Protein kimera yang dihasilkan melalui penggabungan dua atau lebih domain protein menggunakan teknik rekayasa genetika memiliki berbagai fungsi yang bergantung pada karakteristik masing-masing domain. Salah satu penerapan dari teknologi ini adalah pemanfaatan protein kimera yang terdiri atas domain yang menyerupai faktor pertumbuhan (growth factor-like domain) dan domain pengikat material (material binding domain) sebagai komponen penyusun (building blocks) scaffold dalam rekayasa jaringan (tissue engineering scaffolds).

Dalam penelitian kami sebelumnya, protein kimera dirancang dengan menggabungkan bone morphogenetic protein-2 (BMP2) dan domain polipeptida pengikat kolagen (collagen binding polypeptide domain), yang selanjutnya dimuat secara stabil pada biomaterial berbasis kolagen. Kolagen telah banyak diteliti sebagai komponen yang sangat baik untuk scaffold rekayasa jaringan. Karena BMP2 merupakan penginduksi potensial diferensiasi osteoblas, keberadaan BMP2 yang terlokalisasi pada scaffold berbasis kolagen diharapkan dapat meningkatkan pembentukan tulang. Penelitian kami sebelumnya menunjukkan bahwa protein kimera yang terdiri dari BMP2 dan domain pengikat kolagen (collagen binding domain) mampu meningkatkan diferensiasi osteogenik sel punca mesenkimal (mesenchymal stem cells) ketika dikombinasikan dengan biomaterial berbasis kolagen.

Dalam perancangan desain protein kimera BMP2, kami juga menemukan bahwa urutan penyusunan domain dan keberadaan peptida penghubung (linker) yang disisipkan di antara kedua domain dapat memengaruhi proses pelipatan (folding) protein kimera, sehingga berdampak pada perubahan fungsi domain. Temuan tersebut menunjukkan pentingnya interaksi antardomain (domain–domain interactions) serta perlunya pemahaman yang lebih mendalam mengenai bagaimana interaksi tersebut memengaruhi karakteristik keseluruhan protein kimera.

Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya, salah satu pertimbangan utama dalam merancang protein kimera fungsional adalah penggunaan linker yang disisipkan di antara dua domain. Linker berfungsi menjaga jarak antar domain sehingga membantu mencegah kesalahan pelipatan (misfolding) masing-masing domain akibat interaksi antardomain yang tidak menguntungkan. Selain itu, jika domain yang terhubung berada dalam jarak yang terlalu dekat, akses domain terhadap reseptornya dapat terganggu akibat efek hambatan sterik (steric hindrance), yang pada akhirnya dapat menurunkan fungsi protein.

Prediksi struktur secara in silico memberikan berbagai perspektif mengenai interaksi antardomain. Di antara berbagai algoritma prediksi struktur yang telah dikembangkan, program AlphaFold2 mampu memprediksi struktur protein tiga dimensi (3D) dengan tingkat akurasi yang tinggi. Dengan menggunakan program ini, kami memperoleh pemahaman mengenai pengaruh penghubungan domain dan urutan penyusunannya terhadap struktur protein kimera yang terdiri atas BMP2 dan collagen binding domain. Karena penelitian eksperimental mengenai struktur protein kimera secara teknis sulit dilakukan serta membutuhkan waktu yang lama, simulasi berbasis komputer seperti yang dilakukan dalam penelitian ini dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi desain protein.

Penelitian ini bertujuan mengevaluasi pengaruh panjang dan fleksibilitas linker. Dua jenis sistem linker digunakan, jenis pertama adalah linker fleksibel yang terdiri atas pengulangan tandem peptida GGGGS, sedangkan jenis kedua adalah linker rigid yang terdiri atas pengulangan tandem peptida α-heliks EAAAK. Penyisipan linker ini diharapkan mampu memisahkan kedua domain; di mana linker fleksibel berfungsi meningkatkan mobilitas domain, sementara linker rigid membantu mempertahankan jarak antardomain. Dalam penelitian ini, berbagai jumlah pengulangan peptida tersebut disisipkan di antara BMP2 dan collagen binding domain yang berasal dari human osteopontin (OPNP) atau decorin (DECP). Struktur 3D dari protein kimera diprediksi menggunakan AlphaFold2, sedangkan integritas struktural dari domain BMP2 dievaluasi dengan menganalisis Root Mean Square Deviation (RMSD).

Hasil penelitian menunjukkan bahwa perbedaan fleksibilitas, panjang linker, dan susunan domain memberikan pengaruh yang relatif kecil terhadap nilai RMSD domain BMP2 pada bentuk monomer protein kimera. Hal ini mengindikasikan bahwa domain BMP2 mengalami folding secara relatif independen terhadap collagen binding domain. Menariknya, pada sebagian besar kasus, nilai RMSD menurun secara signifikan ketika prediksi struktur dilakukan pada bentuk dimer protein kimera. Hasil ini menunjukkan bahwa stabilitas dan integritas struktur meningkat seiring bertambahnya interaksi permukaan antara molekul BMP2 yang berdekatan. Sebelumnya telah dilaporkan bahwa pembentukan inti hidrofobik (hydrophobic core) di antara dua subunit monomer BMP2 dapat menstabilkan struktur BMP2. Penurunan nilai RMSD juga lebih signifikan ketika analisis dilakukan pada domain BMP2 yang berikatan dengan kompleks reseptor. Ditemukan bahwa pada bentuk dimer, ikatan dengan kompleks reseptor menginduksi adaptasi konformasional tambahan pada domain BMP2, yang mungkin disebabkan oleh interaksi multivalen ikatan dengan kompleks reseptor dengan domain BMP2 yang berdekatan.

Secara keseluruhan, efek dari penyisipan linker fleksibel maupun rigid tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan, terlepas dari panjang linker yang digunakan. Namun demikian, linker fleksibel cenderung sedikit menurunkan nilai RMSD baik pada bentuk monomer maupun dimer. Selain itu, panjang linker fleksibel hanya memberikan pengaruh kecil terhadap nilai RMSD pada berbagai susunan domain.

Temuan penelitian ini masih terbatas pada pemahaman in silico mengenai integritas struktural domain BMP2. Oleh karena itu, fungsi keseluruhan protein kimera ini harus divalidasi melalui uji biologis (biological assays) menggunakan sel yang responsif terhadap BMP2 pada penelitian selanjutnya di masa mendatang.

Penulis:

Salma Najmi Dhaniswari, Andi Amanda Artenia Putri, Karina Erda Saninggar, Fumika Abe, Isao Hirata, Koichi Kato

Kata Kunci: bone morphogenetic protein; protein kimera; medis; peptide linker; prediksi struktur; rekayasa jaringan

Dental Journal, Juni 2026

Tautan DOI: 10.20473/j.djmkg.v59.i2.p160–165