📑 Table of Contents▼
Struktur kristal β-glukosidase dari Thermotoga neapolitana (PDB: 5IDI). Protein termostabil, aktif pada suhu 80°C dan dengan suhu pembukaan 101°C.[1]

Dalam ilmu material dan biologi molekuler, termostabilitas adalah kemampuan suatu zat untuk menahan perubahan ireversibel dalam struktur kimia atau fisikanya, seringkali dengan menahan dekomposisi atau polimerisasi, pada suhu relatif tinggi.

Bahan termostabil dapat digunakan secara industri sebagai penghambat api. Plastik termostabil, istilah yang tidak umum dan tidak konvensional, kemungkinan besar merujuk pada plastik termoset yang tidak dapat dibentuk ulang saat dipanaskan, daripada termoplastik yang dapat dilebur kembali dan dicetak ulang.

Termostabilitas juga merupakan sifat beberapa protein. Protein termostabil berarti tahan terhadap perubahan struktur protein akibat panas yang diberikan.

Protein termostabil

sunting
Saat panas ditambahkan, hal ini mengganggu ikatan intramolekul yang ditemukan dalam struktur tersier protein, menyebabkan protein tersebut terurai dan menjadi tidak aktif.

Sebagian besar bentuk kehidupan di Bumi hidup pada suhu kurang dari 50 °C, umumnya dari 15 hingga 50 °C. Di dalam organisme ini terdapat makromolekul (protein dan asam nukleat) yang membentuk struktur tiga dimensi yang penting untuk aktivitas enzimatiknya.[2] Di atas suhu asli organisme, energi termal dapat menyebabkan pelipatan dan denaturasi, karena panas dapat mengganggu ikatan intramolekul dalam struktur tersier dan kuartener. Terurainya ini akan mengakibatkan hilangnya aktivitas enzimatik, yang dapat dimengerti merugikan fungsi kehidupan yang berkelanjutan. Contohnya adalah denaturasi protein dalam putih telur dari cairan bening, hampir tidak berwarna menjadi gel putih buram, tidak larut.

Protein yang mampu menahan suhu setinggi itu dibandingkan dengan protein yang tidak bisa, umumnya berasal dari mikroorganisme yang hipertermofil. Organisme tersebut dapat menahan suhu di atas 50 °C karena mereka biasanya hidup di lingkungan 85 °C ke atas.[3] Terdapat bentuk kehidupan termofilik tertentu yang dapat menahan suhu di atas ini, dan memiliki adaptasi yang sesuai untuk mempertahankan fungsi protein pada suhu ini.[4] Ini dapat mencakup perubahan sifat massal sel untuk menstabilkan semua protein,[5] dan perubahan spesifik pada protein individual. Membandingkan protein homolog yang ada pada termofil ini dan organisme lain mengungkapkan beberapa perbedaan dalam struktur protein. Satu perbedaan penting adalah adanya ikatan hidrogen ekstra pada protein termofil, yang berarti bahwa struktur protein lebih tahan terhadap pelipatan. Demikian pula, protein termostabil kaya akan jembatan garam atau/dan jembatan disulfida ekstra yang menstabilkan struktur.[6][7] Faktor lain yang memengaruhi stabilitas termal protein adalah kekompakan struktur protein,[8] oligomerisasi,[9] dan interaksi kekuatan antar subunit.

Kegunaan dan aplikasi

sunting

Reaksi berantai polimerase

sunting

DNA polimerase termostabil seperti Taq polimerase dan Pfu DNA polimerase digunakan dalam reaksi berantai polimerase (PCR) di mana suhu 94 °C atau lebih digunakan untuk melelehkan untai DNA pada langkah denaturasi PCR.[10] Ketahanan terhadap suhu tinggi ini memungkinkan DNA polimerase untuk memanjangkan DNA dengan urutan yang diinginkan dengan adanya dNTP.

Aditif pakan

sunting

Enzim sering ditambahkan ke pakan ternak untuk meningkatkan kesehatan dan pertumbuhan hewan ternak, terutama ayam dan babi. Pakan tersebut biasanya diolah dengan uap bertekanan tinggi untuk membunuh bakteri seperti Salmonella. Oleh karena itu, enzim yang ditambahkan (misalnya fitase dan xilanase) harus mampu menahan tantangan termal ini tanpa mengalami inaktivasi ireversibel.[11]

Pemurnian protein

sunting

Pengetahuan tentang ketahanan enzim terhadap suhu tinggi sangat bermanfaat dalam purifikasi protein. Dalam prosedur denaturasi panas, campuran protein dapat mengalami suhu tinggi, yang akan mengakibatkan denaturasi protein yang tidak termostabil, dan isolasi protein yang stabil secara termodinamika. Salah satu contoh penting dari hal ini ditemukan dalam pemurnian alkali fosfatase dari Pyrococcus abyssi yang hipertermofil. Enzim ini dikenal stabil terhadap panas pada suhu di atas 95 °C, dan oleh karena itu dapat dimurnikan sebagian dengan pemanasan ketika diekspresikan secara heterolog dalam Escherichia coli.[12] Peningkatan suhu menyebabkan protein E. coli mengendap, sedangkan fosfatase alkali P. abyssi tetap stabil dalam larutan.

Glikosida hidrolase

sunting

Kelompok enzim termostabil penting lainnya adalah glikosida hidrolase. Enzim-enzim ini bertanggung jawab atas degradasi fraksi utama biomassa, yaitu polisakarida yang terdapat dalam pati dan lignoselulosa. Dengan demikian, glikosida hidrolase semakin diminati dalam aplikasi biorefining di masa depan bioekonomi.[13] Beberapa contohnya adalah produksi monosakarida untuk aplikasi pangan serta penggunaan sebagai sumber karbon untuk konversi mikroba menjadi bahan bakar (etanol) dan zat antara kimia, produksi oligosakarida untuk aplikasi prebiotik, dan produksi surfaktan jenis alkil glikosida. Semua proses ini sering kali melibatkan perlakuan termal untuk memfasilitasi hidrolisis polisakarida, sehingga memberikan varian termostabil glikosida hidrolase peran penting dalam konteks ini.

Pendekatan untuk meningkatkan termostabilitas protein

sunting

Rekayasa protein dapat digunakan untuk meningkatkan termostabilitas protein. Sejumlah teknik mutagenesis terarah-situs dan acak,[14][15] selain evolusi terarah,[16] telah digunakan untuk meningkatkan termostabilitas protein target. Metode komparatif telah digunakan untuk meningkatkan stabilitas protein mesofilik berdasarkan perbandingan dengan homolog termofilik.[17][18][19][20] Selain itu, analisis protein yang terurai oleh dinamika molekuler dapat digunakan untuk memahami proses penguraian dan kemudian merancang mutasi penstabil.[21] Rekayasa protein rasional untuk meningkatkan termostabilitas protein mencakup mutasi yang memotong lengkungan, meningkatkan jembatan garam[22] atau ikatan hidrogen, memperkenalkan ikatan disulfida.[23] Selain itu, pengikatan ligan dapat meningkatkan stabilitas protein, terutama ketika dimurnikan.[24] Ada berbagai gaya berbeda yang memungkinkan termostabilitas protein tertentu. Gaya-gaya ini meliputi interaksi hidrofobik, interaksi elektrostatik, dan keberadaan ikatan disulfida. Jumlah keseluruhan hidrofobisitas yang ada dalam protein tertentu bertanggung jawab atas termostabilitasnya. Jenis gaya lain yang bertanggung jawab atas termostabilitas protein adalah interaksi elektrostatik antar molekul. Interaksi ini meliputi jembatan garam dan ikatan hidrogen. Jembatan garam tidak terpengaruh oleh suhu tinggi, oleh karena itu diperlukan untuk stabilitas protein dan enzim. Gaya ketiga yang digunakan untuk meningkatkan termostabilitas dalam protein dan enzim adalah keberadaan ikatan disulfida. Mereka menghadirkan ikatan silang kovalen antara rantai polipeptida. Ikatan ini adalah yang terkuat karena merupakan ikatan kovalen, membuatnya lebih kuat daripada gaya antarmolekul.[25] Glikosilasi adalah cara lain untuk meningkatkan termostabilitas protein. Efek stereoelektronik dalam menstabilkan interaksi antara karbohidrat dan protein dapat menyebabkan termostabilisasi protein glikosilasi.[26] Siklisasi enzim dengan menghubungkan ujung N secara kovalen ke ujung C telah diterapkan untuk meningkatkan termostabilitas banyak enzim. Siklisasi Intein dan siklisasi SpyTag/SpyCatcher sering digunakan.[27][28]

Toksin termostabil

sunting

Fungi beracun tertentu mengandung toksin termostabil, seperti amatoksin yang ditemukan pada jamur death cap dan autumn skullcap serta patulin dari kapang. Oleh karena itu, pemanasan pada jamur-jamur ini tidak akan menghilangkan toksisitasnya dan menjadi perhatian khusus untuk keamanan pangan.[29]

Referensi

sunting
  1. ^ Kulkarni TS, Khan S, Villagomez R, Mahmood T, Lindahl S, Logan DT, et al. (May 2017). "Crystal structure of β-glucosidase 1A from Thermotoga neapolitana and comparison of active site mutants for hydrolysis of flavonoid glucosides". Proteins. 85 (5): 872–884. doi:10.1002/prot.25256. PMID 28142197. S2CID 27832389.
  2. ^ Kandhari N, Sinha S (June 26, 2017). "Complex network analysis of thermostable mutants of Bacillus subtilis Lipase A". Applied Network Science (dalam bahasa Inggris). 2 (1): 18. doi:10.1007/s41109-017-0039-y. PMC 6214246. PMID 30443573.
  3. ^ Danson MJ, Hough DW, Russell RJ, Taylor GL, Pearl L (August 1996). "Enzyme thermostability and thermoactivity". Protein Engineering. 9 (8): 629–630. doi:10.1093/protein/9.8.629. PMID 8875639.
  4. ^ Takami H, Takaki Y, Chee GJ, Nishi S, Shimamura S, Suzuki H, et al. (2004). "Thermoadaptation trait revealed by the genome sequence of thermophilic Geobacillus kaustophilus". Nucleic Acids Research. 32 (21): 6292–6303. doi:10.1093/nar/gkh970. PMC 535678. PMID 15576355.
  5. ^ Neves C, da Costa MS, Santos H (December 2005). "Compatible solutes of the hyperthermophile Palaeococcus ferrophilus: osmoadaptation and thermoadaptation in the order thermococcales". Applied and Environmental Microbiology. 71 (12): 8091–8098. Bibcode:2005ApEnM..71.8091N. doi:10.1128/AEM.71.12.8091-8098.2005. PMC 1317470. PMID 16332790.
  6. ^ Das R, Gerstein M (May 2000). "The stability of thermophilic proteins: a study based on comprehensive genome comparison". Functional & Integrative Genomics. 1 (1): 76–88. doi:10.1007/s101420000003. PMID 11793224. S2CID 2717885.
  7. ^ Matsumura M, Becktel WJ, Levitt M, Matthews BW (September 1989). "Stabilization of phage T4 lysozyme by engineered disulfide bonds". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 86 (17): 6562–6566. Bibcode:1989PNAS...86.6562M. doi:10.1073/pnas.86.17.6562. PMC 297884. PMID 2671995.
  8. ^ Thompson MJ, Eisenberg D (July 1999). "Transproteomic evidence of a loop-deletion mechanism for enhancing protein thermostability". Journal of Molecular Biology. 290 (2): 595–604. doi:10.1006/jmbi.1999.2889. PMID 10390356.
  9. ^ Tanaka Y, Tsumoto K, Yasutake Y, Umetsu M, Yao M, Fukada H, et al. (July 2004). "How oligomerization contributes to the thermostability of an archaeon protein. Protein L-isoaspartyl-O-methyltransferase from Sulfolobus tokodaii". The Journal of Biological Chemistry. 279 (31): 32957–32967. doi:10.1074/jbc.M404405200. PMID 15169774.
  10. ^ Saiki RK, Gelfand DH, Stoffel S, Scharf SJ, Higuchi R, Horn GT, et al. (January 1988). "Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase". Science. 239 (4839): 487–491. Bibcode:1988Sci...239..487S. doi:10.1126/science.239.4839.487. PMID 2448875.
  11. ^ Corrêa TL, de Araújo EF (September 2020). "Fungal phytases: from genes to applications". Brazilian Journal of Microbiology. 51 (3): 1009–1020. doi:10.1007/s42770-020-00289-y. PMC 7455620. PMID 32410091.
  12. ^ Zappa S, Rolland JL, Flament D, Gueguen Y, Boudrant J, Dietrich J (October 2001). "Characterization of a highly thermostable alkaline phosphatase from the euryarchaeon Pyrococcus abyssi". Applied and Environmental Microbiology. 67 (10): 4504–4511. Bibcode:2001ApEnM..67.4504Z. doi:10.1128/AEM.67.10.4504-4511.2001. PMC 93196. PMID 11571149.
  13. ^ Linares-Pasten JA, Andersson M, N Karlsson E (2014). "Thermostable glycoside hydrolases in biorefinery technologies". Current Biotechnology. 3 (1): 26–44. doi:10.2174/22115501113026660041.
  14. ^ Sarkar CA, Dodevski I, Kenig M, Dudli S, Mohr A, Hermans E, Plückthun A (September 2008). "Directed evolution of a G protein-coupled receptor for expression, stability, and binding selectivity". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (39): 14808–14813. Bibcode:2008PNAS..10514808S. doi:10.1073/pnas.0803103105. PMC 2567449. PMID 18812512.
  15. ^ Asial I, Cheng YX, Engman H, Dollhopf M, Wu B, Nordlund P, Cornvik T (2013). "Engineering protein thermostability using a generic activity-independent biophysical screen inside the cell". Nature Communications. 4: 2901. Bibcode:2013NatCo...4.2901A. doi:10.1038/ncomms3901. PMID 24352381.
  16. ^ Hoseki J, Yano T, Koyama Y, Kuramitsu S, Kagamiyama H (November 1999). "Directed evolution of thermostable kanamycin-resistance gene: a convenient selection marker for Thermus thermophilus". Journal of Biochemistry. 126 (5): 951–956. doi:10.1093/oxfordjournals.jbchem.a022539. PMID 10544290.
  17. ^ Sayed A, Ghazy MA, Ferreira AJ, Setubal JC, Chambergo FS, Ouf A, et al. (January 2014). "A novel mercuric reductase from the unique deep brine environment of Atlantis II in the Red Sea". The Journal of Biological Chemistry. 289 (3): 1675–1687. doi:10.1074/jbc.M113.493429. PMC 3894346. PMID 24280218.
  18. ^ Perl D, Mueller U, Heinemann U, Schmid FX (May 2000). "Two exposed amino acid residues confer thermostability on a cold shock protein". Nature Structural Biology. 7 (5): 380–383. doi:10.1038/75151. PMID 10802734. S2CID 21850845.
  19. ^ Lehmann M, Pasamontes L, Lassen SF, Wyss M (December 2000). "The consensus concept for thermostability engineering of proteins". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Protein Structure and Molecular Enzymology. 1543 (2): 408–415. doi:10.1016/s0167-4838(00)00238-7. PMID 11150616.
  20. ^ Sauer DB, Karpowich NK, Song JM, Wang DN (October 2015). "Rapid Bioinformatic Identification of Thermostabilizing Mutations". Biophysical Journal. 109 (7): 1420–1428. Bibcode:2015BpJ...109.1420S. doi:10.1016/j.bpj.2015.07.026. PMC 4601007. PMID 26445442.
  21. ^ Liu HL, Wang WC (January 2003). "Protein engineering to improve the thermostability of glucoamylase from Aspergillus awamori based on molecular dynamics simulations". Protein Engineering. 16 (1): 19–25. doi:10.1093/proeng/gzg007. PMID 12646689.
  22. ^ Lee CW, Wang HJ, Hwang JK, Tseng CP (2014). "Protein thermal stability enhancement by designing salt bridges: a combined computational and experimental study". PLOS ONE. 9 (11) e112751. Bibcode:2014PLoSO...9k2751L. doi:10.1371/journal.pone.0112751. PMC 4231051. PMID 25393107.
  23. ^ Mansfeld J, Vriend G, Dijkstra BW, Veltman OR, Van den Burg B, Venema G, et al. (April 1997). "Extreme stabilization of a thermolysin-like protease by an engineered disulfide bond". The Journal of Biological Chemistry. 272 (17): 11152–11156. doi:10.1074/jbc.272.17.11152. PMID 9111013.
  24. ^ Mancusso R, Karpowich NK, Czyzewski BK, Wang DN (December 2011). "Simple screening method for improving membrane protein thermostability". Methods. 55 (4): 324–329. doi:10.1016/j.ymeth.2011.07.008. PMC 3220791. PMID 21840396.
  25. ^ Tigerström A (2005). "Thermostability of Proteins". BIOS. 76 (1): 22–27. doi:10.1893/0005-3155(2005)076[0022:TBFTOP]2.0.CO;2. JSTOR 4608725. S2CID 85654007.
  26. ^ Ardejani MS, Noodleman L, Powers ET, Kelly JW (May 2021). "Stereoelectronic effects in stabilizing protein-N-glycan interactions revealed by experiment and machine learning". Nature Chemistry. 13 (5): 480–487. Bibcode:2021NatCh..13..480A. doi:10.1038/s41557-021-00646-w. PMC 8102341. PMID 33723379.
  27. ^ Iwai H, Plückthun A (October 1999). "Circular beta-lactamase: stability enhancement by cyclizing the backbone". FEBS Letters. 459 (2): 166–172. Bibcode:1999FEBSL.459..166I. doi:10.1016/s0014-5793(99)01220-x. PMID 10518012. S2CID 85415249.
  28. ^ Keeble AH, Howarth M (July 2020). "Power to the protein: enhancing and combining activities using the Spy toolbox". Chemical Science. 11 (28): 7281–7291. doi:10.1039/d0sc01878c. PMC 7844731. PMID 33552459.
  29. ^ Aleccia JN (4 November 2011). "FDA: Moldy applesauce repackaged by school lunch supplier". NBC News. Diakses tanggal 15 April 2015.

Pranala luar

sunting
Lihat entri termostabilitas di kamus bebas Wikikamus.

📚 Artikel Terkait di Wikipedia

Tiolakton

Staphylococcus aureus Autoinducing Peptides by using the Synechocystis DnaB Mini-Intein". Applied and Environmental Microbiology. 73 (19): 6036–6044. Bibcode:2007ApEnM