Apa Itu Kimia Komputasi? Apa Gunanya Kimia Komputasi itu?

Penggunaan kimia komputasi  adalah untuk menjawab permasalahan kimia. Hal yang tak terhindarkan dalam pemanfaatan komputer ini adalah bagaimana menggunakan perangkat lunak. Masalah yang tersembunyi dari aktivitas ini adalah tentang seberapa baik jawaban yang diperoleh. Beberapa pendekatan untuk mulai mengetahui kimia komputasi adalah dengan mengajukan beberapa pertanyaan ini:

• Seberapa akuratkah hasil yang diperoleh akan didapatkan  ?
• Seberapa lama perhitunganya akan selesai ?
• Pendekatan apa yang harus dibuat ?‘
• Apakah pendekatan yang digunakan dalam perhitungan sudah signifikan dengan masalah yang dikaji ?

Sumber : http://www.scribd.com/doc/73340630/Manfaat-Kimia-Komputasi-Dalam-Penelitian , Dr. Harno Dwi Pranowo, M.Si (Pendekatan Komputasi dalam Pembelajaran Kimia).

Untuk menjawab hal ini, perlu dirunut dari perkembangan kimia komputasi sehingga akan memperoleh gambaran bagaimana pemanfaatan kimia komputasi.

Kimia Komputasi Dalam Rancangan Obat

Kimia komputasi, adalah penggunaan komputer dalam mengkaji aspek-aspek kimia. Deskripsi sifat-sifat kimia dalam eksperimen komputer. Model molekul yang digunakan adalah hasil pakar kimia teoritis, namun perhitungannya telah menggunakan "cara" algoritma tertentu dengan bahasa pemrograman komputer. Proses mendesain obat baru dan mengedarkannya ke masyarakat merupakan proses panjang selama bertahun-tahun (5-7 tahun) dan biayanya tinggi (50-100 juta USD).Hal ini menjadi tantangan bagi peneliti untuk menghasilkan strategi dan upaya efektif dan ekonomis untuk penemuan obat baru. Salah satu strategi yang banyak dikembangkan untuk desain molekul obat baru adalah kimia komputasi.

Awal Mula Kimia Komputasi
Perkembangan kimia komputasi yang sangat pesat dimulai pada tahun 1950-an. Beberapa konsep ilmu kimia khususnya pada skala molekuler dapat dipelajari dengan menggunakan model molekul (Leach, 1996). Salah satu keuntungan dari penggunaan komputer ini adalah dengan adanya bahasa pemrograman sehingga sifat molekul yang komplek dapat dihitung, dan hasil perhitunganya memberikan korelasi yang signifikan terhadap data eksperimen.

PERKEMBANGAN KIMIA KOMPUTASI

Perkembangan eksperimen komputer mengubah secara substansial hubungan tradisional antara teori dan eksperimen. Simulasi membutuhkan suatu metode yang akurat dalam memodelkan sistem yang dikaji. Simulasi sering dapat dilakukan dengan kondisi yang sangat mirip dengan eksperimen sehingga hasil perhitungan kimia komputasi dapat dibandingkan secara langsung dengan eksperimen, jika hal ini terjadi, maka simulasi bersifat sebagai alat yang sangat berguna, bukan hanya untuk memahami dan menginterpretasi data eksperimen dalam tingkat mikroskopik, tetapi dapat juga mengkaji bagian yang tidak dapat dijangkau secara eksperimen, seperti reaksi pada kondisi tekanan yang sangat tinggi atau reaksi yang melibatkan gas berbahaya.
Penelitian kimia dengan alat komputer pada era 1950-an dimulai dengan kajian hubungan struktur kimia dengan aktivitas fisiologi dari senyawa. Salah satu ahli kimia yang berjasa besar dalam bidang ini adalah John Pople yang berhasil mengkonversi teori-teori fisika dan matematika ke dalam kimia melalui program komputer. Metode kimia komputasi memungkinkan para kimiawan melakukan penentuan struktur dan sifat suatu sistem kimia dengan cepat. Bidang yang sangat terbantu dengan berkembang kimia komputasi adalah bidang kristalografi.

      Dua peneliti dalam bidang kimia komputasi telah memenangkan Nobel bidang sains pada tahun 1998 yaitu Walter Kohn dengan Teori Fungsional Kerapatan (Density Functional Theory, DFT) dan John A. Pople yang telah berjasa dalam mengembangkan metode komputasi dalam kimia kuantum, mereka telah member peluang para kimiawan mempelajari sifat molekul dan interaksi antara molekul. John Pople telah mengembangkan kimia kuantum sebagai suatu metode yang dapat digunakan oleh hampir semua bidang kimia dan membawa kimia ke dalam era baru yaitu eksperimen dan teori dapat bekerja bersama dalam mengeksplorasi sifat sistem molekular. Salah satu produk program komputasi kimia yang dihasilkan oleh Pople adalah GAUSSIAN.

      Tahun-tahun belakangan ini dapat dilihat kenaikan jumlah orang yang berkerja pada kimia teori, kebanyakan peneliti ini adalah teoretikus kerja paruh waktu ya itu mereka yang sudah bekerja pada bidang kimia selain kimia teori. Kenaikan jumlah peneliti di bidang kimia teori ini ditunjang oleh perkembangan kemampuan komputer dan perangkat lunak yang semakin mudah digunakan, hal ini menyebabkan banyak orang yang melakukan perkerjaan di bidang kimia komputasi, walaupun tanpa mempunyai pengetahuan cukup tentang bagaimana perhitungan kimia itu dijalankan oleh komputer, sebagai hasilnya, banyak orang yang tidak mengetahui bahkan penjelasan yang sangat mendasar sekali pun tentang bagaimana perhitungan dijalankan sehingga pekerjaan yang dihasilkan dapat merupakan hasil yang sesunguhnya atau hanya berupa “sampah”.

Kebutuhan Fasilitas

Dukungan fasilitas menentukan kualitas pekerjaan. Kebutuhan minimal untuk kimia komputaasi sebenarnya terjangkau. Seperangkat komputer dengan spesifikasi standar dan terutama menggunakan sistem operasi Windows minimal 9X. Prosesor minimal pentium dengan RAM 16 MB dan kapasitas kosong dari harddisk sekitar 700 MB – 1500 MB untuk instalasi software (tergantung keperluan).Kemampuan grafis komputer semakin tinggi akan semakin baik. Printer warna hanya diperlukan untuk mencetak dan membuat laporan.Kebutuhan yang penting adalah aplikasi (software). Aplikasi yang digunakan untuk visualisasi struktur molekul dapat bersifat komersial maupun yang bersifat freeware (gratis) atau shareware (gratis untuk sementara waktu atau gratis untuk software versi terbatas).

Peran Kimia Komputasi dalam bidang Desain Molekul Obat

• Metode in vitro dan in vivo lazim digunakan dalam proses penemuan obat. Komputer menawarkan metode in silico, -suatu metode yang menggunakan kemampuan komputer dalam rancang obat- sebagai komplemen dari in vitro dan in vivo.
• Kemampuan komputasi yang meningkat secara eksponensial merupakan peluang mengembangkan simulasi dan kalkulasi dalam merancang obat baru.
• Perangkat lunak kimia komputasi yang dapat digunakan adalah seperti HyperChem (www.hypercub.com) memberikan fasilitas memadai untuk ‘melihat’ bentuk molekul’, menikmati vibrasi ikatan antar atom yang terekam sebagai spektra infra merah, dan dinamika perubahan struktur molekul akibat pengaruh sistem reaksi.
• Desain obat merupakan proses iterasi dimulai dengan penentuan senyawa yang menunjukkan sifat biologi penting dan diakhiri dengan langkah optimasi, baik dari profil aktivitas maupun sintesis senyawa kimia.
• Tanpa pengetahuan 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.
• Keberadaan komputer yang dilengkapi dengan aplikasi kimia komputasi, memungkinkan ahli kimia komputasi medisinal menggambarkan senyawa obat secara tiga dimensi (3D) dan melakukan komparasi atas dasar kemiripan dan energi dengan senyawa lain yang sudah diketahui memiliki aktivitas tinggi (pharmacophore query).
• Berbagai senyawa turunan dan analog dapat “disintesis” secara in silico atau yang sering diberi istilah senyawa hipotetik

Molecular Modeling

Beberapa aplikasi dalam kimia komputasi adalah molecular modeling. Beberapa penggunaannya meliputi : molecular graphics : menggambarkan molekul, memberi deskripsi atas karakteristiknya; molecular visualizations: visiualisasi bentuk; computational chemistry: kimia komputasi; computational quantum chemistry : teori kimia kuantum; theoretical chemistry: aspek kimia teoritis

Data pada Molecular Modeling

 Molekuler Modeling biasanya dimulai melalui tiga metode utama:

1.  Bangunan menggunakan standard geometries - khususnya ikatan panjang dan sudut utama,

2.  Membangun molekul menggunakan fragmen yang diketahui secara logis aspek geometriesnya - ini biasanya telah dikoreksi oleh beberapa metode "optimalisasi"; dan
3.  Mambangun molekul Menggunakan data fisik  yang diperoleh dari percobaan - biasanya X-ray crystallography, netron diffraction,  struktur disimpulkan dari data nuklir magnetic resonance (NMR).

Metode Dalam Kimia Komputasi

Istilah kimia komputasi selalu digunakan jika metoda matematika disusun agar dapat dijalankan secara otomatis oleh komputer.Perlu dicatat bahwa kata “eksak” dan “sempurna” tidak muncul dalam definisi kimia komputasi. Sangat sedikit aspek kimia yang dapat diselesaikan secara eksak. Hampir setiap aspek kimia dijelaskan secara kualitatif atau kuantitatif.Terdapat tiga kategori metode dalam kimia komputasi ini : Metode Mekanika Kuantum Ab Initio, Mekanika Kuantum Semiempirik dan Mekanika Molekuler.

Metode Mekanika Kuantum Ab Initio

• Tersedia pilihan beberapa himpunan basis di dalam program ini. Himpunan basis standar yang biasa digunakan antara lain STO-3G, 3-21G, 6-31G* dan 6-31G**.
• Fungsi-fungsi basis ekstra (s, p, d, sp, spd) dapat ditambahkan ke atom-atom individual atau ke sekelompok atom.
• Pengguna juga dapat mendefinisikan himpunan basisnya sendiri atau memodifikasi himpunan basis yang telah ada dengan menggunakan HyperChem's documented basis set file format.

 Mekanika Kuantum Semiempirik

•   Hyperchem menawarkan sepuluh metode molekular orbital semiempirik, dengan pilihan untuk senyawa organik dan senyawa-senyawa gugus utama, untuk senyawa-senyawa transisi dan untuk simulasi spektra.

•   Metode yang tersedia adalah Extended Huckel (oleh Hoffmann), CNDO dan INDO (oleh Pople dkk), MINDO3, MNDO, MNDO/d dan AM1 (oleh Dewar dkk) PM3 (oleh Stewart), ZINDO/1 dan ZINDO/S (oleh Zerner dkk).

Mekanika Molekuler

 HyperChem merupakan aplikasi yang dapat digunakan secara mudah dalam menghasilkan struktur molekul 3D, dengan pilihan 4 metode mekanika molekuler,teknik optimasi geometri untuk mendapatkan struktur molekul stabil, dan teknik dinamika molekuler untuk mendapatkan pencarian konformasi dan menginvestigasi perubahan struktur.
Empat metode medan gaya (force field) memudahkan kita untuk mengeksplorasi stabilitas dan dinamika sistem molekular untuk senyawa yang mempunyai massa ataom besar.Untuk keperluan umum digunakan MM+, sedangkan untuk biomolekul dapat digunakan salah satu dari tiga metode medan gaya: AMBER, BIO+ dan OPLS 
MM+

Sesuai untuk sebagian besar spesies non-biologi.

•   Berdasarkan MM2 (1977) yang disusun oleh N.L. Allinger.

•   Menggunakan himpunan parameter 1991.

•   Akan menjadi parameter default dalam kasus parameter MM2 tidak tersedia
AMBER

•   Medan gaya AMBER force field disusun oleh Kollman

•   Sesuai untuk digunakan pada polipeptida dan asam nukleat dengan semua atom hidrogen diikutkan dalam perhitungan
OPLS

•    Didesain untuk perhitungan asam nukleat dan peptida

•    OPLS disusun oleh jorgensen

•       Parameter interaksi tak berikatan dioptimasi dari perhitungan dengan pelarut termasuk di dalamnya.

     BIO+

•   Medan gaya CHARMM disusun oleh Karplus

•   Dikhususkan untuk perhitungan makromolekul

•   Disusun Primarily designed to explore macromolecules

•   Termasuk parameter CHARMM untuk perhitungan asam amino.

Referensi

1.  Cramer, C. J., 2004, Essentials of Computational Chemistry, Theories and Models, John Wiley & Sons Ltd

2.  Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A. et al., 1995, Gaussian98 (Revision A.1), Gaussian, Inc., Pittsburgh PA

3.  Leach, A. R., 2001, Molecular Modelling, Principles and Applications, Pearson Education Ltd., Essex

4.  Rogers, D. W., 2003, Computational Chemistry Using the PC, John Wiley & Sons, Inc.

5.  Young, D. C., 2001, Computational Chemistry, A Practical Guide for Applying Techniques to Real Worlds Problems, Wiley-Interscience, New York

6.  Website : http://www.molecules.org/