TermostabilitasStruktur kristal β-glukosidase dari Thermotoga neapolitana (PDB: 5IDI). Protein termostabil, aktif pada suhu 80°C dan dengan suhu pembukaan 101°C.[1]
Bahan termostabil dapat digunakan secara industri sebagai penghambat api. Plastik termostabil, istilah yang tidak umum dan tidak konvensional, kemungkinan besar merujuk pada plastiktermoset 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
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
Reaksi berantai polimerase
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
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
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 alkaliP. abyssi tetap stabil dalam larutan.
Glikosida hidrolase
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
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
Fungi beracun tertentu mengandung toksin termostabil, seperti amatoksin yang ditemukan pada jamurdeath 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
↑Kulkarni TS, Khan S, Villagomez R, Mahmood T, Lindahl S, Logan DT, etal. (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. PMID28142197. S2CID27832389.
↑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. PMID11793224. S2CID2717885.
↑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. PMID10802734. S2CID21850845.
↑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. PMID11150616.
↑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. PMID12646689.
