“Reaksi penangkapan radikal ternyata dimulai dari jarak jauh.”
Selama ini interaksi elektron-elektron pada jarak jauh belum dipertimbangkan saat mempelajari reaksi penangkapan radikal sebuah antioksidan. Tim riset Research Center Quantum Engineering Design (RCQED), Universitas Airlangga telah meriset tentang seberapa penting koreksi interaksi elektron-elektron jarak jauh untuk mempelajari reaksi penangkapan radikal. Hasil riset tersebut telah dipublikasikan di jurnal Royal Society Open Science (RSOS), volume 8, nomor 2, halaman 201127. RSOS menempati peringkat 12 dari 111 jurnal (top tier) dalam kategori multidisciplinary. Peringkat pertama dan kedua pada kategori yang sama adalah Nature and Science.
Reaksi penangkapan radikal adalah sebuah reaksi kimia yang mendeskripsikan bagaimana sebuah antioksidan menetralkan radikal bebas. Kemampuan sebuah antioksidan untuk menetralkan antioksidan diukur sebagai aktivitas antioksidan. Semakin tinggi aktivitas antioksidan sebuah molekul, semakin efektif pula molekul tersebut menetralisir radikal. Efektivitas sebuah antioksidan untuk menetralisir radikal bebas akan berkontribusi pada pencegahan penyakit kronis seperti kanker dan penyakit kardiovaskuler.
Reaksi kimia biasanya fokus pada pembentukan ikatan kovalen. Pembentukan ikatan kovalen disebabkan interaksi-interaksi elektron antaratom yang terdekat (short-range interactions). Namun, ada yang unik dengan reaksi penangkapan radikal. Reaksi ini tidak hanya dipengaruhi oleh short-range interactions, tapi juga interaksi-interaksi elektron antaratom yang berjauhan (long-range interactions). Karena, komputasi reaksi kimia biasanya hanya mempertimbangkan short-range interactions, kita harus memberi koreksi khusus saat mempelajari reaksi penangkapan radikal. Jika tidak, semua long-range interactions yang penting untuk reaksi penangkapan radikal akan diabaikan dalam komputasi. Akibatnya, hasil komputasi tidak akan dapat mempresentasikan kondisi fisis yang sebenarnya.
Melalui studi komputasi, tim riset dari RCQED telah berhasil mendemonstrasikan seberapa signifikan pemberian koreksi long-range interactions saat mempelajari reaksi penangkapan radikal molekul antioksidan dari ekstrak biji melinjo (EBM). Dalam pengerjaan riset ini, tim yang diketuai oleh Dr. Febdian Rusydi (fisikawan, Universitas Airlangga) bekerja sama dengan Prof. Hermawan K. Dipojono (pakar komputasi material maju) dan Prof. Heni Rachmawati (pakar formulasi obat) yang keduanya berasal dari Research Center Nanoscience and Nanotechnology, Institut Teknologi Bandung. Secara konsisten tim riset RCQED fokus pada aplikasi mekanika kuantum pada kasus-kasus biologis dan medis.
Dampak pemberian koreksi long-range interactions sangat signifikan pada komputasi reaksi penangkapan radikal bebas antioksidan EBM (direpresentasikan oleh trans-resveratrol dan gnetin C). Pertama, tim riset berhasil menemukan struktur geometri trans-resveratrol yang selama ini belum pernah teramati di meja eksperimen. Tim riset menemukan bahwa trans-resveratrol tidak berbentuk planar seperti yang teramati di eksperimen, tetapi terpuntir sebesar 30 derajat. Puntiran ini adalah akibat dari adanya long-range interactions yang berupa interaksi coulomb antaratom hidrogen di dalam molekul trans-resveratrol. Perbedaan antara hasil komputasi dan eksperimen disebabkan oleh kondisi eksperimen yang mengamati molekul pada fasa kristal. Pada fasa kristal, molekul-molekul trans-resveratrol berada berdekatan satu sama lain sehingga long-range interactions antarmolekul lebih dominan daripada long-range interactions antaratom dalam molekul.
Kedua, tim berhasil menemukan bahwa reaksi penangkapan radikal antioksidan EBM dimulai dari long-range interactions. Long-range interactions terjadi antara atom hidrogen dari molekul antioksidan dan radikal bebas menghasilkan gaya tolak menolak coulomb. Gaya tolak coulomb ini mengarahkan radikal bebas ke posisi tertentu sehingga reaksi dapat terjadi. Hasilnya, radikal bebas yang datang dapat dinetralkan oleh antioksidan EBM.
Pemberian koreksi long-range interactions ini juga berdampak pada prediksi termodinamika dan kinetika reaksi melalui perhitungan energi. Beda hasil perhitungan sebelum dan sesudah diberikan koreksi bisa mencapai 120 persen. Sangat signifikan, bukan?
Itulah kenapa koreksi ini penting dipertimbangkan saat kita ingin mempelajari reaksi penangkapan radikal antioksidan EBM.
Riset ini merupakan studi komparasi dari empat metode kalkulasi berbasis mekanika kuantum untuk mempelajari reaksi penangkapan radikal antioksidan EBM. Empat metode ini terdiri dari (1) metode tanpa koreksi (B3LYP), (2) metode dengan koreksi long-range interactions untuk dispersi (B3LYP+GD3), (3) metode dengan koreksi long-range interactions untuk coulomb (CAM-B3LYP), dan (4) Metode yang mempertimbangkan long-range interactions untuk dispersi dan coulomb (M06-2X). Hasil yang dikomparasi adalah prediksi geometri molekul dan energi.
Hasil komparasi menunjukkan bahwa hanya metode dengan koreksi long-range interactions khusus coulomb saja yang memberikan pengaruh pada prediksi geometri molekul dan energi untuk reaksi penangkapan radikal antioksidan EBM. Sedangkan metode dengan koreksi long-range interactions khusus dispersi hanya memberikan pengaruh yang sangat kecil sehingga dapat diabaikan.
Hasil riset ini berkontribusi pada pengembangan model komputasi untuk mempelajari sifat-sifat molekul antioksidan dan reaksi yang melibatkan antioksidan. Riset ini merupakan bagian dari roadmap penelitian dari RCQED, sebuah pusat kajian studi di UA yang fokus pada aplikasi mekanika kuantum pada kasus-kasus biologis dan medis.
Penulis: Vera Khoirunisa, S.Si, M.T.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat di laman
Vera Khoirunisa, Febdian Rusydi, Lusia S. P. Boli, Ira Puspitasari, Heni Rachmawati and Hermawan K. Dipojono, 2021, The significance of long-range correction to the hydroperoxyl radical-scavenging reaction of trans-resveratrol and gnetin C, R. Soc. open sci. 8:201127, 201127. http://doi.org/10.1098/rsos.201127
