प्राचीन प्रोटीन का पुनर्जीवन बताता है कि बैक्टीरियल एंजाइम कैसे अलग भूमिकाओं में विकसित हुए

जीवविज्ञान की सबसे सुरुचिपूर्ण मशीनरी में से कुछ ऐसे प्रोटीनों से बनी होती है जिनकी उत्पत्ति एक समान होती है, लेकिन वे बेहद अलग-अलग कामों में ढल जाते हैं। यह विचलन कैसे होता है, यह आणविक विकास का एक केंद्रीय प्रश्न है। कील विश्वविद्यालय, जर्मन इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन DESY और सेंटर फॉर स्ट्रक्चरल सिस्टम्स बायोलॉजी (CSSB) में काम कर रही एक टीम ने इस प्रश्न का उत्तर पीछे की ओर जाकर तलाशा। कील विश्वविद्यालय में प्रोफेसर और DESY में स्ट्रक्चरल माइक्रोबायोलॉजी समूह के प्रमुख होल्गर सोनडरमान के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने दो बैक्टीरियल एंजाइमों के सामान्य पूर्वज का पुनर्निर्माण किया, लंबे समय से विलुप्त उस प्रोटीन को प्रयोगशाला में तैयार किया, और फिर इसका उपयोग यह पता लगाने के लिए किया कि विकासात्मक समय के साथ अलग-अलग कार्य कैसे उभरे। उनके निष्कर्ष, जो Science Advances में प्रकाशित हुए, आणविक अतीत की एक दुर्लभ झलक देते हैं और प्रोटीन विकास के अध्ययन के लिए एक शक्तिशाली रणनीति दिखाते हैं।

दो एंजाइम, अलग-अलग भूमिकाएं

अध्ययन में देखे गए दो एंजाइम न्यूक्लिएस नामक प्रोटीनों के एक समूह से संबंधित हैं, जो आनुवंशिक पदार्थ के रासायनिक घटकों से बनी अणुओं को तोड़ते हैं। हालांकि दोनों एंजाइम संबंधित हैं, वे बैक्टीरियल कोशिका के भीतर अलग-अलग स्थानों पर काम करने लगे हैं।

पहला एंजाइम, NrnC, एक तरह का सर्वगुणसंपन्न एंजाइम है। यह DNA या RNA के दो जुड़े हुए निर्माण खंडों से बने छोटे अणुओं को तोड़ता है। दूसरा एंजाइम, diDNase, इसी तरह की प्रतिक्रिया करता है, लेकिन यह विशिष्ट हो गया है: यह मुख्य रूप से दो DNA निर्माण खंडों से बने अणुओं को संसाधित करने के लिए समर्पित है। यह अंतर मामूली लग सकता है, लेकिन एक बैक्टीरियम के लिए यह भेद महत्वपूर्ण है। एक प्रकार के छोटे न्यूक्लिक अम्ल को तोड़ पाने और दूसरे को न तोड़ पाने की क्षमता जीन नियमन, DNA मरम्मत और आनुवंशिक पदार्थ के पुनर्चक्रण को प्रभावित कर सकती है।

जैसा कि सोनडरमान और उनके सहयोगियों ने इसे प्रस्तुत किया, वैज्ञानिक पहेली केवल यह नहीं है कि ये एंजाइम आज क्या करते हैं। सवाल यह है कि इतनी निकट संबंधी प्रोटीनों ने इतनी अलग प्राथमिकताएं कैसे विकसित कीं। विकास की व्यापक धारा में, एक अकेला अमीनो अम्ल परिवर्तन किसी एंजाइम के आकार, स्थिरता या सक्रियता को बदल सकता है। लेकिन जब केवल आधुनिक वंशज दिखाई देते हैं, तो उस मार्ग को ट्रेस करना कठिन होता है। अतीत का अनुमान लगाना पड़ता है, और उन अनुमानों की सबसे सीधी जांच उसे फिर से बनाना है।

जीवित एंजाइमों के अध्ययन की सीमाएं

यह नया अध्ययन सोनडरमान समूह के कई वर्षों के शोध पर आधारित है। टीम ने एक पारंपरिक तरीके से शुरुआत की: अलग-अलग बैक्टीरिया के प्रोटीनों की तुलना करके यह तय करना कि समय के साथ कौन-सी विशेषताएं संरक्षित रहीं और कौन-सी बदलीं। संरक्षित क्षेत्र अक्सर संरचना या कार्य के लिए अनिवार्य होते हैं, जबकि परिवर्तनशील क्षेत्र विशिष्टता में अंतर के लिए जिम्मेदार हो सकते हैं।

एक विशेष एंजाइम परिवार पर पहले के अध्ययनों में, सोनडरमान समूह की वैज्ञानिक सोफिया मॉर्टेंसन ने प्रोटीनों का एक ऐसा समूह पहचाना जो ज्ञात एंजाइमों से काफ़ी निकट संबंध रखता था, लेकिन अलग-अलग अणुओं को संसाधित करता था। इस खोज ने यह जांचने का रास्ता खोला कि किसी ऐसे परिवार के भीतर कार्यात्मक विचलन कैसे होता है, जहां विकासात्मक संबंध पहले से स्पष्ट थे। प्रोटीन स्पष्ट रूप से एक ही वंश के थे, फिर भी उनकी रासायनिक प्राथमिकताएं अलग हो चुकी थीं।

टीम ने शुरू में लक्षित बदलाव करके दोनों एंजाइमों के बीच अंतर को समझाने की कोशिश की। यह प्रोटीन इंजीनियरिंग में एक सामान्य तरीका है: एक-एक अमीनो अम्ल को बदलना और देखना कि कौन-सा प्रतिस्थापन एंजाइम को एक गतिविधि से दूसरी में बदल देता है। लेकिन इस मामले में यह रणनीति विफल रही। संशोधित प्रोटीन या तो अपनी स्थिरता खो बैठे या अपेक्षित कार्य नहीं कर पाए। एंजाइमों की दिखाई देने वाली सतह में छेड़छाड़ करना अंतर्निहित विकासात्मक मार्ग को उजागर करने के लिए पर्याप्त नहीं था।

आगे नहीं, पीछे देखना

क्योंकि वर्तमान-कालीन प्रोटीनों से स्पष्टीकरण नहीं मिला, शोधकर्ताओं ने एक अलग रास्ता अपनाने का निर्णय लिया। आज मौजूद प्रोटीनों की केवल तुलना करने के बजाय, उन्होंने उनके विकासात्मक इतिहास की ओर देखा। यह ancestral sequence reconstruction का आधार है, एक ऐसी विधि जो कई संबंधित प्रोटीनों के अनुक्रमों का उपयोग करके लाखों साल पहले मौजूद किसी प्रोटीन के सबसे संभावित अनुक्रम का अनुमान लगाती है।

टीम ने पहले एंजाइम परिवार का एक विस्तृत विकासात्मक वृक्ष बनाया, जिसमें NrnC, diDNase और अन्य संबंधियों को उनके अमीनो अम्ल अनुक्रमों की समानता के आधार पर रखा गया। उस वृक्ष की मदद से वे उस सामान्य पूर्वज का सबसे संभावित अनुक्रम निकाल सके, जिससे दोनों एंजाइम विकसित हुए थे। इसके बाद आया वास्तव में महत्वाकांक्षी कदम: उन्होंने जीन का संश्लेषण किया, उसे प्रयोगशाला में व्यक्त किया, और प्राचीन प्रोटीन को ऐसे रूप में तैयार किया जिसे सीधे अध्ययन किया जा सके।

यह पुनर्जीवित प्रोटीन केवल एक अवशेष नहीं है। यह प्रयोगों के लिए प्रारंभिक बिंदु का काम करता है। किसी पूर्वज अवस्था को फिर से बनाकर, टीम एक-एक करके बदलाव डाल सकती है और देख सकती है कि हर परिवर्तन प्रोटीन को किस प्रकार एक आधुनिक कार्य या दूसरे की ओर धकेलता है। प्रभावी रूप से, यह प्राचीन एंजाइम एक आणविक टाइम मशीन है, जो शोधकर्ताओं को एक टेस्ट ट्यूब में विकास को फिर से चलाने की अनुमति देती है।

आणविक अतीत पर एक संरचनात्मक दृष्टि

अध्ययन एक संरचनात्मक दृष्टिकोण भी प्रदान करता है। शोधकर्ता diDNase एंजाइमों के पुनर्निर्मित पूर्वज की 3D संरचना को देख सके। किसी प्राचीन प्रोटीन का आकार देखना यह समझने में मदद करता है कि कुछ उत्परिवर्तन स्वीकार्य क्यों थे और कुछ क्यों नहीं। यह यह भी स्पष्ट करता है कि सक्रिय स्थल, वह क्षेत्र जहां एंजाइम अपनी रासायनिक प्रतिक्रिया करता है, समय के साथ किस तरह पुनर्गठित हुआ ताकि अलग-अलग सब्सट्रेट स्वीकार किए जा सकें।

क्योंकि पूर्वज एंजाइम NrnC और diDNase के विभाजन से पहले का है, इसकी संरचना संभवतः उस अवस्था का प्रतिनिधित्व करती है जिसमें दोनों कार्य अभी भी संभव थे। इस पूर्वज संरचना की आधुनिक NrnC और diDNase संरचनाओं से तुलना करके, टीम उन सटीक परिवर्तनों की पहचान कर सकती है जिन्होंने एंजाइम को एक विशेष दिशा में मोड़ा। ऐसी जानकारी केवल आधुनिक एंजाइमों की जांच से प्राप्त करना कठिन है, क्योंकि उसके बाद हुए लाखों वर्षों के विकास ने उन शुरुआती चरणों को धुंधला कर दिया होगा जिन्होंने किसी प्रोटीन को एक खास रास्ते पर डाला।

मौलिक विकास और प्रोटीन इंजीनियरिंग के लिए निहितार्थ

ये निष्कर्ष बताते हैं कि विकास की प्रक्रिया में प्रोटीन कैसे अलग-अलग कार्यों में ढल सकते हैं, लेकिन इसके निहितार्थ केवल बुनियादी जिज्ञासा तक सीमित नहीं हैं। प्रकृति प्रोटीनों को कैसे नया रूप देती है, यह समझना उन वैज्ञानिकों के लिए उपयोगी है जो जैव प्रौद्योगिकी, चिकित्सा या औद्योगिक रसायन विज्ञान के लिए अनुकूलित एंजाइम बनाना चाहते हैं।

प्राकृतिक विकास एक क्रमिक प्रक्रिया है। यह किसी प्रोटीन को शुरू से डिज़ाइन करके नहीं, बल्कि मौजूदा प्रोटीनों में बदलाव करके काम करती है, अक्सर ऐसे पूर्वज की लचीलेपन का उपयोग करती है जिसमें कई सब्सट्रेटों के प्रति निम्न-स्तरीय गतिविधि पहले से मौजूद होती है। NrnC और diDNase का मामला इस सिद्धांत को असाधारण स्पष्टता से दिखाता है। स्पष्ट रूप से, पूर्वज एंजाइम में दो अलग-अलग विशेषज्ञ रूपों को जन्म देने की क्षमता थी, जिनमें से प्रत्येक एक अलग प्रकार के छोटे न्यूक्लिक अम्ल अणु के लिए अनुकूलित था।

आधुनिक प्रोटीन इंजीनियरों के लिए सीख यह है कि किसी समकालीन एंजाइम में अवशेषों को केवल बदल देने से वह मार्ग पुन: निर्मित नहीं होगा जो प्रकृति ने अपनाया था। कभी-कभी वे नियम, जो किसी एंजाइम के विकास को संचालित करते हैं, उसके इतिहास की गहराइयों में छिपे होते हैं। किसी प्रोटीन को सार्थक रूप से बदलने के लिए, शायद एक विकासवादी जीवाश्मविज्ञानी की तरह सोचना होगा और उन प्राचीन रूपों पर विचार करना होगा जिनसे समकालीन प्रोटीन उत्पन्न हुए।

विकास को पीछे की ओर चलाने का खाका

यह अध्ययन अन्य शोध समूहों के लिए एक कार्यविधिगत खाका भी प्रस्तुत करता है। ancestral sequence reconstruction नई नहीं है, लेकिन इसे संरचनात्मक जीवविज्ञान और प्रयोगशाला में पुनर्जीवन के साथ मिलाना अब उल्लेखनीय अंतर्दृष्टियां दे रहा है। CSSB और DESY की अवसंरचना शोधकर्ताओं को एक ही बौद्धिक ढांचे के भीतर विकासात्मक विश्लेषण, प्रोटीन उत्पादन और उच्च-रिज़ॉल्यूशन संरचना निर्धारण को एक साथ लाने देती है।

टीम की सफलता दृढ़ता के महत्व को भी रेखांकित करती है। शुरुआती उत्परिवर्तन प्रयोग असफल रहे, और केवल एक कदम पीछे हटकर तथा व्यापक विकासात्मक दृष्टिकोण अपनाकर ही शोधकर्ता प्रगति कर सके। विज्ञान में, जैसे विकास में, आगे का रास्ता कभी-कभी पीछे जाने की मांग करता है।

आगे की दिशा

पूर्वज एंजाइम से लेकर आधुनिक विशेषज्ञों तक की पूरी यात्रा को समझने के लिए और प्रयोगों की आवश्यकता होगी। अब जब पुनर्निर्मित प्रोटीन उनके हाथ में है, शोधकर्ता उन उत्परिवर्तनों को जोड़ना शुरू कर सकते हैं जो दोनों वंशों को अलग करते हैं और वास्तविक समय में उनके परिणाम देख सकते हैं। हर प्रयोग यह बताएगा कि यह परिवार कैसे विकसित हुआ, और संभव है कि अन्य अनेक प्रोटीनों पर लागू होने वाले सामान्य सिद्धांत भी सामने आएं।

गैर-विशेषज्ञों के लिए यह काम याद दिलाता है कि विकास केवल हाथियों और ऑर्किड को आकार देने वाली शक्ति नहीं है, बल्कि हर जीवित कोशिका के भीतर मौजूद आणविक मशीनों का भी मूर्तिकार है। समय में खो चुके एक प्रोटीन को फिर से जीवित करके, वैज्ञानिकों की एक टीम ने दिखाया है कि अतीत हमेशा पहुंच से बाहर नहीं होता। कभी-कभी उसे पुनर्निर्मित किया जा सकता है, उसका अध्ययन किया जा सकता है, और उससे उसके रहस्य उजागर कराए जा सकते हैं।

यह लेख Phys.org की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें.