PENGANTAR KIMIA KOMPUTASI

PENDAHULUAN

Komputer memainkan peranan yang sangat penting dalam perkembangan sains. Pada masa lalu, sains ditunjukkan oleh kaitan antara eksperimen dan teori. Dalam eksperimen, sistem yang di pelajari diukur dengan peralatan eksperimen dan hasilnya dinyatakan dalam bentuk numerik. Dalam teori, model tersebut umumnya disusun dalam bentuk himpunan persamaan matematik. Dalam banyak hal, pemodelan yang diikuti oleh penyederhanaan permasalahan dalam rangka menghindari kompleksitas perhitungan, sehingga tdk dpt menjelaskan bentuk riil dari sistem makroskopis, seperti sistem larutan, protein, dll.

METODA KIMIA KOMPUTASI

Istilah kimia teori didefinisikan sebagai deskripsi secara matematika dari ilmu kimia. Istilah kimia komputasi selalu digunakan jika metoda matematika disusum agar dapat dijalankan secara otomatis oleh komputer. Karena sangat sedikit aspek kimia yang dapat diselesaikan secara eksak. Hampir setiap aspek kimia dijelaskan secara kulitatif atau kuantitatif melalui prosedur komputasi. Artinya segala perhitungan atau eksak  menggunakan prosedur komputasi.

A. AB INITIO

Istilah “ab initio” berasal dari bahasa latin yang diberikan untuk perhitungan yang diturunkan secara langsung dari prinsip-prinsip teoritis. Ab initio mengacu  pada perhitungan mekanika kuantum melalui beberapa pendekatan matematis, seperti penggunaan persamaan yang disederhanakan (Born-Oppenheimer approximation) atau pendekatan untuk penyelesaian persamaan differensial. 

B. SEMIEMPIRIS

Perhitungan semiempiris disusun dengan cara yang secara umum sama dengan perhitungan HF.Beberapa perhitungan, seperti integral elektron ganda diselesaikan dengan cara pendekatan atau sama sekali dihilangkan. Dalam rangka mengoreksi kesalahan perhitungan akibat penghilangan sebagian dari perhitungan HF, metoda ini diparameterisasi

dengan cara fitting kurva untuk menghasikan beberapa parameter atauangka agar dapat memberikan kesesuaian dengan data eksperimen. Sisi baik dari perhitungan semiempiris adalah mereka lebih cepat daripada perhitungan ab initio. Sisi buruk dari perhitungan semiempiris adalah hasilnya sangat bergantung pada tersedianya parameter yang sesuai

dengan molekul yang dianalisis. Jika molekul yang dikaji mirip dengan molekul yang ada dalam data base yang digunakan dalam metoda parameterisasi, hasilnya akan baik. Jika molekul yang dikaji berbeda secara signifikan dengan molekul yang digunakan dalam metoda parameterisasi, jawabannya mungkin akan sangat berbeda dengan data eksperimen.

Perhitungan semiempiris telah sangat sukses dalam menjelaskan masalah di bidang kimia organik yang hanya mengandung beberapa unsur secara ekstensif dan molekul dengan ukuran yang sedang. Namun demikian, metoda semiempiris akan memberikan beberapa kesalahan, khususnya jika harus menjelaskan permasalahan pada kimia anorganik, terutama jika kita

bekerja dengan melibatkan unsur-unsur transisi.

C. MEKANIKA MOLEKULAR

Jika molekul sangat besar untuk dapat ditinjau dengan metoda semiempiris, masih ada kemungkinan untuk memodelkan kelakuan mereka dengan mengabaikan mekanika kuantum secara penuh. Metoda yang dikenal dengan mekanika molekular menyediakan pernyataan aljabar yang sederhana untuk energi total senyawa, tanpa harus menghitung fungsi

gelombang atau kerapatan elektron total. Pernyataan energi mengandung persamaan klasik sederhana, seperti persamaan osilator harmonis untuk menggambarkan energi yang tercakup pada terjadinya uluran, bengkokan dan torsi ikatan, gaya antarmolekul, seperti interaksi van der Waals dan ikatan hidrogen. Semua tetapan dalam persamaan ini harus diperoleh dari

data eksperimen atau perhitungan ab initio. Dalam metoda mekanika molekukar, data base senyawa yang

digunakan dalam metoda parameterisasi merupakan hal yang krusial berkaitan dengan kesuksesan perhitungan. Himpunan parameter dan fungsi matematika dinamakan medan gaya (Force-Field). Seperti halnya pada metoda semiempiris yang diparameterisasi terhadap satu himpunan molekul organik, metoda mekanika molekular diparameterisasi terhadap golongan

yang khas dari molekul seperti kelompok hidrokarbon, alkohol atau protein. Suatu medan gaya tertentu, misalnya protein, hanya akan berjalan baik untuk mendeskripsikan kelompok senyawa protein, tetapi akan menghasilkan data yang jelek jika digunakan untuk menghitung golongan senyawa yang lain. Sisi baik dari mekanika molekular adalah dimungkinkannya melakukan modeling terhadap molekul yang besar seperti halnya protein dan segmen dari DNA, sehingga metoda ini merupakan alat utama perhitungan bagi para biokimiawan.

Sisi buruk dari mekanika molekular adalah banyak sifat kimia yang tidak dapat didefinisikan dengan metoda ini, seperti halnya keadaan eksitasi elektronik. Dalam upaya untuk bekerja dengan sistem yang besar dan komplek, sering perangkat lunak mekanika molekular mempunyai kemampuan dan kemudahan untuk menggunakan perangkat lunak grafik.

Mekanika molekular terkadang digunakan karena kemudahannya dalam menggambarkan sistem, tetapi tidak perlu merupakan cara terbaik untuk menerangkan sebuah sistem molekul.

RUANG LINGKUP KIMIA KOMPUTASI

A. DINAMIKA MOLEKULAR

Dinamika molekular mengandung pengujian kelakuan kebergantungan waktu pada molekul, seperti gerakan vibrasional atau gerakan Brownian. Hal ini sering dikerjakan dengan penjelasan mekanika klasik yang hampir sama dengan perhitungan mekanika molekular.

Penerapan dinamika molekular pada sistem pelarut/zat terlarut memungkinkan dilakukannya perhitungan sifat sistem seperti koefisien difusi atau fungsi distribusi radial untuk digunakan dalam perhitungan mekanika

statistik. Pada umumnya skema perhitungan pelarut/zat terlarut dimulai dengan sistem yang terdiri dari sejumlah molekul dengan posisi dan kecepatan awal. Energi dari posisi yang baru dihitung relatif terhadap posisi

sebelumnya untuk perubahan waktu yang kecil dan proses ini beriterasi selama ribuan langkah sedemikian hingga sistem mencapai keseimbangan.

Sifat sistem seperti energi, fungsi distribusi radial dan konformasi molekul dalam sistem dapat dianalisis dengan cara pengambilan sampel dari sistem yang telah mencapai keseimbangan.

Dalam rangka menganalisi vibrasi molekul tunggal data energi ditransformasikan secara Fourir ke dalam domain frekuensi. Puncak vibrasi yang diberikan dapat dipilih dan ditransformasikan ke dalam domain waktu, sehingga dapat dilihat gerakan seperti apa yang menyebabkan frekuensi vibrasi tersebut.

Metoda dinamika molekular merupakan metoda simulasi yang sangat berguna dalam mempelajari sistem melekular seperti molekul organik dalam larutan dan senyawa makromolekul dalam proses metabolisme. Metode ini memungkinkan penggambaran struktur, sifat termodinamika dan sifat dinamis dari sistem pada fasa terkondensasi. Bagian pokok dari metodologi simulasi adalah tersedianya fungsi energi potensial yang akurat untuk memodelkan sifat dari sistem yang dikaji. Fungsi energi potensial dapat disusun melalui metoda mekanika kuantum (Quantum Mechanics, QM) atau mekanika molekular (Molecular Mechanics, MM). Permasalahan yang muncul adalah QM hanya dapat digunakan untuk sistem sederhana dengan beberapa puluh satuan massa -mengingat bahwa perhitungan QM memerlukan waktu yang lama- sedangkan metoda MM tidak cukup teliti.

Untuk mengatasi permasalahan ini, dikembangkan suatu metoda hibridisasi yang dikenal dengan nama QM/MM, yaitu bagian yang penting dari sistem yang dikaji dihitung dengan metoda QM, sedangkan bagian sistem yang

tidak harus dijelaskan secara detail dihitung dengan metoda MM. Metoda QM/MM banyak digunakan dalam simulasi reaksi katalitik enzimatik, proses kimia dalam larutan dan docking suatu protein dalam reseptor.

B. MEKANIKA STATISTIKA

Mekanika statistika adalah cara matematika untuk mengekstrapolasi sifat termodinamika dari materi secara keseluruhan (bulk) berpijak pada gambaran molekular dari materi. Banyak mekanika statistik masih dalam tataran metoda kertas dan pensil, karena ahli mekanika kuantum belum dapat menyelesaikan persamaan Schroedinger secara eksak hingga

sekarang sehingga ahli mekanika statistik tidak mempunyai titik awal untuk mengembangkan metoda penyelesaiannya. Perhitungan mekanika statistika sering dilakukan pada akhir perhitungan ab initio terhadap sifat fasa gas.

Untuk sifat fasa terkondensasi, sering perhitungan dinamika molekular diperlukan dalam rangka melakukan eksperimen komputasi.

Salah satu metoda mekanika statistika yang banyak digunakan dalam kimia komputasi adalah Monte Carlo. Dengan metoda Monte Carlo, kita dapat mendapatkan gambaran tentang struktur dan energi dalam keseimbangan, tetapi tidak dapat memberikan gambaran dinamika atau sifat yang bergantung pada waktu.

C. MODELING KEADAAN PADAT

Struktur elektronik dari kristal didefinisikan oleh plot struktur pita (band structure plot), yang memberikan energi dari orbital molekul pada setiap titik dalam ruang, yang dikenal dengan nama daerah Bruillion (Bruillion zone). Perhitungan ab initio dan semiempiris menghasilkan energi orbital, sehingga mereka dapat diterapkan pada perhitungan struktur pita. Jika perhitungan energi molekul memerlukan waktu yang lama, maka diperlukan waktu yang jauh lebih besar untuk menghitung energi setiap titik dalam daerah Bruillion. Perhitungan struktur pita telah dilakukan untuk sistem yang sangat komplek, namun demikian perangkat lunak belum cukup secara otomatis dan belum terlampau cepat untuk menyelesaiakan kasus-kasus struktur pita.

D. TERMODINAMIKA

Termodinamika adalah satu dari sekian banyak penjelasan kimia matematis yang telah dibangun. Sering kali perlakuan termodinamika didapatkan dengan kerja kertas dan pensil karena banyak aspek kimia dapat dijelaskan secara akurat dengan pernyataan matematika yang sederhana. Perhitungan kimia komputasi akan dapat membantu penyelesaian penghitungan besaran termodinamika, terutama akan sangat berguna jika kita berhadapan dengan molekul-molekul yang besar.

E. HUBUNGAN STRUKTUR DAN SIFAT

Hubungan struktur dan sifat adalah pendifinisian empiris kualitatif atau kuantitatif antara struktur molekul dengan sifat yang teramati. Dalam beberapa kasus, ini merupakan duplikat dari hasil mekanika statistika. Hubungan struktur dan sifat yang dikaji belakangan ini selalu merupakan hubungan matematika secara kuantitatif. Hubungan sering sekali diturunkan dengan menggunakan perangkat lunak fitting kurva untuk mendapatkan kombinasi linear sifat-sifat molekular, yang dapat memprediksi sifat-sifat yang dimaksud. Sifat molekular biasanya didapatkan dari perhitungan model molekular. Penggambaran molekular yang lain seperti massa molekul atau gambaran topologi, juga digunakan.

Jika sifat digambarkan sebagai sifat fisika, seperti titik didih, hal ini dikenal dengan hubungan Struktur dan Sifat secara Kuantitatif (Quantitative Structure-Property Relationship, QSPR). Jika sifat digambarkan sebagai aktivitas biologis –misalnya aktivitas obat- maka dikenal sebagai hubungan kuantitatif antara Struktur dan aktivitas (Quantitative Structure-AktivityRelationship, QSAR). Salah satu penerapan kimia komputasi dalam bidang farmasi adalah pada desain obat. Desain obat adalah proses iterasi yang dimulai dengan penentuan senyawa yang menunjukkan sifat biologi yang penting dan diakhiri dengan langkah optimasi, baik dari profil aktivitas maupun sintesis senyawa kimia. Tanpa pengetahuan yang lengkap tentang proses biokimia yang bertanggungjawab terhadap aktivitas biologis, hipotesis desain obat pada umumnya didasarkan pada pengujian kemiripan struktural dan pembedaan antara molekul aktif dan tak aktif. Kombinasi antara strategi untuk mensintesis dan uji aktivitasnya dapat menjadi sangat rumit dan memerlukan waktu yang lama untuk sampai pada pemanfaatan obat. Untuk itu dikembangkan pendekatan teoritis yang dapat menghitung secara kuantitatif tentang hubungan antara aktivitas biologis terhadap perubahan struktur senyawa yang dikenal dengan istilah QSAR Perkembangan lanjut dari QSAR adalah QSAR tiga dimensi, CoMFA (Comparative Molecular Field Analysis). Dalam metoda CoMFA, efek sterik, elektrostatik, luas permukaan dari molekul dihubungkan pada deskripsi molekular spesifik (substituen).

F. PERHITUNGAN SIMBOLIK

Perhitungan simbolik dikerjakan jika sistem sangat besar untuk digambarkan sebagai atom per atom sesuai dengan tingkat pendekatan yang ditetapkan. Sebagai contoh adalah pemodelan membran sel dengan menggunakan struktur lemak secara individual sebagai pengganti poligon dengan beberapa persamaan matematik yang mewakili energi interaksinya. Perlakuan simbolik banyak digunakan pada komputasi bidang biokimia dan mikrobiologi.

G. INTELEGENSI ARTIFISIAL

Teknik yang diciptakan oleh ahli komputer yang tertarik dalam intelegensi artifisial telah diterapkan pada kebanyakan kegiatan perancangan obat pada tahun belakangan ini. Metoda ini juga dikenal dengan nama de Novo atau rancangan obat rasional (rational drug design). Skenario umumnya adalah beberapa sisi fungsional diidentifikasi dan dilanjutkan dengan melihat struktur molekular yang akan berinteraksi dengan sisi tersebut agar dapat menentukan fungsi atau aktivitasnya. Berbeda dengan yang dilakukan oleh ahli kimia dengan mencoba ratusan bahkan ribuan kemungkinan dengan program mekanika molekular. Dalam metoda ini hasil mekanika molekular diintegrasikan ke dalam program intelegensi artifisial yang mencoba sejumlah kecil kemungkinan yang beralasan secara otomatis. Sejumlah teknik untuk mengambarkan bagian “intelegen” dari operasi ini sangatlah luas dan tidak mungkin untuk membuat generalisasi bagaimana implementasi dari program ini.

BAGAIMANA MELAKUKAN PROYEK PENELITIAN DI BIDANG

KIMIA KOMPUTASI ?

Jika menggunakan kimia komputasi untuk menjawab suatu permasalahan kimia, hal yang tak terhindarkan adalah mempelajari bagaimana menggunakan perangkat lunak. Masalah yang tersembunyi dari aktivitas ini adalah kita memerlukan pengetahuan tentang seberapa baik jawaban yang akan kita dapat. Beberapa daftar pertanyaan yang dapat dibuat antara lain : Apa yang ingin kita diketahui dan Bagaimana keakuratan perhitungannya ? Jika kita tidak dapat menjawab pertanyaan tersebut, kita tidak akan mendapatkan proyek penelitian.

Seberapa akurat akan dapat kita prediksi hasilnya ? Dalam kimia analitik, kita dapat mengerjakan sejumlah pengukuran yang identik kemudian dicari standar deviasi untuk mengukur keakuratannya. Dengan eksperimen komputasi, melakukan perhitungan untuk hal yang sama dengan metoda yang sama akan selalu memberikan hasil yang secara eksak sama. Cara yang dapat dilakukan untuk mengukur keakuratan hasil adalah memperkirakan kesalahan perhitungan dengan membandingkan sejumlah perhitungan serupa dengan data eksperimen, sehingga harus tersedia artikel dan kompilasi data yang berkaitan dengan penelitian. Jika data eksperimen tidak ada, kita harus mempunyai metoda yang reasonable -berdasar pada asumsi sesuai dengan pengetahuan kita- sebelum kita menerapkan pada masalah yang akan kita kaji dan melakukan analisa tentang ketelitian hasil yang akan kita peroleh. Jika seseorang hanya memberitahukan bahwa metodanya adalah metoda yang paling baik, kemungkinannya adalah mereka mempunyai sejumlah informasi tersimpan yang banyak, atau

mereka tidak tahu apa yang mereka bicarakan. Berhati-hati jika seseorang memberi tahu bahwa suatu program sangat baik hanya karena itu satusatunya program yang mereka tahu bagaimana menggunakannya, bukan berdasar pada jawaban atas kualitas dari program tersebut dalam menghasilkan data.

Seberapa lama kita harapkan perhitungan akan selesai ? Jika pengetahuan kita sempurna, kita akan memberitahu kepada komputer pribadi untuk memberikan kita penyelesaian eksak persamaan Schroedinger.

Namun demikian sering perhitungan ab initio akan memerlukan waktu yang lama dan mungkin akan memerlukan satu dekade untuk perhitungan tunggal, walaupun kita mempunyai mesin dengan memori dan ruang simpan

yang cukup. Sejumlah metoda tersedia untuk setiap situasi yang kita dihadapi. Cara yang terbaik adalah memilih metoda yang sesuai dengan masalah yang akan kita teliti. Dengan demikian langkah yang harus diambil

adalah melihat di kepustakaan dan mempertimbangkan berapa lama waktu yang diperlukan. Pendekatan apa yang harus dibuat ? Apakah pendekatan yang digunakan dalam perhitungan sudah signifikan dengan masalah yang dikaji ?

Ini menyangkut bagaimana cara kita mengatasi permasalahan yang kita hadapi, jangan sampai kita menghasilkan perhitungan yang bersifat “sampah”. Sebagai contoh, untuk meneliti gerakan vibrasioal yang bersifat

takharmonik tidak mungkin diperoleh dari perhitungan dengan pendekatan osilator harmonik.

Jika kita dapat jawaban akhir dari semua pertanyaan di atas, kita sekarang siap untuk melakukan perhitungan. Sekarang kita harus menentukan perangkat lunak yang ada, berapa harganya dan bagaimana cara menggunakannya. Perlu dicatat bahwa, dua program yang sejenis mungkin akan menghitung sifat yang berbeda, sehingga kita harus meyakinkan diri mengenai program apa yang diperlukan. Jika kita belajar bagaimana menggunakan sebuah program, kita mungkin akan mengerjakan banyak perhitungan yang salah hanya karena kesalahan data masukan. Untuk itu jangan melakukan perhitungan dengan

molekul proyek kita, lakukan percobaan penghitungan yang sangat mudah, misalnya dengan menggunakan molekul air. Dengan demikian kita tidak perlu membuang waktu yang banyak untuk berinteraksi dengan perangkat lunak yang akan kita gunakan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Foresman J. B., Frisch A., 1996, Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods, edisi 1, Gaussian, Inc., Pittsburgh, USA.

2. Zeikinski T. J., Swift M. L., 1996, What Every Chemist Should Know About Computers II, Chem. Educ., 2, 3, 12. 13

3. Jensen F., 1999, Introduction to Computational Chemistry, John Wiley and Sons, New York, USA.

4. Leach A. R., 1996, Molecular Modeling: Principles and Applications, Longman, Singapore.

5. Hansch C., Hoeckman D., Gao H., 1996, Comparative QSAR : Toward A Deeper Understanding of Chemicobiological Interaction, Chem. Rev., 96,3, 1045.

6. Grag R., Gupta S. P., Gao H., Babu M. S., Depnath A. K., Hansch C., 1999, Comparative QSAR : Studies on Anti HIV Drugs, Chem. Rev, 99, 3225.