyimpanan\namd-tutorial-files\1-1build”

Setelah perintah pada command promt dijalankan maka program NAMD siap

untuk dijalankan.

Sebelum menjalankan prosedur simulasi molekul dinamik dengan program

NAMD, maka diperlukan beberapa file pedukung kerja pada NAMD yaitu;

a. File PDB

File ini menyimpan data koordinat atom dan atau kecepatan dari suatu

sistem molecular. File ini menyimpan keseluruhan informasi mengenai nama,

jenis dan juga jaringan molekul tersebut.serta catatan ATOM dan HET-ATM

yang merupakan tempat menyimpan koordinat-koordinat dari protein-protein, air-

air dan macam-maam atom heterogen Kristal lainnya.

b. File PSF

File ini menyimpan informasi structural dari suatu protein secara spesifik.

Informasi ini terbagi atas lima bagian utama yang kesemuanya diperlukan untuk

mengaplikasikan medan energy tertentu pada simulasi. Kelima bagian itu ialah,

bond, angle, dihedral, imprope , macam-macam atom.

c. File parameter medan energy

File ini berisikan konstanta numeric yang dierlukan untuk mengevaluasi

gaya dan energy pada struktur dan koordinat atom-atom.

d. File konfigurasi NAMD

File ini berisikan semua konfigurasi dan pilihan yang dibutuhkan NAMD

untuk menjalankan sebuah simulasi.

3.2 Prosedur Pembuatan Protein Struktur File (PSF)

Prosedur pembuatan PSF diperoleh dari file PDB, yang merupakan file

tempat menyimpan keseluruhan informasi mengenai molekul yang akan kita

simulasikan. Untuk mendapatkan file tersebut dapat diperoleh dengan download

dari alamat http://mackerell.umaryland.edu/CHARMM ff params.html. Setelah

didapat file yang dicari, maka dapat langsung digunakan dalam simulasi

menggunakan NAMD. Prosedur pembuatan file psf pada NAMD sebagai berikut;

1. Pada command promt yang sudah masuk direktori file yang diinginkan

dibuat untuk membukan program VMD, ketik: “c:\program files\university

of Illinois\VMD\vmd.exe”

2. Setelah program VMD dijalankan, maka proses pembuatan psf dapat

dilakukan dengan dua cara yaigtu secara otomatis dan manual.

Prosedur pembuatan secara otomatis dapat dilakukan dengan langkah

berikut;

Pada menu VMD: Extensions => Modeling => Automatic PSF Builder => add

data psf.

Untuk prosedur pembuatan psf secara manual langkahnya sebagai berikut;

Untuk membuat file psf secar manual terlebih dauhulu file dibuat dalam bentuk

psfgen. Prosedur pembuatan psfgen dialakukan pada aplikasi WordPad yaitu;

Buka WordPad, kemudian ketik ragkaian sandi berikut;

Kemudian, simpan menjadi bentuk file dengan format teks sederhana (.txt) dan

nama ubq.pgn. File tersebut merupakan file pdfgen yang berisi tentang perintah-

perintah yang diperlukan dalam membuat file psf ubiquitin dengan atom hidrogen

dan tanpa adanya air. Pada rangkaian sandi di file pdfgen merupakan isyarat

perintah, yaitu:

Baris 1 menjelaskan bahwa paket psfgen tersedia untuk dipanggil oleh

VMD

Baris 2 untuk me-load atau memanggil file topology

top_all27_prot_lipid.inp

Baris 3 untuk mengubah nama dari residu histidine ke nama yang

ditemukan tepat dalam topologi file. HSE ini merupakan salah satu dari

tiga nama untuk histidine.

Baris 4 merupakan penamaan untuk atom dengan nama “CD1” (δ carbon)

pada residu isoleusin dinama ulang menjadi “CD”,nama itu merupakan

nama yang tepat berasal dari topologi file.

Baris 5 merupakan perintah pembuatan segment U, yang berisi semua

atom dari ubqp.pdb. baris ini juga memberi perintah untuk juga

menambahkan atom hidrogen.

Baris 6 adalah pembacaan coordinate dari ubqp.pdb dan juga pencocokan

nama residu dan atom. Nama dari segment lama di ganti dengan label

segment baru yaitu “U”

Baris 7 coordinat dari atom yang hilang seperti hidrogen diduga

berdasarkan pada definisi residu dari topologi file

Baris 8 file pdb baru dengan coordinat yang telah lengkap dari semua atom

ditulis kecuali hidrogen.

Baris 9 penulisan file psf dengan informasi struktur yang lengkap pada

protein.

Prosedur selanjutnya yaitu untuk menjalankan file psfgen sehingga akan

dihasilkan file psf yang sama pada pdb ubiquitin dengan adanya hidrogen.

Prosedurnya yaitu;

Pada TkConsole ketik source ubq.pgn, maka akan muncul tanpilan

sebagai berikut, yang menandakan file psfgen yang dibuat berhasil;

3.3 Pelarutan protein

Prosedur pelarutan protein yang telah dibuat pada program NAMD

digunakan untuk menggambarkan pemodelan larutan protein yang sebenarnya.

Protein ini didapat dari file psf yang telah dibuat yang mana berisi informasi

mengenai protein saja. Pada prosedur ini dilakukan pelarutan protein yaitu dengan

menambahkan substansi air. Penggambaran dari pelarutan protein oleh air dapat

digunakan dengan dua cara yaitu dalam bentuk water sphere (protein yang

dikelilingi air menyerupai bola) dalam ruang hampa dan dan bentuk water box

(kotak air), yang mana keduanya didapat dengan kondisi kesetimbangan dan

energi ikat yang sudah diminimasi. Sehinga jika bentuk yang ditampilkan dalam

VMD merupakan bentuk molekul yang paling stabil dengan tegangan kontak

paling kecil pada kondisi batas periodik.

Prosedur pelarutan dalam bentuk water sphere yaitu sebagai berikut;

Untuk mengoperasikan proses pelarutan protein terlebih dahulu harus disiapkan

script yang berisis file PDB dan file psf ubq.ws.psf sehingga akan dapat dibuat

perintah untuk menempatkan protein dalam lingkungan air. Script yang berisi

informasi tersebut yaitu file wat_sphere.tcl sehingga akan akan dapat dijalankan

pada perintah di VMD, yaitu;

Pada TkConsole ketik: source wat_sphere.tcl, maka akan muncul tampilan

sebagai berikut, yang mana menandakan proses pelarutan protein berhasil. Hasil

dari pelarutan protein ini dapat divisualisasikan pada program VMD.

Untuk prosedur pemodelan pelarutan protein dalam bentuk water box,

dapat dilakukan dengan memberi perintah pada TkConsole sebagai berikut;

package require solvate solvate ubq.psf ubq.pdb -t 5 -o ubq wb

namun perintah tersebut tidak berhasil, dan pada perintah TkConsole didapatkan

berikut;

Seharusnya jika berhasil, maka informasi yang didapat ialah protein yang

disimulasikan akan ditempatkan dalam kotak air. Ketidak berhasilan ini

dimungkinkan karena ada program untuk penyimpanan file protein yang tidak

support atau sesuai dengan file yang diinginkan NAMD, sehingga pada saat

memasukkan perintah file tidak dapat dimuat.

Berdasarkan informasi dari perintah pemodelan water box yang telah dibuat

seharusnya memuat informasi berikut. Untuk Opsi –t 5 pada water box

menandakan adanya lapisan - lapisan air yang berukuran 5 Å pada setiap sisi

molekul protein pada pusat. Untuk opsi –o membuat file output ubq wb.pdb dan

ubq.psf untuk ubiquitin dalam kotak air, sehingga akan dihasilkan pelarutan

protein dalam bentuk water box:

Water box

Hal yang dapat diamati dari kedua bentuk protein yang dikelilingi air

tersebut yaitu, Jika dilihat dari ukuran water box sesuai literatur akan terbentuk

lebih kecil jika diandingkan dengan ukuran pada water sphere. Hal tersebut

merupakan hasil minimasi batas periodik yang berikan, selain itu molekul protein

yang diberikan ialah molekul tungga yang tidak berinterasi dengan molekul lain

sehingga tidak terjadi tarikan yang membutuhkan ruang khusus. Selain itu

penyebaran molekul air juga tertata rapi sesuia interaksi ions pada bagian daerah

protein pembuwa muatan dan hal itu stabil.

Hasil yan didapat berupa data file pdb dan psf untuk ubiquitin yang berada

dalam air masih dapat juga diminimasikan untuk didapat bentuk kesetimbangan

yang paling stabil dari pelarutan protein dengan air. Untuk mendapatkan hal

tersebut diperlukan file konfigurasi NAMD. Prosedur meminimalisasi dan

kesetimbangan akan berbeda pelaksanaannya pada medan terminimum dinamika

molecular, hal ini karena melibatkan proses minimalisasi energi. Proses minimasi

enerni dilakukan dengan cara memvariasi posisi atom secara sistematis dan

penghitungan energi untuk mencapai kesetimbangan dinamika molekul pada

penentuan lintasan untuk setiap atom.

Prosedur pelarutan air dapat juga dilakukan dengan otomatis, namun hal ini

belum dapat dilakukan karena adanya data yang tidak support. Prosedurnya yaitu

dengan meload molekul pada menu VMD;

File => New molekul, masukkan file ubq wb.psf pada menu browse dan load

molekul. Maka akan didapatkan molekul ubiquitin yang dkelilingi air.

Untuk prosedur minimasinya dengan cara memberi perintah pada TkConsole,

yaitu:

set everyone [atomselect top all]

measure minmax $everyone

Kemudian masukkan nilai variabel yang ditentukan untuk koordinat x, y, dan z.

3.4 Simulasi Ubiquitin dalam Water Sphere dengan Kondisi Batas Non-Periodik

Prosedur simulasi ubiquitin dalam water sphere dengan kondisi batas non-

periodik bertujuan untuk menguji minimalisasi dan kondisi kesetimbangan dari

molekul protein yang dilarutkan air pada kondisi ruang hampa. Hal yang oerlu

diperhatikan yaitu perintah dan file yang akan disimulassikan harus benar

sehingga pada proses pemberian perintah pada simulasi dapat terus berjalan.

Selain itu dikarenakan proses minimasi ini merupakan suatu perhitungan dari

molekul protein dalam air yang kompleks dengan terdiri dari ribuan atom,

sehingga sangat mungkin mebutuhkan waktu yang sangat lama. Oleh karena itu,

perlu digunakan komputer dengan kondisi hardisk yang tinggi sehingga proses

dapat berjalan cepat. Solusi dari hal itu yaitu digunakan komputer bantu paralel

untuk menjalankan proses perhitungan tersebut, yaitu komputer paralel pada pusat

UPT-TI Universitas Jember.

Untuk menjalankan perhitungan dengan sistem komputer paralel diperlukan

software yang dapat mentransfer perintah dari komputer pengguna, sehingga

proses perhitungan dapat tetap dikontrol. Software yang digunakan dalam proses

tersebut yaitu software Putty, yang mana memiliki fngsi spesifik untuk

menghubungkan computer pengguna dengan komputer pusat paralel tersebut.

Adanya software tersebut sangat menguntungkan pengguna dalam proses

perhitungan minimalisasi protein dalam air karena kerja pengguna sangat dapat

dipangakas yaitu hanya melakukan sebuah perintah kemudian komputer pusat

paralel yang akan melakukan perhitungan, dan hasilnya langsung muncul diframe

perintah yang diberikan jika sudah selesai.

Sebelum menjalankan prosedur operasional software Putty, terlebih dahulu

harus dipastikan komputer sudah terinstal software Puttty, kemudian pastikan juga

komputer yang digunakan sudah terdaftar pada member komputer bantu pusat

paralel sehingga proses log in dapat dilakukan, dan pastikan juga komputer

terkoneksi internet. Prosedur dari operasional software Putty yaitu sebagai

berikut;

1. Buka software putty => masukkan IP address => numbering post

2. Log in dengan username dan pasword yang dimiliki

3. Masuk ke direktori yang ingin dilakukan perhitungan,

4. Masukkan perintah untuk perhitungan minimalisasi dengan cara

memasukkan file konfigurasi dari ubiquitin dalam air yang terdapat pada

folder 1-2-sphere yaitu ubq_ws_eq.conf, sehingga akan muncul tampilan

untuk mengedit perintah file konfigurasi yang digunakan.

Perintah pengeditan digunakan untuk memastikan input file yang digunakan

dalam perhitungan. Tampilan frame pengeditan berisi perintah input file

yang akan digunakan dalam dalam perhitungan. Pada perhitungan yang

dilakukan yaitu untuk menghitung minimalisasi dari molekul file protein

ubiquitin dalam air, sehingga perintah input file akan berisi data water

sphere atau water blox yang sudah dibuat. Perintah pengeditan dalam input

file tersebut antara lain yaitu:

a. Struktur : file psf dari protein yang akan dihitung. => ubq_ws.psf

b. Koordinat : file data koordinat protein pada pdb => ubq_ws.psb

c. Set suhu : variabel suhu dalam perhitungan yaitu 310 K

d. Outputname : nama file output yang akan digunakan => ubq_b_eq

e. Firsttimestep : nilai awal untuk perhitungan dalam simulasi => 0

Setelah selesai dengan perintah pengeditan konfigurasi input file digunakan

kemudian dilanjutkan untuk membuat perintah pada main putty untuk

menentukan batas dari perhitungan. Sebelum masuk dalam perintah main

putty tersebut, terlebih dahulu penggunak harus keluar dari perintah

konfigurasi pengeditan input file, yaitu dengan cara:

Keluar dari konfigurasi pengeditan: CTRL X => Shift Y untuk menyimpan

perubahannya, jika tidak ada perubahan maka hanya cukup CTRL X

5. Penentuan batas perhitungan dengan cara memasukkan input file protein

dalam air awal sampai file input akhir. Prosedurnya yaitu

namd2 ubq_ws_eq.conf > ubq_ws_eq.log &

maka akan didapat frame putty seperti berikut;

Tanda & ini untuk memberikan perintah simulasi tetap berjalan meski kita tidak

lagi mengakses computer, sampai perhitungan benar – benar minimal. Nilai dari

perhitungannya diatas yaitu 19691.

3.5 Simulasi Ubiquitin dalam Water Box pada Kondisi bundari Periodic

Prosedur simulasi perhitungan ubiquitin dalam water box sama dengan

prosedur perhitungan dalam water sphere. Perbedaanya hanya pada direktori yang

digunakan yaitu 1-3-box dan konfigurasi yang digunakan yaitu dalam bentu water

box. Prosedur dari perhitungannya yaitu:

1. Pindah direktori ke 1-3-box dengan membuat perintah: cd namd-

tutorial-files_asli/1-3-box/

2. Perintah selanjutnya mengedit konfigurasi yang semula water sphere

menjadi water box

3. Kemudian jalankan simulasinya menggunakan perintah

namd2 ubq_wb_eq.conf > ubq_wb_eq.log&

Hasil perhitungan yaitu 21917

3.6 Ubiquitin in Generalized Born Implicit Solvent

Tujuan dari prosedur ini yaitu untuk mengetahui pengaruh ketergantungan

air dalam minimalisasi dan kesetimbangan molekul protein. Pelarut implisit

adalah teknik simulasi yang menghilangkan kebutuhan untuk atom air secara

eksplisit dengan memasukkan banyak effects pelarut dalam perhitungan kekuatan

antar atomnya. Misalnya, pelarut polar sebagai dielektrik dan layar (mengurangi)

interaksi elektrostatik. Untuk menjalankan prosedur tersebut dimulai dengan cara

memindahi direktori menuju 1-4-gbis dan pastinya sama dengan prosedur

minimaliasasi yaitu pastikan file dalam folder 1-4-gbis tersedia. Prosedurnya

yaitu:

a. Pindah diretori menuju: cd namd-tutorial-files_asli/1-4-gbis/

b. Pastikan perintah konfigurasi sesuai dengan nano nano ubq_gbis_eq.conf

c. jalankan simulasinya dengan membuat perintah

namd2 ubq GBIS eq.conf> ubq GBIS eq.log&

Nilai dari hasil perhitungan yaitu 22508

BAB 4. PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang dapat diambil dari laporan ini yaitu bahwa simulasi

molekular dinamik dengan menggunakan program NAMD membutuhkan

program pendukung lainnya seperti VMD, wordpad, dan Putty. Dengan adanya

simulasi molekular dinamik pada protein maka dapat diketahui orientasi

pemodelan protein dalam strukturnya dan perhitungannya bertujuan untuk

mendapatkan pemodelan yang paling minimum energinya dan kesetimbanganya

paling paas sehingga diketahui pemodelan yang paling stabil dari molekul

tersebut. Prosedur analisis pemodelan molekul dilakukan melalui serangkaian

tahapan mulai pembukaan operasi NAMD pada OS Windows, pembuatan file psf,

pelarutan molekul protein, pemodelan molekul protein terlarut air dalam bentuk

sphere dan box yang diminimalisasi dan pengujian terhadapa pengaruh pelarut

implisit.

Daftar Pustaka

Horsley, Tom. 2001. Computational Project - Rotational barrier in 1,2-

Difluoroethane calculated by ab initio molecular orbital calculations.

http://www.sas.upenn.edu/~horsleyt/projcomputational.html. [31 Maret

2014].

Istyastono, E,P. 2009. Peran komputer dalam penemuan obat. http:

//www.komputasi.lipi.go.id/. [31 Maret 2014].

Mutiara, A.B. 2008. Analisis Kinerja Sistem Cluster Terhadapa Aplikasi Simulasi

Dinamika Molekular NAMD Memanfaatkan Pustaka CHARM++. Jakarta:

Universitas Gunadarma.

Philip, James. 2012. NAMD TUTORIAL Windows Version. Urbana: University of

Illinois.