Mengenal Pactamycin dan Perkembangannya: Pergulatan Ilmuwan Diaspora Melawan Malaria

Ditulis Oleh Jumardin Rua

Ilustrasi (https://www.drugtargetreview.com)

Demam, menggigil, berkeringat, sakit kepala, mual dan muntah adalah beberapa ciri yang nampak pada pada individu yang terjangkit malaria. Penyakit ini disebabkan oleh protozoa dari genus plasmodium, dimana pada manusia terdiri atas 4  spesies yaitu P. falcifarum, P. vivax, P. malariae dan P. ovale. Plasmodium falcifarum menjadi penyebab infeksi paling berat yang menyebabkan kematian tertinggi diantara yang lainnya^[1].

Gambar 1. Plasmodium falciparum (https.m.wikipedia.org)

Mengutip laporan organisasi kesehatan dunia WHO tahun 2015 hingga 2017 menunjukkan progres yang tidak signifikan terhadap penurunan penderita penyakit ini. Diperkirakan ada 219 juta kasus dan 435.000 diantaranya meninggal dunia⁽²⁾. Di Indonesia sendiri selama tahun 2017, tercatat ada 261.617 kasus malaria secara nasional yang menewaskan setidaknya 100 orang. Provinsi Papua, Papua Barat dan Nusa Tenggara Timur merupakan 3 daerah tertinggi kasus malaria⁽³⁾.

Banyaknya korban berjatuhan menjadi tantangan tersendiri bagi negara-negara yang terjangkiti penyakit ini. Permasalahannya pun semakin kompleks ketika wabah penyakit tersebut telah mengalami kekebalan terhadap obat yang tersedia (resistensi). Menurut Fitri dan Simamora (2012) resistensi terjadi karena faktor genetik (mutasi gen) dari Plasmodium falciparum⁽⁴⁾.

Pactamycin diketahui  memiliki aktivitas anti bakteri dan tumor⁽⁵⁾. Senyawa bahan alam turunan aminosiklopentitol tersebut dapat menghambat sintesis protein pada tiga domain filogenetik yaitu eukarya, bacteria dan archae⁽⁶⁾. Hasil analisis sekuens pada 86.000 pasang basa (86 kb) DNA kromosom bakteri Streptomycespactum ATCC 27456 menunjukkan adanya sekelompok gen yang terlibat pada biosintesis (gen pengkode) pactamycin⁽⁵⁾.Senyawa yang kaya akan cincin aminosiklopentitol ini, dapat berikatan dengan molekul lain seprti 6-metilsalisilil, dan dimetil urea⁽⁶⁾. Pactamycin sejatinya juga memiliki kemampuan untuk melawan parasit malaria. Hanya saja senyawa tersebut juga memiliki kemampuan menghambat pembelahan bahkan membunuh sel mamalia (toksisitas)⁽⁷⁾.Atas temuan tersebut tentu akan sangat membahayakan bagi penderita malaria yang akan menggunakannya.

Dalam beberapa tahun terakhir ilmuwan telah mempelajari dan mengembangkan proses biosintesis untuk memperoleh senyawa analog pactamycin. Senyawa analog tersebut memiliki sedikit perbedaan dengan senyawa induk pactamycin seperti perubahan posisi dan pergantian gugusnya. Sudah menjadi pengetahuan umum apabila struktur suatu senyawa sangat terkait dengan sifatnya. Atas dasar itulah modifikasi struktur dilakukan untuk mendapatkan sifat yang diinginkan.

Gambar 2. Struktur senyawa pactamycin dan analognya⁽⁸⁾

Seorang ilmuwan diaspora Prof. Taifo Mahmud dari Oregon State University telah mengembangkan proses biosintesis untuk memperoleh senyawa analog pactamycin. Inaktivasi gen dan penggunaan enzim tertentu adalah beberapa metode yang digunakan oleh guru besar bidang kimia dan farmasi tersebut. Pengembangan proses biosintesis tersebut dapat penulis rangkum sebagai berikut:

1. Gen pengkodepoliketidasintase (Ptmq) ditemukan bertanggungjawab terhadap sintesis 6-asam metil salisilat (6-MSA) pada Spectromyces lividans Inaktivasi in vivo ptmq pada Streptomyces pactum telah menurunkan produksi pactamycinandpactamycate, namun menghasilkan dua pactamycin analog yaitu de-6-MSA-pactamycin and de-6-MSA-pactamycate. Kedua senyawa tersebut menunjukkan aktivitas sitotoksis dan antibakterial yang sama dengan senyawa induk⁽⁵⁾.
2. Modifikasi struktur menggunakan teknologi rekayasa genetika menghasilkan senyawa analog de-6MSA-7-dimetil-7-deoksipactamycin (TM-025) dan 7-demetil-7-deoksipactamycin (TM-026). Struktur senyawa yang tidak terlalu kompleks dan lebih stabil dari pactamycin menunjukkan aktivitas anti malaria. Tetapi memiliki aktivitas anti bakteri yang kurang signifikan dan kira-kira 10 hingga 30 kali lebih rendah toksisitasnya dibandingkan pactamycin terhadap sel mamalia⁽⁷⁾.
3. Memperpendek jalur biosintesis (mutasintesis) TM-025 dan TM-026 dengan memasukkan prekursor (senyawa dasar) 2-fluorin-asam(5-aminobenzoat) dan 5-fluorin-4-metil-asam(3-aminobenzoat) untuk menghasilkan senyawa analog pactamycin TM-025F dan TM-026F. Hasil penelitian menunjukkan TM-025F dan TM-026F memiliki aktivitas anti malaria (IC50) yang lebih tinggi dibanding TM-025 dan TM-026⁽⁹⁾.

Gambar 3. Mutasintesis dengan fluorinasi senyawa pactamycin⁽⁹⁾.

4. Metode menggabungkan jalur biosintesis yang terjadi di alam (natural pathway) dengan inaktivasi gen. Senyawa analog yang dihasilkan yaitu de-6MSA-N,N-didemetil-7-demetil-7-deoksipactamycin (TM 101) dan de-6MSA-N,N-didemetil-7-deoksipactamycin (TM 102) (Gambar 5). Senyawa analog TM 101 dan TM 102 yang dihasilkan resisten terhadap Plasmodium falciparum. Namun diketahui bahwa toksisitas TM 102 100 kali lebih rendah terhadap sel mamalia dibanding pactamycin (Gambar 4) ⁽¹⁰⁾.

Gambar 4. Biosintesis protein. tanda panah tebal dan kotak hijau garis putus-putus  (jalur biosintesis yang terjadi di alam). tanda panah tipis (biosintesis dengan inaktivasi gen)⁽¹⁰⁾

5. Sintesis senyawa pactamycin beserta analognya menggunakan enzim β-Ketoasil-asil pengikat protein (β-Ketoacyl-ACP) sintase (KAS) III. Enzim tersebut memiliki kemampuan yang tinggi untuk bereaksi dengan berbagai senyawa S-asil-N-asetilcisteamine sebagai substrat. Senyawa analog pactamycin yang dihasilkan kaya akan gugus alkil dan aromatik ⁽⁸⁾.

Gambar 5. Prof. Taifo Mahmud (http://people.oregonstate.edu)

Seakan tak ingin berhenti berinovasi Prof. Taifu kembali memodifikasi senyawa pactamycin. Hasil penelitian tersebut telah dipublikasikan di jurnal Nature Chemical Biology tahun 2019 dengan judul Glycosylation of Acyl Carrier Protein-Bound Poliketides during Pactamycin Biosinthesis. Modifikasi dilakukan dengan mengkonversi asam 3-aminobenzoat menjadi 3-aminoasetofenon (separuh pactamycin) melalui pembentukan senyawa intermediet 3-[3-aminofenil]3-oksopropionil-ACP menggunakan enzim poliketidasintase. Molekul intermediet tersebut kemudian mengalami reaksi glikosilasi dengan bantuan enzim N-glikosiltransferase membentuk aminosiklopentitol (struktur utama) pactamycin (Gambar 6)^(6,11).

Gambar 6. Biosintesis asam 3-aminobenzoat menjadi pactamycin^[11].

Glikosilasi pada senyawa asam 3-aminobenzoat masih tergolong baru karena biasanya proses tersebut dilakukan pada senyawa kompleks seperti protein⁽¹¹⁾. Hal ini dapat membuka peluang produksi senyawa pactamycin dan analognya menjadi lebih mudah kedepannya. Para peneliti menambahkan N-asetilglukosamin-3[aminoasetofenon] (GlcNAc-3AAP) tidak terlibat secara langsung pada biosintesis pactamycin. Sehingga kedepannya perlu dilakukan penambahan modifikasi pada sebagian gula sebelum glikosilasi produk β-ketoasil yang dipecah dari senyawa asil pengikat protein (ACP)⁽¹¹⁾.

Referensi

1. Arsin, A., A., 2012, Malaria di Indonesia Tinjauan Aspek Epidemiologi, Masagena Press, Makassar
2. Anonim, 2018, World Malaria Report 2018, https://www.who.int, diakses pada 23 Juli 2019 pukul 22.20 WITA
3. Mediani, M., 2018, Kemenkes: Papua, Papua Barat, dan NTT Endemis Tinggi Malaria, https://m.cnnindonesia.com, diakses pada 23 Juli 21.55 WITA
4. Fitri, L., E., dan Simamora, D., 2012, Resistensi Obat Malaria: Mekanisme dan Peran Kombinasi Obat Anti Malaria untuk Mencegah, Jurnal Kedokteran Brawijaya, Vol. XXIII No. 2, hal. 82-91
5. Ito, T., Roongsawang, N., Shirasaka, N., Lu, W., Flatt, P., M., Kasanah, N., Miranda, C., Mahmud, T., 2009, Deciphering Pactamycin Biosynthesis and Engineered Production of New Pactamycin Analogues, Bio.Chem, 10, 2253-2262
6. Mahmud, T., 2019, From Drug Discoveryto Biosynthetic Studiesof Pactamycin https://chemistrycommunity.nature.com, diakses pada 21 Juli 2019 pukul 14.00 WITA
7. Lu, W., Roongsawang, N., Mahmud, T., 2011, Biosynthetic Studies and Genetic Engineering of Pactamycin Analog swith Improved Selectivity toward Malarial Parasites, Chemistry and Biology, 18, 425-431.
8. Abugrain, M., E., Brumsted, C., J., Osborn, A., R., Philmus, B., Mahmud, T., 2017, A Highly Promiscuous BETA-Ketoacyl-ACP Synthase (KAS) III-like Protein is Involved in Pactamycin Biosynthesis, ACS Chem. Biol., 12, 362-366
9. Almabruk, K., H., Lu., W., Li, Y., Abugreen, M., Kelly, J., X., Mahmud, T., 2013, Mutasynthesis of Fluorinated Pactamycin Analogs and Their Antimalarial Activity, Original Letter, 15(7), 1678-1681
10. Abugrain, M., E., Lu., Li, Y., Serrill, J., D., Brumsted, C., J., Osborn, A., R., Alani, A., Ishmael, J., E., Kelly, J., X., Mahmud, T.,2016, Interrogating the Tailoring Steps of Pactamycin Biosynthesis and Accessing New Pactamycin Analogues, Bio.Chem., 17, 1585-1588
11. Eida, A., A., Abugrain, M., E., Brumsted, C., J., Mahmud, T., 2019, Glycosylation of Acyl Carrier Protein-Bound Poliketides during Pactamycin Biosinthesis, Nature Chemical Biology, Vol. 15, hal. 795-802