प्राचीन प्रोटीन पुनर्जीवनातून बॅक्टेरियल एन्झाइम्स वेगवेगळ्या भूमिकांपर्यंत कसे विकसित झाले हे स्पष्ट झाले

जीवशास्त्रातील काही सर्वात देखणे यांत्रिकी घटक म्हणजे एकाच उगमाचे, पण काळाच्या ओघात अतिशय वेगवेगळ्या कामांमध्ये स्थिरावलेले प्रोटीन. हा विभाजन कसा घडतो, हा आण्विक उत्क्रांतीतील एक मूलभूत प्रश्न आहे. कील विद्यापीठ, जर्मन इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन DESY आणि सेंटर फॉर स्ट्रक्चरल सिस्टिम्स बायोलॉजी (CSSB) येथे काम करणाऱ्या एका पथकाने हा प्रश्न वेळ मागे फिरवून समजून घेण्याचा प्रयत्न केला. कील विद्यापीठातील प्राध्यापक आणि DESY मधील Structural Microbiology गटाचे प्रमुख होल्गर सॉन्डरमन यांच्या नेतृत्वाखाली संशोधकांनी दोन बॅक्टेरियल एन्झाइम्सचा सामान्य पूर्वज पुन्हा उभारला, त्या खूप पूर्वी नामशेष झालेल्या प्रोटीनची प्रयोगशाळेत निर्मिती केली, आणि उत्क्रांतीदरम्यान वेगवेगळ्या कार्यांचा उदय कसा झाला हे शोधण्यासाठी त्याचा वापर केला. Science Advances मध्ये प्रकाशित झालेल्या त्यांच्या निष्कर्षांमधून आण्विक भूतकाळाची दुर्मीळ झलक मिळते आणि प्रोटीन उत्क्रांतीचा अभ्यास करण्यासाठी एक शक्तिशाली पद्धत दिसून येते.

दोन एन्झाइम्स, वेगळ्या भूमिका

या अभ्यासात तपासलेले दोन एन्झाइम न्यूक्लिएसेस नावाच्या प्रोटीनसमूहातील आहेत, जे जनुकीय पदार्थाच्या रासायनिक घटकांपासून बनलेल्या रेणूंना विघटित करतात. दोन्ही एन्झाइम परस्परांशी संबंधित असले तरी, ते बॅक्टेरियल पेशीमध्ये वेगवेगळ्या जागा व्यापतात.

पहिले एन्झाइम, NrnC, एक प्रकारचे सर्वसाधारण काम करणारे आहे. ते DNA किंवा RNA च्या दोन जोडलेल्या बिल्डिंग ब्लॉक्सपासून बनलेली लहान रेणू विघटित करते. दुसरे एन्झाइम, diDNase, यासारखीच प्रतिक्रिया करते, पण ते विशिष्ट झाले आहे: मुख्यतः DNA च्या दोन बिल्डिंग ब्लॉक्सपासून तयार झालेल्या रेणूंवर प्रक्रिया करण्यासाठी ते समर्पित आहे. हा फरक सूक्ष्म वाटला तरी बॅक्टेरियासाठी तो महत्त्वाचा आहे. एका प्रकारच्या लहान न्यूक्लिक आम्लाचे विघटन करता येणे आणि दुसऱ्याचे नाही, याचा जनुक नियमन, DNA दुरुस्ती, आणि जनुकीय पदार्थाच्या पुनर्वापरावर परिणाम होऊ शकतो.

सॉन्डरमन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी मांडलेल्या वैज्ञानिक कोड्याचे स्वरूप फक्त आज ही एन्झाइम्स काय करतात हे नाही. प्रश्न आहे की एवढ्या जवळच्या नात्याच्या प्रोटीनांनी अशा वेगळ्या पसंती कशा विकसित केल्या. उत्क्रांतीच्या विशाल प्रवाहात, एकच अमिनो आम्ल बदल एन्झाइमचा आकार, स्थिरता किंवा कार्यक्षमता बदलू शकतो. पण फक्त आधुनिक वंशज दिसत असतील तेव्हा तो मार्ग शोधणे कठीण होते. भूतकाळाचा अंदाज बांधावा लागतो, आणि त्या अंदाजांची तपासणी करण्याचा सर्वात थेट मार्ग म्हणजे तो पुन्हा निर्माण करणे.

जिवंत एन्झाइम्सचा अभ्यास करण्याच्या मर्यादा

हा नवा अभ्यास सॉन्डरमन गटाच्या अनेक वर्षांच्या संशोधनावर आधारित आहे. पथकाने पारंपरिक पद्धतीने सुरुवात केली: वेगवेगळ्या बॅक्टेरियातील प्रोटीनांची तुलना करून काळानुसार कोणती वैशिष्ट्ये जतन झाली आहेत आणि कोणती बदलली आहेत हे ठरवणे. जतन झालेले भाग बहुतेकदा रचना किंवा कार्यासाठी अत्यावश्यक असतात, तर बदलणारे भाग specificity मधील फरकांना कारणीभूत ठरू शकतात.

एका विशिष्ट एन्झाइम कुटुंबावरील आधीच्या अभ्यासांमध्ये, सॉन्डरमन गटातील शास्त्रज्ञ सोफिया मॉर्टेन्सन यांनी ज्ञात एन्झाइम्सशी जवळचे नाते असलेले पण वेगवेगळ्या रेणूंवर प्रक्रिया करणारे प्रोटीन ओळखले. त्या शोधामुळे, उत्क्रांतीचे संबंध आधीच स्पष्ट असलेल्या कुटुंबात कार्यात्मक विभाजन कसे घडते हे तपासण्याचा मार्ग खुला झाला. ती प्रोटीनें स्पष्टपणे भावंडांसारखी होती, तरी त्यांच्या रासायनिक पसंती वेगळ्या दिशांनी गेल्या होत्या.

सुरुवातीला पथकाने प्रोटीनमध्ये लक्ष्यित बदल करून दोन एन्झाइम्समधील फरक समजावून सांगण्याचा प्रयत्न केला. ही प्रोटीन अभियांत्रिकीतील एक सामान्य पद्धत आहे: एकावेळी एक अमिनो आम्ल बदलून कोणते बदल एन्झाइमची क्रिया एका प्रकारातून दुसऱ्याकडे वळवतात हे पाहणे. पण या प्रकरणात ही पद्धत अपयशी ठरली. बदललेली प्रोटीन किंवा तर स्थिरता गमावली किंवा अपेक्षित कार्य करू शकली नाहीत. एन्झाइम्सच्या दिसणाऱ्या पृष्ठभागात हस्तक्षेप करून उत्क्रांतीचा अंतर्गत मार्ग उघड करणे पुरेसे नव्हते.

पुढे नाही, मागे पाहणे

सध्याची प्रोटीन स्पष्टीकरण देण्यास तयार नसल्यामुळे संशोधकांनी वेगळा मार्ग स्वीकारला. आजच्या प्रोटीनांची केवळ तुलना करण्याऐवजी त्यांनी त्यांच्या उत्क्रांतीच्या इतिहासाकडे मागे पाहिले. ancestral sequence reconstruction मागील तर्क हाच आहे; ही पद्धत अनेक संबंधित प्रोटीनांच्या अनुक्रमांचा वापर करून लाखो वर्षांपूर्वी अस्तित्वात असलेल्या प्रोटीनचा सर्वाधिक संभाव्य अनुक्रम ठरवते.

पथकाने प्रथम एन्झाइम कुटुंबाचे सविस्तर उत्क्रांती वृक्ष तयार केले, ज्यात NrnC, diDNase आणि इतर संबंधित प्रोटीन त्यांच्या अमिनो आम्ल अनुक्रमांच्या साम्याच्या आधारे मांडले. त्या वृक्षाच्या आधारे दोन्ही एन्झाइम्सचा पूर्वज असलेल्या सामान्य पूर्वजाचा सर्वाधिक संभाव्य अनुक्रम ठरवता आला. त्यानंतर खरा धाडसी टप्पा आला: त्यांनी त्या जनुकाचे संश्लेषण केले, ते प्रयोगशाळेत व्यक्त केले, आणि प्राचीन प्रोटीन अशी स्वरूपात तयार केले की त्याचा थेट अभ्यास करता येईल.

हे पुनर्जीवित प्रोटीन केवळ अवशेष नाही. ते प्रयोगांसाठी एक प्रारंभबिंदू म्हणून काम करते. पूर्वज अवस्थेची पुनर्निर्मिती करून पथक एकेक बदल घालू शकते आणि प्रत्येक बदल प्रोटीनला आधुनिक कार्यांपैकी कोणत्या एका दिशेने ढकलतो ते पाहू शकते. प्रत्यक्षात, हे प्राचीन एन्झाइम एक आण्विक टाइम मशीन आहे, जे संशोधकांना चाचणी नलिकेत उत्क्रांती पुन्हा चालवू देते.

आण्विक भूतकाळाकडे संरचनात्मक दृष्टी

हा अभ्यास संरचनात्मक दृष्टीकोनही देतो. संशोधकांना diDNase एन्झाइम्सच्या पुनर्निर्मित पूर्वजाची 3D संरचना पाहता आली. प्राचीन प्रोटीनचा आकार पाहिल्याने काही म्युटेशन्स का सहन झाली आणि काही का नाहीत हे समजते. तसेच active site, म्हणजे जिथे एन्झाइम आपली रासायनिक अभिक्रिया करतो तो भाग, काळानुसार कसा बदलला आणि वेगवेगळे substrates स्वीकारण्यास कसा जुळवून घेतला हेही स्पष्ट होते.

पूर्वज एन्झाइम NrnC आणि diDNase यांच्या विभाजनाच्या आधीचा असल्यामुळे त्याची रचना कदाचित अशा अवस्थेचे प्रतिनिधित्व करते जिथे दोन्ही कार्ये अद्याप शक्य होती. या पूर्वज संरचनेची NrnC आणि diDNase यांच्या आधुनिक संरचनांशी तुलना करून पथक नेमके कोणते बदल एन्झाइमला एका विशेषतेकडे वळवतात हे ओळखू शकते. केवळ आधुनिक एन्झाइम्सचा अभ्यास करून अशी माहिती मिळवणे कठीण आहे, कारण त्यानंतरच्या लाखो वर्षांच्या उत्क्रांतीने प्रोटीनला एका विशिष्ट मार्गावर नेणारे सुरुवातीचे टप्पे झाकले जातात.

मूलभूत उत्क्रांती आणि प्रोटीन अभियांत्रिकीसाठी अर्थ

ही निष्कर्षे उत्क्रांतीदरम्यान प्रोटीन वेगवेगळी कार्ये कशी विकसित करतात हे समजायला मदत करतात, पण त्यांचे महत्त्व केवळ मूलभूत कुतूहलापुरते मर्यादित नाही. निसर्ग प्रोटीन कसे नव्याने घडवतो हे समजणे, जैवतंत्रज्ञान, वैद्यक किंवा औद्योगिक रसायनशास्त्रासाठी सानुकूल एन्झाइम तयार करू इच्छिणाऱ्या शास्त्रज्ञांसाठी उपयुक्त आहे.

नैसर्गिक उत्क्रांती ही टप्प्याटप्प्याने घडणारी प्रक्रिया आहे. ती प्रोटीन शून्यातून डिझाइन करत नाही, तर अस्तित्वात असलेल्या प्रोटीनमध्ये बदल करून काम करते; अनेक substrates विरुद्ध कमी पातळीची क्रिया असलेल्या पूर्वजाची लवचिकता ती अनेकदा वापरते. NrnC आणि diDNase चे उदाहरण हा सिद्धांत विलक्षण स्पष्टतेने दाखवते. पूर्वज एन्झाइम स्पष्टपणे दोन वेगवेगळ्या विशेषज्ञांना जन्म देण्यास सक्षम होता, ज्यापैकी प्रत्येक एका वेगळ्या प्रकारच्या लहान न्यूक्लिक आम्ल रेणूस अनुरूप होता.

आधुनिक प्रोटीन अभियंत्यांसाठी धडा असा की, समकालीन एन्झाइममधील residue बदलून नुसतेच निसर्गाने घेतलेला मार्ग पुन्हा तयार होईलच असे नाही. कधी कधी एन्झाइमच्या उत्क्रांतीला नियंत्रित करणारे नियम त्याच्या इतिहासात खोलवर दडलेले असतात. प्रोटीनला अर्थपूर्ण रीतीने बदलण्यासाठी, उत्क्रांतीविषयक पॅलिऑन्टोलॉजिस्टप्रमाणे विचार करणे आणि ज्यातून आधुनिक प्रोटीन तयार झाले त्या प्राचीन रूपांचा विचार करणे आवश्यक ठरू शकते.

उत्क्रांती मागे फिरवण्याचा आराखडा

हा अभ्यास इतर संशोधन गटांसाठीही एक पद्धतशीर आराखडा देतो. Ancestral sequence reconstruction नवे नाही, पण ते structural biology आणि laboratory resurrection सोबत जोडल्याने विलक्षण अंतर्दृष्टी मिळू लागल्या आहेत. CSSB आणि DESY मधील पायाभूत सुविधा संशोधकांना उत्क्रांती विश्लेषण, प्रोटीन उत्पादन, आणि उच्च-रिझोल्यूशन संरचना निर्धारण एका बौद्धिक चौकटीत एकत्र आणण्यास मदत करतात.

पथकाच्या यशातून चिकाटीचे महत्त्वही दिसून येते. सुरुवातीचे म्युटेशन प्रयोग अपयशी ठरले, आणि मागे हटून दीर्घ उत्क्रांतीवादी दृष्टी स्वीकारल्यानंतरच संशोधक पुढे जाऊ शकले. विज्ञानात, उत्क्रांतीप्रमाणेच, पुढे जाण्यासाठी कधी कधी मागे जाण्याची गरज असते.

पुढील दिशा

पूर्वज एन्झाइमपासून आधुनिक विशेषज्ञांपर्यंतचा संपूर्ण प्रवास नकाशित करण्यासाठी आणखी प्रयोगांची गरज असेल. आता पुनर्निर्मित प्रोटीन हातात असल्यामुळे, संशोधक दोन वंशांना वेगळे करणाऱ्या म्युटेशन्स एकेक करून बसवण्यास आणि त्यांच्या परिणामांचे प्रत्यक्ष वेळेत निरीक्षण करण्यास सुरुवात करू शकतात. प्रत्येक प्रयोग या कुटुंबाच्या उत्क्रांतीच्या चित्रात नवे तपशील जोडेल, आणि कदाचित अनेक इतर प्रोटीनांवर लागू होतील अशी सामान्य तत्त्वेही देईल.

सामान्य वाचकांसाठी हे काम एक आठवण करून देते की उत्क्रांती केवळ हत्ती आणि ऑर्किड्स घडवणारी शक्ती नाही, तर प्रत्येक जिवंत पेशीतील आण्विक यंत्रांची शिल्पकारही आहे. काळाच्या ओघात हरवलेल्या एका प्रोटीनला पुन्हा जिवंत करून, शास्त्रज्ञांच्या एका पथकाने दाखवून दिले आहे की भूतकाळ नेहमीच अप्राप्य नसतो. कधी कधी तो पुन्हा उभारता येतो, अभ्यासता येतो, आणि त्याची रहस्ये उघड करता येतात.

हा लेख Phys.org च्या वार्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.