स्रोत: प्रेस सूचना ब्यूरो (पीआईबी), भारत सरकार — शिक्षा मंत्रालय · पीआईबी अहमदाबाद · मूल विज्ञप्ति pib.gov.in पर पढ़ें
- आईआईटी गांधीनगर, आईआईटी जोधपुर, आईआईएसईआर कोलकाता और पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय के सहयोगात्मक शोध में पाया गया कि कोशिका के चारों ओर तरल पदार्थ में सक्रिय एंजाइमों ने कोशिका के ट्रांसफ़रिन (एक लौह ले जाने वाला प्रोटीन) के अवशोषण को बढ़ा दिया है।
- अध्ययन सुसंस्कृत कोशिकाओं में प्रदर्शित करता है कि एक स्थानीय रासायनिक प्रतिक्रिया इस बात को प्रभावित कर सकती है कि अणु कोशिकाओं तक कितनी कुशलता से पहुंचते हैं और प्रवेश करते हैं
- अध्ययन संभावित रूप से चिकित्सीय अनुप्रयोगों के लिए आणविक परिवहन को नियंत्रित करने के लिए नई दिशाएं खोल सकता है
जब एंजाइम आणविक दुनिया में हलचल मचाते हैं
विश्राम और गति के बीच
तरल पदार्थ में बैठी एक कोशिका, जीव विज्ञान की सबसे निष्क्रिय चीज़ों में से एक लगती है। पोषक तत्व आणविक गति की लक्ष्यहीन धाराओं पर इसकी ओर बहते हैं, और कभी-कभार कोई कोशिका की सतह पर सही जगह पर टकराता है और अंदर खींच लिया जाता है। कोशिका की यह धारणा कि यह संयोग से चलने वाली लॉटरी है, जिसमें अणु भटक रहे हैं और कोशिका प्रतीक्षा कर रही है, एक गलत धारणा थी।
जीवविज्ञानी लंबे समय से जानते हैं कि चित्र उससे कहीं अधिक व्यस्त है। कोशिकाएँ सक्रिय हैं, और उनके चारों ओर का तरल कार्यशील अणुओं से भरा हुआ है। राष्ट्रीय और अंतरराष्ट्रीय साझेदारों के साथ भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान गांधीनगर (आईआईटीजीएन) के शोधकर्ताओं ने अब इसमें एक नया मोड़ जोड़ा है। उनका अध्ययन, में प्रकाशित हुआ छोटा, ने दिखाया है कि कोशिका के चारों ओर का तरल पदार्थ एक खाली, तटस्थ चरण नहीं है, जैसा कि कोई मान सकता है। वास्तव में, यह कोशिकाओं के अंदर अणुओं के परिवहन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय, आईआईटी जोधपुर और भारतीय विज्ञान शिक्षा और अनुसंधान संस्थान कोलकाता की शोध टीमों ने आईआईटीजीएन के साथ मिलकर यह रिपोर्ट दी कि कोशिका के बाहर तरल पदार्थ में होने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया, अपने आप, कोशिका को एक विशेष कार्गो का अधिक मात्रा में लेने का कारण बन सकती है।
"उस परिवर्तन के एजेंट एंजाइम हैं, प्रोटीन मशीनें जो शरीर में प्रतिक्रियाओं की एक विस्तृत श्रृंखला को संचालित करती हैं, और, उल्लेखनीय रूप से, वे इसे कोशिका में प्रवेश किए बिना या कार्गो में बिल्कुल भी बदलाव किए बिना करते हैं," अध्ययन के संबंधित लेखक और आईआईटीजीएन के भौतिकी विभाग में एसोसिएट प्रोफेसर डॉ. कृष्ण कांति डे ने समझाया। डॉ. डे सॉफ्ट एंड लिविंग मैटर लेबोरेटरी का नेतृत्व करते हैं, जो अध्ययन करता है कि जो सिस्टम अपनी गति उत्पन्न करते हैं वे सबसे छोटे पैमाने पर कैसे व्यवहार करते हैं।
इस अध्ययन को बेहतर ढंग से समझने के लिए एक तालाब का चित्र लीजिए। यदि कोई टेनिस बॉल को शांत पानी में गिरा दे, तो वह मुश्किल से ही हिलेगी। जो भी हल्की धाराएं मौजूद होंगी, गेंद उन पर बहती रहेगी। अब कल्पना कीजिए कि तालाब छोटे-छोटे, अथक तैराकों से भरा है, हर कोई इधर-उधर पानी उछाल रहा है। उनमें से कोई भी गेंद को नहीं छूता, लेकिन उनके सामूहिक मंथन से पानी में बेचैनी पैदा हो जाती है। टेनिस बॉल अब अधिक व्यापक रूप से घूमना शुरू कर देती है, तालाब के किनारे पर अपने आप पहुंचने की तुलना में अधिक बार और बहुत जल्दी पहुंचती है।
यह प्रभाव अनुसंधान दल द्वारा किए गए सेलुलर प्रयोगों में प्रतिबिंबित होता है, जहां 'तैराकों' या एंजाइमों द्वारा उत्पन्न यांत्रिक हलचल आस-पास के अणुओं को कोशिका की ओर धकेलने में मदद करती है, जिसके परिणामस्वरूप कोशिका उनमें से अधिक को अवशोषित करती है। वे जिस 'टेनिस बॉल' को प्रभावित कर रहे हैं वह ट्रांसफ़रिन है, एक प्रोटीन जिसका उपयोग शरीर लोहे को कोशिकाओं में ले जाने के लिए करता है। और 'तालाब का किनारा' कोशिका की सतह है, जो रिसेप्टर्स से युक्त है जो कार्गो फैसिलिटेटर के रूप में कार्य करती है, पासिंग ट्रांसफ़रिन को पकड़ती है और इसे क्लैथ्रिन-मध्यस्थता वाले एंडोसाइटोसिस के माध्यम से अंदर ले जाती है।
परिभाषित आंदोलन
क्लैथ्रिन-मध्यस्थता एन्डोसाइटोसिस अनिवार्य रूप से एक कोशिका है जो एक कैप्चर किए गए अणु के चारों ओर अपनी झिल्ली को अंदर की ओर फैलाती है, जिसमें प्रोटीन का एक नेटवर्क होता है जो झिल्ली को एक छोटी जेब में मोड़ने में मदद करता है। जैसे-जैसे जेब गहरी होती जाती है, यह अंततः कोशिका की सतह से अलग हो जाती है, जिससे एक छोटी पुटिका बन जाती है जो पकड़े गए अणु को कोशिका में ले जाती है। कोशिका जीव विज्ञान में सबसे गहन अध्ययन की गई प्रक्रियाओं में से एक के रूप में, इसने शोधकर्ताओं के लिए उनकी परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए पर्याप्त परीक्षण के रूप में कार्य किया।
"हमने ट्रांसफ़रिन को चुना क्योंकि कोशिका में इसकी यात्रा को दशकों से बारीक विवरण में मैप किया गया है, इसलिए हम जानते थे कि सामान्य अवशोषण कैसा दिखना चाहिए। उस अच्छी तरह से स्थापित आधार रेखा के खिलाफ, उत्पादित एंजाइम शोर में खो जाने के बजाय स्पष्ट रूप से सामने आएंगे। और क्योंकि हमने दो बहुत अलग एंजाइम-सब्सट्रेट सिस्टम के साथ एक ही पैटर्न देखा, हमें विश्वास है कि प्रभाव एक विशेष प्रतिक्रिया का विचित्र नहीं है, "अध्ययन के संबंधित लेखक और आईआईटीजीएन के विभाग में एक एसोसिएट प्रोफेसर डॉ. धीरज भाटिया ने कहा। जैविक विज्ञान और इंजीनियरिंग के.
शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोगों के लिए फ्लोरोसेंटली लेबल वाले ट्रांसफ़रिन का उपयोग किया। उन्होंने कोशिकाओं को आसपास के सक्रिय एंजाइमों के साथ और उनके बिना, इन लेबल वाले लौह ट्रांसपोर्टरों को अवशोषित करने की अनुमति दी। फ्लोरोसेंट डाई एक चमकदार जीपीएस सिग्नल के रूप में कार्य करती है, ट्रांसफ़रिन को ट्रैक करती है और ग्रहण की दक्षता का भी संकेत देती है। अधिक चमक, अधिक ग्रहणशीलता।
कार्यशील एंजाइम वाली कोशिकाएं अधिक चमकने लगीं। उन्होंने लगभग 17 प्रतिशत अधिक ट्रांसफ़रिन ग्रहण किया था। लेकिन एक उज्जवल कोशिका केवल यह साबित करती है कि कुछ बदला है, क्यों नहीं।
सेल्यूलर ट्रैफिक पर प्रकाश डालना
ऐसे कई तरीके हैं जिनसे एक बाह्य कोशिकीय एंजाइम कोशिकीय ग्रहण को संभावित रूप से प्रभावित कर सकता है। यह कोशिका झिल्ली को बदल सकता है, परिवहन मशीनरी को प्रभावित कर सकता है, रिसेप्टर व्यवहार को प्रभावित कर सकता है, या भौतिक वातावरण को बदल सकता है जिसके माध्यम से ट्रांसफ़रिन चलता है।
इसलिए टीम ने टोटल इंटरनल रिफ्लेक्शन फ्लोरेसेंस (टीआईआरएफ) माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके ट्रांसफ़रिन की गति को देखा। इमेजिंग तकनीक कोशिका की सतह पर अंतरिक्ष के केवल सबसे पतले टुकड़े को रोशन करती है, जहां कार्गो (ट्रांसफ़रिन) रिसेप्टर से मिलता है। उन्होंने देखा कि जब एंजाइम सक्रिय थे तो ट्रांसफ़रिन लगभग 50 प्रतिशत तेजी से आगे बढ़ रहा था।
एक दूसरी तकनीक, प्रतिदीप्ति सहसंबंध स्पेक्ट्रोस्कोपी, ने एक समान परिणाम उत्पन्न किया, जिसमें यूरेस एंजाइम के साथ लगभग 40 प्रतिशत और क्षारीय फॉस्फेट एंजाइम के साथ 44 प्रतिशत की ट्रांसफ़रिन प्रसार में वृद्धि को मापा गया।
अध्ययन की पहली लेखिका और आईआईटीजीएन के भौतिकी विभाग में पीएचडी स्कॉलर निविधा ने कहा, "हमारे प्रयोगों से पता चला है कि बढ़ा हुआ ग्रहण कोशिकाओं या कार्गो के रसायन विज्ञान में परिवर्तन से प्रभावित नहीं होता है, बल्कि इस तथ्य से प्रभावित होता है कि व्यस्त एंजाइम, बाह्य कोशिकीय तरल पदार्थ को उत्तेजित कर रहे हैं, जिससे कार्गो की गति तेज हो जाती है।"
लेकिन शोधकर्ताओं को अभी भी यह स्थापित करने की आवश्यकता है कि क्या एंजाइम वास्तव में उनकी परिकल्पना द्वारा सुझाई गई शारीरिक गड़बड़ी पैदा कर रहे थे।
गति के पीछे की शक्ति
उन्होंने ऑप्टिकल चिमटी की ओर रुख किया, एक ऐसी तकनीक जो छोटी वस्तुओं और बलों को पकड़ने और मापने के लिए कसकर केंद्रित लेजर बीम का उपयोग करती है। यहां, इसने उन्हें एंजाइम प्रतिक्रियाओं द्वारा उत्पन्न यांत्रिक उतार-चढ़ाव को मापने की अनुमति दी। दोनों एंजाइम प्रणालियों ने अपनी प्रतिक्रियाओं को सक्रिय रूप से उत्प्रेरित करते हुए पिकोन्यूटन रेंज में बल उत्पन्न किया।
शोधकर्ताओं ने तब परीक्षण किया कि क्या प्रभाव केवल एंजाइमों, उनके सब्सट्रेट्स या प्रतिक्रिया उत्पादों की उपस्थिति के कारण हो सकता है। निविधा ने कहा, "हमने देखा कि ऐसा नहीं हो सका। ऐसा प्रतीत होता है कि प्रभाव सक्रिय एंजाइम कैटेलिसिस पर निर्भर करता है, न कि केवल प्रतिक्रिया के अवयवों पर।"
एक अंतिम प्रश्न जिसका टीम ने उत्तर देना चाहा वह यह था कि क्या तेज गति से चलने वाला ट्रांसफ़रिन रिसेप्टर्स का अधिक बार सामना करता है; क्या इसका मतलब यह है कि इसे सेल में ले जाया जाएगा?
इसकी जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने डायनामिन को अवरुद्ध कर दिया, एक प्रोटीन जो क्लैथ्रिन-मध्यस्थता वाले एंडोसाइटोसिस के अंतिम चरण में शामिल होता है, जब झिल्ली पॉकेट कोशिका की सतह से अलग हो जाती है। डायनामिन बाधित होने से यह परिवहन मार्ग जाम हो जाता है। कोशिकाओं ने फिर भी कुछ ट्रांसफ़रिन ग्रहण कर लिया। इससे संकेत मिलता है कि अन्य, डायनामिन-स्वतंत्र मार्ग भी इसे अंदर ले जाते हैं, लेकिन एंजाइम-चालित बढ़ावा पूरी तरह से गायब हो गया। इस प्रकार, वृद्धि विशेष रूप से क्लैथ्रिन-मध्यस्थता मार्ग पर चल रही थी, न कि सामान्य रूप से ट्रांसफ़रिन ग्रहण पर।
एक अंतर्निर्मित छत
टीम के सामने जो प्रश्न उठे उनमें से एक यह था कि यदि ट्रांसफ़रिन ~50 प्रतिशत तेजी से आगे बढ़ रहा था, तो उपभोग में केवल 17 प्रतिशत की वृद्धि क्यों हुई? एक बड़े धक्का से तुलनात्मक रूप से मामूली लाभ हुआ।
बेमेल को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने ट्रांसफ़रिन को उसके रिसेप्टर से बांधने और अंदर खींचे जाने का एक सरल कम्प्यूटेशनल मॉडल बनाया, जिसका उपयोग यह पता लगाने के लिए किया गया कि आंदोलन में परिवर्तन को ग्रहण में परिवर्तन में कैसे परिवर्तित किया जाना चाहिए।
यह नोट किया गया था कि चूंकि एक कोशिका में केवल सीमित संख्या में ट्रांसफ़रिन रिसेप्टर्स होते हैं, इसलिए तेज़ गति से चलने वाला कार्गो उन रिसेप्टर्स को जल्दी भर देता है। लेकिन एक बार जब वे सभी व्यस्त हो जाते हैं, तो अतिरिक्त गति कहीं नहीं जाती है, और लाभ का स्तर कम हो जाता है। जब टीम ने प्रस्ताव पर ट्रांसफ़रिन की मात्रा बढ़ाई तो उन्हें वही सीमा दिखाई दी। रिसेप्टर्स के संतृप्त हो जाने पर ग्रहण बढ़ गया, फिर चपटा हो गया। इस प्रकार, एंजाइम-चालित सरगर्मी कार्गो को केवल तभी तक तेजी से आगे बढ़ा सकती है, जब तक सेल इसे प्राप्त करने के लिए सुसज्जित है।
खोजने लायक एक लीवर
इस अध्ययन के निष्कर्षों को दवा वितरण में मूलभूत चुनौतियों के संदर्भ में माना जा सकता है। चिकित्सीय अणु को सही कोशिका तक पहुँचाना। एक अणु के पास सही जैविक लक्ष्य हो सकता है, लेकिन उसे अभी भी कोशिका के बाहर भीड़ भरे वातावरण में नेविगेट करना होगा, सही रिसेप्टर का सामना करना होगा और कोशिका झिल्ली को पार करना होगा।
अधिकांश क्षेत्र ने कार्गो की इंजीनियरिंग पर ही ध्यान केंद्रित किया है। इसमें इसे नैनोकणों में समाहित करना, लक्ष्यीकरण अणुओं को जोड़ना, या ऐसे सिस्टम डिजाइन करना शामिल है जो सक्रिय रूप से जैविक वातावरण में घूम सकें। यह अध्ययन सवाल पूछता है कि क्या होगा यदि कोशिका के चारों ओर के वातावरण को कुछ काम करने के लिए तैयार किया जा सके?
डॉ डे ने कहा, "निष्कर्ष आणविक परिवहन को नियंत्रित करने के भविष्य के प्रयासों के लिए प्रासंगिक हो सकते हैं, जिसमें जैविक बाधाओं के पार चिकित्सीय कार्गो की डिलीवरी भी शामिल है। लेकिन उन अनुप्रयोगों का परीक्षण किया जाना बाकी है। वर्तमान कार्य एक नियंत्रित सेलुलर प्रणाली में प्रभाव स्थापित करता है, हालांकि चिकित्सीय अनुप्रयोगों का प्रदर्शन अभी तक नहीं किया गया है।"
इस कार्य को अनुसंधान नेशनल रिसर्च फाउंडेशन (एएनआरएफ), शिक्षा मंत्रालय की स्टार्स योजना और गुजरात राज्य जैव प्रौद्योगिकी मिशन द्वारा समर्थित किया गया था।
यह प्रेस सूचना ब्यूरो (पीआईबी) द्वारा जारी एक आधिकारिक प्रेस विज्ञप्ति है, जिसे जारी किए गए रूप में पुन: प्रस्तुत किया गया है।