tugas akhir komputasi e minin (autosaved)
Post on 27-Dec-2015
52 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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.
top related