TRANSFORMASI KIMIA SANTORIZOL DAN METABOLOMIK RIMPANG TEMULAWAK (Curcuma xanthorrhiza) DENGAN MEDIA TANAM BERBEDA DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh Yunita Purnamasari NIM: 30520303 (Program Studi Doktor Kimia) INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Desember 2024 ABSTRAK TRANSFORMASI KIMIA SANTORIZOL DAN METABOLOMIK RIMPANG TEMULAWAK (Curcuma xanthorrhiza) DENGAN MEDIA TANAM BERBEDA Oleh Yunita Purnamasari NIM: 30520303 (Program Studi Doktor Kimia) Temulawak (Curcuma xanthorrhiza) merupakan tumbuhan obat asli Indonesia yang sudah dibudidayakan di berbagai negara. Tumbuhan ini telah dilaporkan mengandung senyawa- senyawa aktif dari kelompok seskuiterpen dan diarilheptanoid. Temulawak memiliki senyawa khas yang tidak ditemukan di tumbuhan rimpang lainnya yaitu santorizol (1) yang termasuk dalam kelompok seskuiterpen bisabolan. Santorizol (1) dilaporkan memiliki berbagai bioaktivitas seperti antikanker, antibakteri, anti-inflamasi, antioksidan, antihiperglikemik, antihipertensi, antiplatelet, nefroprotektif, hepatoprotektif, estrogenik dan efek anti-estrogenik. Transformasi santorizol melalui berbagai reaksi dapat mengarah pada pengembangan senyawa baru yang berpotensi diaplikasikan di berbagai bidang. Pada penelitian ini, santorizol ditransformasi dengan penambahan senyawa dan gugus fungsi yang mengandung atom nitrogen. Penelitian ini diawali dengan isolasi santorizol dari rimpang temulawak. Transformasi santorizol (1) dilakukan dengan reaksi nitrasi dan substitusi fenolik dengan senyawa yang mengandung atom nitrogen, diantaranya morfolin, benzilamin dan quinazolin yang terlebih dahulu direaksikan dengan 1-bromo-3-kloropropana dalam kondisi basa. Struktur senyawa hasil transformasi ditentukan berdasarkan data-data spektroskopi FTIR, 1D-NMR ( 1 H-NMR dan 13 C-NMR) dan 2D-NMR (HSQC dan HMBC), serta spektroskopi massa. Transformasi santorizol menghasilkan enam senyawa, yaitu 2-nitrosantorizol (2), 4- nitrosantorizol (3), 2,4-dinitrosantorizol (4), 4-(3-(2-metil-5-(6-metilhept-5-en-2- il)fenoksi)propil)morfolin (5), N-benzil-3-(2-metil-5-(6-metilhept-5-en-2-il)fenoksi)propan-1- amin (6) dan 6,7-dimetoksi-3-(3-(2-metil-5-(6-metilhept-5-en-2-il)fenoksi)propil)quinazolin- 4(3H)-on (7). Senyawa 2, 3 dan 4 dengan rendemen 32,8%, 27,5%, dan 25,5%, dihasilkan dari reaksi nitrasi santorizol. Sementara itu, senyawa 5, 6, dan 7 dengan rendemen 15,0%, 8,8% dan 14,8%, diperoleh dari hasil reaksi santorizol dengan berbagai senyawa yang mengandung atom nitrogen. Santorizol (1) dan keenam turunannya diuji aktivitas penghambatannya terhadap enzim caspase-7, serta telah diuji terhadap empat bakteri yaitu Bacillus subtilis, Streptococcus aureus, Salmonella typhi dan Pseudomonas aeruginosa. Hasil uji aktivitas terhadap enzim caspase-7 memperlihatkan senyawa 2, 3 dan 7 mengalami peningkatan aktivitas dibandingkan dengan santorizol (1). Hasil uji aktivitas antibakteri memperlihatkan bahwa santorizol dan turunannya menunjukkan aktivitas yang rendah hingga tinggi terhadap keempat bakteri uji. Senyawa 3 memiliki aktivitas paling tinggi terhadap dua bakteri gram-positif (B. Subtilis dan S. aureus), sedangkan senyawa 4 lebih efektif terhadap bakteri gram-negatif (S. typhi dan P. aeruginosa). Pada penelitian ini, profil metabolit rimpang temulawak yang ditumbuhkan pada media tanam dan usia yang berbeda telah berhasil dievaluasi dengan metabolomik berbasis 1 H NMR. Rimpang temulawak ditanam pada media tanah, tanah:sekam (2:1) dan tanah:sekam:pupuk kandang (1:1:1) dan dipanen pada usia bulan keempat hingga kesembilan. Sampel rimpang diekstraksi langsung dengan pelarut terdeuterasi, yaitu D 2O dan CDCl3, yang kemudian diukur dengan spektroskopi NMR. Senyawa-senyawa pada sampel rimpang diidentifikasi dengan mendeteksi sinyal-sinyal karakteristik pada spektrum 1 H NMR dan dikonfirmasi lebih lanjut dengan analisis spektrum 2D NMR meliputi 1 H- 1 H gCOSY, 1 H- 1 H zTOCSY, dan J-Resolved. Sebanyak 17 metabolit primer dan 23 metabolit sekunder dari rimpang temulawak telah berhasil teridentifikasi. Berdasarkan analisis massa, profil metabolit dan data multivariat dari rimpang temulawak menunjukkan bahwa usia panen kedelapan dengan media tanah, sekam bakar, dan pupuk kandang merupakan kondisi paling optimum. Pada bulan kedelapan menghasilkan rimpang dengan massa yang paling besar dan senyawa yang berkontribusi paling tinggi yaitu santorizol (1), 3,4-dihidroksibisabola-1,10-dien (22), asam asetat (71), asam suksinat (73), dan valin (78). Kata kunci: Temulawak, Metabolomik, Sintesis, Santorizol, Bioaktivitas ABSTRACT CHEMICAL TRANSFORMATIO N OF XANTHORRHIZOL AND METABOLOMIC ANALYSIS O F TEMULAWAK RHIZOMES (Curcuma xanthorrhiza) GROWN IN DIFFERENT MEDIA By Yunita Purnamasari NIM: 30520303 (Doctoral Program in Chemistry) Curcuma xanthorrhiza, often known as temulawak, is a native Indonesian medicinal plant that has been grown around the world. This growth has reportedly identified active components from the sesquiterpene and diarylheptanoid groups. Temulawak contains a particular chemical called xanthorrhizol (1), a member of the bisabolane sesquiterpene group, absent from other rhizome plants. Many bioactivities, including anticancer, antibacterial, anti-inflammatory, antioxidant, antihyperglycemic, antihypertensive, antiplatelet, nephroprotective, hepatoprotective, estrogenic, and anti-estrogenic actions, have been found in xanthorrhizol (1). The transformation of xanthorrhizol through various reactions can lead to the development of new compounds with potential applications in various fields. Xanthorrhizol (1) was changed in this study by adding a functional group containing a nitrogen atom. Xanthorrhizol (1) was first isolated from C. xanthorrhiza rhizomes for this investigation. The transformation xanthorrhizol (1) is carried out by a nitration reaction and substitution of the hydroxyl group with compounds containing nitrogen atoms, including morpholine, benzylamine and quinazoline, which are first reacted with 1-bromo-3-chloropropane under alkaline conditions. The structure of the transformed compound was determined based on FTIR, 1D-NMR ( 1 H- NMR and 13 C-NMR) and 2D-NMR (HSQC and HMBC) spectroscopy data and mass spectroscopy. Compounds such as 2-nitroxanthorrhizol (2), 4-nitroxanthorrhizol (3), 2,4- dinitroxanthorrhizol (4), 4-(3-(2-methyl-5-(6-methylhept-5-en -2- yl)phenoxy)propyl)morpholine (5), N-benzyl-3-(2-methyl-5-(6-methylhept-5-en-2- yl)phenoxy)propan-1-amine (6), and 6,7-dimethoxy-3-(3-(2-methyl-5-(6-methylhept-5-en-2- yl)phenoxy)propyl)quinazolin-4(3H)-one (7) are the compounds produced by the six transformations of santorizol. By nitrating xanthorrhizol (1), compounds 2, 3, and 4 were created, yielding 32.8%, 27.5%, and 25.5% of the reaction. In the meantime, compounds 5, 6, and 7 were produced by substituting other compounds containing nitrogen atoms for the hydroxyl group of xanthorrhizol (1), yielding 15.0%, 8.8%, and 14.8% of the original product. Xanthorrhizol (1) and its six derivatives were evaluated against Bacillus subtilis, Streptococcus aureus, Salmonella typhi, and Pseudomonas aeruginosa to determine their inhibitory effect against the caspase-7 enzyme. In contrast to the standard, Z-VAD-FMK, which gives 100% inhibition, compounds 2 and 3 provide inhibition values of 16% and 11% in the enzyme activity test against caspase-7, respectively. These results fall into the weak group. Xanthorrhizol and its derivatives had low to high activity against the four tested bacteria, according to the results of the antibacterial activity test. Compound 3 exhibited the strongest action against two gram- positive bacteria (B. subtilis and S. aureus) out of all the compounds examined. This study successfully evaluated the metabolite profile of C. xanthorrhiza rhizomes grown in different growing media and ages using 1 H NMR-based metabolomics. Temulawak rhizomes are taken in the fourth to ninth month of growth and planted in a soil medium, namely soil: husk (2:1) and soil:husk: manure (1:1:1). Rhizome samples were extracted directly with deuterated solvents, namely D 2O and CDCl3, which were then measured using NMR spectroscopy. Compounds in rhizome samples were identified by detecting characteristic signals in the 1 H NMR spectrum and further specialized by 2D NMR spectrum analysis, including 1 H- 1 H gCOSY, 1 H- 1 H zTOCSY, and J-Resolved. A total of 17 primary metabolites and 23 secondary metabolites were found in C. xanthorrhiza rhizomes. C. xanthorrhiza rhizomes mass analysis, metabolite profiles, and multivariate data indicate that an ideal harvest age of eighty is reached. It yields the most extensive mass rhizomes and the maximum concentration of contributing components xanthorrhizol (1), 3,4-dihydroxybisabola-1,10-diene (22), acetic acid (71), succinic acid (73), and valine (78)) in the eighth month. Key words: Temulawak, Metabolomic, Synthesis, Xanthorrhizol, Bioactivity HALAMA TRANSFORMASI KIMIA SANTORIZOL DAN METABOLOMIK RIMPANG TEMULAWAK (Curcuma xanthorrhiza) DENGAN MEDIA TANAM BERBEDA Yunita Purnamasari NIM: 30520303 (Program Studi Doktor Kimia) Institut Teknologi Bandung Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal 17 Desember 2024 Ketua ______________________ (Dr.rer.nat. Nizar Happyana, M.Si.) Anggota ______________________ (Dr.rer.nat. Didin Mujahidin, M.Si.) HALAMAN PENGESAHAN Ketua ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ r.rer.nat. NiNiiiNiNNNNNNiiiiiiiiiiiizaaaaaaaaaaaaaaaaaar rrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrHappyana, M Anggota _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ (Dt DiiddddddiM j hidi M Si PEDOMAN PENGGUNAAN DISERTASI Disertasi Doktor yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada penulis dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin penulis dan harus disertai dengan kaidah ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Sitasi hasil penelitian Disertasi ini dapat ditulis dalam bahasa Indonesia sebagai berikut: Purnamasari, Yunita. (2024): Transformasi Kimia Santorizol dan Metabolomik Rimpang Temulawak (Curcuma xanthorrhiza) dengan Media Tanam Berbeda, Disertasi Program Doktor, Institut Teknologi Bandung. dan dalam bahasa Inggris sebagai berikut: Purnamasari, Yunita. (2024): Chemical Transformation of Xanthorrhizol and Metabolomic Analysis of Temulawak Rhizomes (Curcuma xanthorrhiza) Grown in Different Media, Doctoral Dissertation, Institut Teknologi Bandung. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh disertasi haruslah seizin Dekan Sekolah Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung..