kemoinformatika

Kimia merupakan salah satu cabang ilmu yang mengalami perkembangan yang pesat dari tahun ke tahun. Hal ini ditunjukkan oleh semakin banyaknya jumlah senyawa yang disintesis per tahun, perkembangan alat-alat instrumentasi yang semakin maju, semakin banyak senyawa yang dapat discreening untuk pencarian obat baru. Perkembangan ini berdampak pada bertambahnya data-data senyawa baru yang muncul. Ternyata data-data senyawa yang terus menumpuk dari tahun ke tahun malah membuat sebuah masalah tersendiri, bagaimanakah data tersebut disimpan?

Informasi apakah yang bisa kita ambil dari data tersebut? Di sisi lain, banyak permasalahan yang masih memerlukan solusi salah satunya adalah pencarian obat baru yang efektif dll. Kita tahu perhitungan kimia komputasi, baik menggunakan mekanika kuantum, simulasi molekular memerlukan perangkat komputasi yang tinggi dan terbatas pada masalah tertentu dan set data yang kecil. Maka salah satu cara yang bisa dilakukan adalah menggunakan statistik dan mekanika untuk mengolah data-data yang diperoleh eksperimen menggunakan komputer menjadi sebuah informasi yang pada akhirnya memberikan sebuah pengetahuan baru. Inilah esensi dari kemoinformatika.

Kemoinformatika merupakan cabang ilmu baru yang menggunakan komputer untuk mengolah data-data eksperimen kimia menjadi sebuah informasi. Tentu saja, kemoinformatika merupakan gabungan dari ilmu informatika dengan kimia. Kemoinformatika melibatkan bagaimana suatu struktur diubah menjadi sesuatu yang dapat dipahami dan dapat disusun dalam database. Tentu kita pernah menggunakan ChemDraw, ISIS untuk menggambar struktur. Struktur ini kemudian diubah menjadi tabel koneksi dan kemudian diatur dalam sebuah database sehingga komputer bisa mengolah data dengan algoritma tertentu menjadi informasi yang berguna. Sebagai salah satu cabang ilmu baru kehadiran kemoinformatika diharapkan dapat menyelesaikan berbagai macam masalah yang selama ini sukar diatasi baik dengan eksperimen maupun perhitungan kimia komputasi.

Perkembangan kemoinformatika akan sangat membantu dalam proses pengelusidasian struktur, menyusun rute sintesis, menentukan gugus aktif dari sekian ribu senyawa, memodelkan transport obat dalam sel dan juga dapat membantu prediksi obat baru yang lebih efektif. Untuk bisa mencapai manfaat yang demikian, kemoinformatika harus ditunjang oleh perkembangan ilmu kimia dan juga ilmu komputer. Dalam hal desain obat baru dua tantangan yang harus bisa diselesaikan oleh kemoinformatika adalah bagaimana mengambil informasi dari set data yang besar hasil HTS dalam waktu yang singkat dan bagaimana membuat tool in silico yang efektif untuk memodelkan sifat adsorpsi, metabolisme, toksisitas obat. Namun seiring dengan meningkatnya kemajuan peradaban manusia, kemoinformatika akan semakin berkembang dan semakin banyak diajarkan pada mahasiswa (Aktar dan Murmu, 2008).

Meski sama-sama menggunakan komputer tetapi kemoinformatika merupakan bagian ilmu yang berbeda dengan Kimia Komputasi. Dalam Kimia Komputasi kita akan bermain-main dengan metode perhitungan matematis yang diimplementasikan dalam sebuah software, mulai dari mekanika molekular (MM), semi empiris dengan seabrek jenis perhitungannya, Density Functional Theory (DFT), Electron Correlation (Mpn, CASSCF, CI dll). Kemoinformatika tidak akan menggunakan semua metode itu atau dengan kata lain kemoinformatika bukanlah Kimia Komputasi! Pada prinsipnya kemoinformatika hanya memanfaatkan data yang disusun dalam sebuah database kemudian memanfaatkan bagaimana agar database tersebut dapat memberikan informasi pada kita.
Jika dianalogikan dengan eksperimen, maka dalam kemoinformatika ada “rule” yang harus ditaati salah satunya adalah struktur senyawa yang kita gunakan. Struktur ini akan sangat penting karena berpengaruh pada sifat-sifat senyawa sehingga struktur ini harus benar. Bedanya dengan eksperimen, jika di lab kita sebenarnya tidak tahu apakah struktur zat yang kita gunakan sesuai dengan yang kita inginkan atau tidak, tapi di kemoinformatika strukturnya telah jelas.

Kemoinformatika jangan disalahartikan bahwa kita dapat menyuruh komputer melakukan reaksi kimia, misalnya melakukan reaksi A+B kemudian menjadi C, tidak. Kemoinformatika pada prinsipnya bertujuan agar data-data (data) eksperimen di lab dapat diubah menjadi sebuah informasi (information) yang pada akhirnya membuat pengetahuan (knowledge) kita bertambah. Sebagai contoh adalah Computer Assisted Synthesis Design. Di mana kita bisa menggunakan komputer untuk memberikan jalur-jalur sintesis senyawa tertentu lengkap dengan kondisi reaksi, jurnal-jurnal ilmiahnya dll. Semua ini pada awalnya hanyalah data-data yang lalu disusun dalam database baik secara online maupun offline lalu user memanfaatkannya menjadi informasi. Eksekusi terakhir tetap pada tangan peneliti. Bahkan secara tidak sadar orang eksperimen telah menggunakan kemoinformatika ketika mereka membaca MSDS (Material Safety Data Sheet). Contoh lain dari kemoinformatika ada pada software yang dipasang pada alat GC-MS. Jika kita menganalisis spektra massa dari senyawa tertentu maka oleh operator kita akan diberi spektra massa senyawa kita dan spektra massa senyawa standar yang memiliki kemiripan dengan senyawa yang dianalisis. Tingkat kemiripan itu diukur dengan SI (Similarity Index), nah jika SI lebih dari 90 maka kemungkinan besar senyawa standar tersebut memiliki struktur yang sama dengan senyawa yang kita analisis. SI ini sangat berperan penting terutama dalam menentukan senyawa yang akan di-QSAR. Dalam kemoinformatika, SI ini dapat dengan mudah dicari di dalam database.

Pertanyaan yang muncul berikutnya lalu apa bedanya kemoinformatika dengan elusidasi struktur? Ya jelas beda lah. Elusidasi struktur itu melibatkan proses isolasi, pemurnian hingga senyawa tersebut siap dianalisis dengan instrumen seperti NMR, IR, MS dll artinya apa? Kita sebenarnya tidak tahu struktur senyawa sebelum analisis elusidasi struktur. Sedangkan di kemoinformatika strukturnya sudah ketahuan sehingga data hasil elusidasi struktur dapat dimasukkan dalam database. Berarti kemoinformatika dapat membantu elusidasi struktur ya? Yap! Benar sekali. Misalkan kita ingin mengisolasi senyawa baru dalam sebuah buah dari tanaman obat. Dari jurnal-jurnal sebelumnya telah diketahui ada 10 macam senyawa dalam buah tersebut, kita ingin mencari senyawa ke-11, lalu apakah kita harus mengelusidasi struktur 10 macam senyawa sebelumnya satu per satu? Tentu saja tidak, kita dapat mencari data-data hasil elusidasi struktur senyawa sebelumnya di internet kan? Nah berarti data-data tersebut disimpan dalam sebuah database kan? Berarti kita telah menggunakan kemoinformatika dalam elusidasi struktur. Meskipun dalam kemoinformatika sendiri juga ada yang dinamakan Computer Aided Structure Elucidation (CASE).

Tentu saja orang yang menekuni bidang ini harus paham bagaimana data mining, komputer dan database programming :). Ah, saya kan orang kimia masak harus belajar yang begituan sih? Yah, kan kita punya teman-teman dari matematika, statistika, ilmu komputer, teknik informasi, elektronika dan instrumentasi dll, mengapa kita tidak belajar dari mereka atau setidaknya berkolaborasi mengembangkan ilmu kimia lewat komputer :D, sudah tidak jamannya lagi kita harus selalu berkutat dengan sesama mahasiswa kimia saja, cobalah tengok ke “dunia lain”. Oke. Kembali lagi ke bahasan utama, lalu software untuk kemoinformatika itu apa? Apakah sama dengan software yang umumnya kita gunakan seperti GAUSSIAN, HyperChem, GAMESS? Tidak, GAUSSIAN, HyperChem, GAMESS bukanlah software untuk kemoinformatika melainkan software untuk Kimia Komputasi. Software-software kemoinformatika tidak akan berurusan dengan perhitungan kimia komputasi tapi hanya akan berurusan dengan database. Contoh sederhananya SDBS. Halaman web untuk menampilkan data-data hasil instrumen IR, NMR, MS dll. SDBS dapat dikategorikan masuk ke dalam kemoinformatika karena hanya akan menampilkan data dari nama senyawa yang kita inputkan ke dalamnya. Jika senyawa yang kita inputkan tidak ada di database SDBS, maka hasilnya tidak akan keluar (aku pernah mengalami hal ini dulu pas mencari data tentang cardanol, salah satu senyawa yang ada di minyak kulit kacang mete). Atau yang lainnya misalnya web tentang MSDS. Salah satu web page database yang cukup lengkap adalah ChemSpider, PubChem, terus ada juga yang bisa menampikan rute sintesis (ah, lupa namanya), Discovery Suite buatan Acceryls merupakan salah satu software kemoinformatika juga. Oia, sebelum lebih jauh tentang software-software kimia, mari kita membuka pikiran bahwa tidak semua software-software kimia itu fungsinya sama. Ada software-software yang dibuat untuk keperluan kimia komputasi seperti GAUSSIAN, HyperChem, NWCHEM, GAMESS, ADF dll. Ada software yang dibuat untuk visualisasi saja seperti RasMol, Molden, GaussView, Molekel, Jmol dll. Ada juga yang dibuat untuk simulasi seperti TurboMole, untuk docking molekular misalnya Autodock dsb. Untuk menggambar struktur ada ChemDraw (bagian dari ChemOffice), ChemSketch, MarvinSKetch dll.

Di sini kita akan belajar menggunakan MarvinSketch untuk mengakses web page database seperti PubChem atau ChemSpider. Memang sih, MarvinSketch tidak didesain khusus untuk kemoinformatika tapi kita bisa menggunakannya untuk mengefektifkan pencarian data senyawa tertentu, dari pada harus googling apalagi jika struktur senyawa yang kita cari cukup kompleks. Silakan download di link di bawah ini :

marvinsketch

Nah, ternyata perkembangan komputer sangat membantu bagi orang kimia dan masih sedikit mahasiswa/dosen yang secara full bekerja di bidang ini (in silico world), jaman akan terus berubah dan berubah. Masihkah kita menutup mata terhadap bidang ini?
# Aktar, W, Murmu, S, 2008, Chemoinformatics: Principles and Applications, http://www.shamskm.com.
# ditulis setelah kuliah kemoinformatika @FMIPA UGM.

#diambil dari tulisan diblogku http://neax502.wordpress.com/2011/10/18/kemoinformatika/