பண்டைய புரதத்தின் மறுஉயிர்ப்பு, பாக்டீரியா என்சைம்கள் தனித்த பணிகளாக எவ்வாறு பரிணமித்தன என்பதை விளக்குகிறது

உயிரியல் துறையில் காணப்படும் மிக அழகான இயந்திரங்களில் சில, ஒரே மூலத்தைப் பகிர்ந்துகொண்டாலும் காலப்போக்கில் மிகவும் வேறுபட்ட பணிகளில் நிலைபெற்றுள்ள புரதங்களாகும். இந்தப் பிரிவு எவ்வாறு உருவாகிறது என்பது மூலக்கூறு பரிணாமத்தின் மையக் கேள்விகளில் ஒன்றாகும். கீல் பல்கலைக்கழகம், ஜெர்மன் எலெக்ட்ரான் சின்க்ரோட்ரான் DESY மற்றும் கட்டமைப்பு அமைப்பு உயிரியல் மையம் (CSSB) ஆகியவற்றில் பணியாற்றும் ஒரு குழு, காலத்தை பின்னோக்கி இயக்கி இந்தக் கேள்வியை அணுகியுள்ளது. கீல் பல்கலைக்கழகப் பேராசிரியரும் DESY-யில் உள்ள Structural Microbiology குழுத் தலைவருமான ஹோல்கர் சாண்டர்மான் தலைமையில், ஆராய்ச்சியாளர்கள் இரண்டு பாக்டீரியா என்சைம்களின் பொதுவான முன்னோரை மீள்கட்டமைத்து, நீண்ட காலமாக அழிந்துபோன அந்தப் புரதத்தை ஆய்வகத்தில் தயாரித்து, பரிணாம காலப்போக்கில் தனித்த செயல்பாடுகள் எவ்வாறு உருவானன என்பதைத் தேடிப் பார்த்தனர். Science Advances இதழில் வெளியான அவர்களின் கண்டுபிடிப்புகள், மூலக்கூறு கடந்த காலத்தை அரிதாகக் காணச் செய்யும் ஒரு சாளரத்தையும், புரத பரிணாமத்தை ஆய்வு செய்ய ஒரு வலுவான முறையையும் வழங்குகின்றன.

இரண்டு என்சைம்கள், மாறுபட்ட பணிகள்

இந்த ஆய்வில் ஆராயப்பட்ட இரண்டு என்சைம்களும் நியூக்ளியேஸ்கள் எனப்படும் புரதக் குழுவைச் சேர்ந்தவை; இவை மரபணு பொருளின் இரசாயன அலகுகளால் ஆன மூலக்கூறுகளை உடைத்தழிக்கின்றன. இரண்டும் தொடர்புடையவையாக இருந்தாலும், பாக்டீரியா செல் உள்ளே வெவ்வேறு பங்குகளை ஏற்றுள்ளன.

முதல் என்சைம் NrnC ஒரு பொது பயன்பாட்டு என்சைம் போன்றது. இது DNA அல்லது RNA கட்டுமான அலகுகள் இரண்டால் இணைந்த சிறிய மூலக்கூறுகளை உடைக்கிறது. இரண்டாவது என்சைம் diDNase இதே போன்ற ஒரு எதிர்வினையைச் செய்தாலும், அது சிறப்புத் தன்மை பெற்றுள்ளது: இது பெரும்பாலும் DNA கட்டுமான அலகுகள் இரண்டால் ஆன மூலக்கூறுகளை செயலாக்குவதற்கே அர்ப்பணிக்கப்பட்டுள்ளது. இந்த வேறுபாடு நுட்பமாகத் தோன்றலாம்; ஆனால் ஒரு பாக்டீரியாவிற்கு இது முக்கியமானது. ஒரு வகை சிறிய நியூக்ளிக் அமிலத்தை உடைத்தழிக்க முடிவது, மற்றொன்றை முடியாதது, ஜீன் கட்டுப்பாடு, DNA பழுதுபார்த்தல், மற்றும் மரபணு பொருள் மறுசுழற்சி ஆகியவற்றை பாதிக்கலாம்.

சாண்டர்மான் மற்றும் அவரது சகாக்கள் வரையறுத்தபடி, அறிவியல் புதிர் இன்று இந்த என்சைம்கள் என்ன செய்கின்றன என்பதல்ல. இவ்வளவு நெருங்கிய தொடர்புடைய புரதங்கள் இப்படிப் பட்ட தனித்த விருப்பங்களை எவ்வாறு உருவாக்கின என்பது தான் கேள்வி. பரிணாமத்தின் பெரிய ஓட்டத்தில், ஒரு தனி அமினோ அமில மாற்றமே என்சைமின் வடிவம், நிலைத்தன்மை அல்லது செயல்பாட்டை மாற்றக்கூடும். ஆனால் இப்போது காணப்படுவது நவீன சந்ததிகளே என்றால் அந்தப் பாதையைப் பின்தொடர்வது கடினம். கடந்த காலம் ஊகிக்கப்பட வேண்டியுள்ளது; அந்த ஊகங்களைச் சோதிப்பதற்கான மிக நேரடி வழி அதை மீண்டும் உருவாக்குவதுதான்.

உயிருடன் உள்ள என்சைம்களை ஆய்வு செய்வதின் வரம்புகள்

இந்த புதிய ஆய்வு சாண்டர்மான் குழுவின் பல ஆண்டுகால ஆராய்ச்சியை அடிப்படையாகக் கொண்டது. குழு பாரம்பரியமான முறையில் தொடங்கியது: வெவ்வேறு பாக்டீரியாக்களின் புரதங்களை ஒப்பிட்டு, காலப்போக்கில் எந்த பண்புகள் பாதுகாக்கப்பட்டுள்ளன, எவை மாறியுள்ளன என்பதை நிர்ணயித்தது. பாதுகாக்கப்பட்ட பகுதிகள் பெரும்பாலும் கட்டமைப்பு அல்லது செயல்பாட்டிற்கு அத்தியாவசியமானவை; மாறுபடும் பகுதிகள் சிறப்புத்தன்மை வேறுபாடுகளுக்குக் காரணமாக இருக்கலாம்.

ஒரு குறிப்பிட்ட என்சைம் குடும்பத்தின் முந்தைய ஆய்வுகளில், சாண்டர்மான் குழுவைச் சேர்ந்த அறிவியலாளர் சோஃபியா மோர்டென்சன், அறியப்பட்ட என்சைம்களுடன் நெருங்கிய தொடர்புடையதாய் இருந்தாலும் வேறு மூலக்கூறுகளை செயலாக்கிய புரதக் குழுவை அடையாளம் கண்டார். அந்தக் கண்டுபிடிப்பு, பரிணாம உறவுகள் ஏற்கனவே தெளிவாக இருந்த ஒரு குடும்பத்திற்குள் செயல்பாட்டு வேறுபாடு எவ்வாறு உருவாகிறது என்பதை ஆராயும் கதவைக் கிழித்தது. அந்தப் புரதங்கள் வெளிப்படையாக சகோதரங்கள் போல இருந்தாலும், அவற்றின் இரசாயன விருப்பங்கள் வெவ்வேறு திசைகளில் சென்றிருந்தன.

தொடக்கத்தில், குழு புரதங்களில் இலக்கு வைத்து மாற்றங்களை செய்து, இரண்டு என்சைம்களுக்கிடையிலான வேறுபாடுகளை விளக்க முயன்றது. இது புரத பொறியியலில் பொதுவான அணுகுமுறை: ஒவ்வொரு முறையும் ஒரு அமினோ அமிலத்தை மாற்றி, எந்த மாற்றம் ஒரு என்சைமின் செயல்பாட்டை இன்னொன்றாக மாற்றுகிறது என்பதைப் பார்ப்பது. ஆனால் இங்கு இந்த முறையால் பலன் கிடைக்கவில்லை. மாற்றியமைக்கப்பட்ட புரதங்கள் தங்கள் நிலைத்தன்மையை இழந்தன அல்லது எதிர்பார்த்த செயல்பாட்டை செய்யவில்லை. என்சைம்களின் வெளிப்புற மேற்பரப்பைத் திருத்துவது, பரிணாமத்தின் அடிப்படைப் பாதையை வெளிப்படுத்த போதுமானதாக இல்லை.

முன்னோக்கி அல்ல, பின்னோக்கி பார்ப்பது

இன்றைய புரதங்கள் விளக்கம் தர மறுத்ததால், ஆராய்ச்சியாளர்கள் வேறு வழியைத் தேர்ந்தெடுத்தனர். இன்று உள்ள புரதங்களை ஒப்பிடுவதற்குப் பதிலாக, அவர்கள் அவற்றின் பரிணாம வரலாற்றைத் திரும்பிப் பார்த்தனர். இதுவே ancestral sequence reconstruction என்ற முறையின் அடிப்படை; இது பல தொடர்புடைய புரதங்களின் வரிசைகளைப் பயன்படுத்தி, மில்லியன் ஆண்டுகளுக்கு முன் இருந்த ஒரு புரதத்தின் மிகச் சாத்தியமான வரிசையைக் கணிக்கிறது.

முதலில், குழு என்சைம் குடும்பத்தின் விரிவான பரிணாம மரத்தை உருவாக்கி, அவற்றின் அமினோ அமில வரிசைகள் எவ்வளவு ஒத்திருக்கின்றன என்பதை அடிப்படையாகக் கொண்டு NrnC, diDNase மற்றும் பிற தொடர்புடையவற்றை அமைத்தது. அந்த மரத்தைப் பயன்படுத்தி, இரு என்சைம்களும் தோன்றிய பொதுவான முன்னோரின் மிகச் சாத்தியமான வரிசையை கணக்கிட முடிந்தது. பின்னர் உண்மையான துணிச்சலான படி வந்தது: அவர்கள் ஜீனை உருவாக்கி, அதை ஆய்வகத்தில் வெளிப்படுத்தி, நேரடியாக ஆய்வு செய்யக்கூடிய வடிவில் அந்தப் பழைய புரதத்தை தயாரித்தனர்.

இந்த மறுஉயிர்ப்பிக்கப்பட்ட புரதம் ஒரு பழம்பொருள் மட்டும் அல்ல. அது பரிசோதனைகளுக்கான தொடக்கப் புள்ளியாக செயல்படுகிறது. ஒரு முன்னோர் நிலையை மீண்டும் உருவாக்குவதன் மூலம், குழு ஒவ்வொரு மாற்றத்தையும் ஒன்றொன்றாகச் சேர்த்து, அந்த மாற்றம் புரதத்தை நவீன செயல்பாடுகளில் ஏதோ ஒன்றின் நோக்கி எவ்வாறு நகர்த்துகிறது என்பதைப் பார்க்க முடியும். நடைமுறையில், அந்தப் பண்டைய என்சைம் ஒரு மூலக்கூறு காலயந்திரம்; ஆய்வாளர்கள் வளர்ச்சியை சோதனைக் குழாயில் மீண்டும் இயக்க முடியும்.

மூலக்கூறு கடந்த காலத்தின் கட்டமைப்பு பார்வை

இந்த ஆய்வு ஒரு கட்டமைப்பு பார்வையையும் வழங்குகிறது. diDNase என்சைம்களின் மீள்கட்டமைக்கப்பட்ட முன்னோரின் 3D அமைப்பை ஆராய்ச்சியாளர்கள் பார்க்க முடிந்தது. பண்டைய புரதத்தின் வடிவத்தைப் பார்ப்பது, சில மாற்றங்கள் ஏன் ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்டன, சில ஏன் ஏற்றுக்கொள்ளப்படவில்லை என்பதை விளக்க உதவுகிறது. மேலும், என்சைம் அதன் இரசாயன எதிர்வினையை நிகழ்த்தும் active site என்ற பகுதி, காலப்போக்கில் எப்படி மறுவடிவமைக்கப்பட்டு வேறு substrates-ஐ ஏற்றுக்கொண்டது என்பதையும் தெளிவுபடுத்துகிறது.

முன்னோர் என்சைம் NrnC மற்றும் diDNase பிரிவுக்கு முன்பிருந்ததால், அதன் அமைப்பு இரு செயல்பாடுகளும் இன்னும் சாத்தியமான ஒரு நிலையைக் குறிக்கலாம். இந்த முன்னோர் அமைப்பை NrnC மற்றும் diDNase ஆகியவற்றின் நவீன அமைப்புகளுடன் ஒப்பிட்டால், எந்தத் துல்லியமான மாற்றங்கள் என்சைமை ஒரு சிறப்புத்தன்மைக்குத் தள்ளின என்பதை குழு கண்டறிய முடியும். நவீன என்சைம்களை மட்டும் பரிசோதிப்பதன் மூலம் இத்தகைய தகவலைப் பெறுவது கடினம்; ஏனெனில் பின்னர் நடந்த மில்லியன் கணக்கான ஆண்டுகளின் பரிணாமம், ஒரு புரதத்தை குறிப்பிட்ட பாதையில் நிலைநிறுத்திய தொடக்கப் படிகளை மறைத்துவிடுகிறது.

அடிப்படை பரிணாமம் மற்றும் புரத பொறியியலுக்கான தாக்கங்கள்

இந்தக் கண்டுபிடிப்புகள், பரிணாமத்தின் போக்கில் புரதங்கள் எவ்வாறு வேறுபட்ட செயல்பாடுகளை உருவாக்குகின்றன என்பதைப் பற்றிய புரிதலை அளிக்கின்றன; ஆனால் அதன் தாக்கம் அடிப்படை ஆர்வத்தைத் தாண்டுகிறது. இயற்கை புரதங்களை எவ்வாறு மறுவடிவமைக்கிறது என்பதைப் புரிந்துகொள்வது, உயிரித் தொழில்நுட்பம், மருத்துவம் அல்லது தொழில்துறை வேதியியல் பயன்பாடுகளுக்காக தனிப்பயன் என்சைம்களை உருவாக்க விரும்பும் விஞ்ஞானிகளுக்கு மதிப்புடையது.

இயற்கை பரிணாமம் ஒரு படிப்படியான செயல்முறை. அது ஒரு புரதத்தை ஆரம்பத்திலிருந்தே வடிவமைப்பதன் மூலம் அல்ல, ஏற்கனவே உள்ளவற்றை மாற்றுவதன் மூலம் செயல்படுகிறது; பல substrates-களுக்கு குறைந்த அளவிலான செயல்பாட்டைக் கொண்டிருந்த ஒரு முன்னோரின் நெகிழ்வை அது அடிக்கடி பயன்படுத்துகிறது. NrnC மற்றும் diDNase குறித்த வழக்கு இந்தக் கோட்பாட்டை அபூர்வமான தெளிவுடன் விளக்குகிறது. முன்னோர் என்சைம், இரு வேறு சிறப்பாளர்களை உருவாக்கும் திறன் கொண்டதாகத் தெரிகிறது; ஒவ்வொன்றும் வேறு வகை சிறிய நியூக்ளிக் அமில மூலக்கூறுக்கு ஏற்பத் தன்னை அமைத்திருந்தது.

இன்றைய புரத பொறியியலாளர்களுக்கான பாடம் என்னவெனில், சமகால என்சைமில் உள்ள residues-ஐ வெறும் மாற்றுவதால், இயற்கை எடுத்த பாதையை மீண்டும் உருவாக்க முடியாது. சில நேரங்களில் ஒரு என்சைமின் பரிணாமத்தை நிர்ணயிக்கும் விதிகள் அதன் வரலாற்றின் ஆழத்தில் புதைந்திருக்கும். ஒரு புரதத்தை அர்த்தமுள்ள வகையில் மாற்ற, பரிணாம பைலியோன்டாலஜிஸ்ட் போல் சிந்தித்து, நவீன புரதங்கள் தோன்றிய பண்டைய வடிவங்களை கருத்தில் கொள்ள வேண்டியிருக்கலாம்.

பரிணாமத்தை பின்னோக்கி இயக்கும் வரைபடம்

இந்த ஆய்வு பிற ஆராய்ச்சி குழுக்களுக்கான ஒரு முறையியல் வரைபடத்தையும் வழங்குகிறது. Ancestral sequence reconstruction புதியதல்ல; ஆனால் அதை structural biology மற்றும் laboratory resurrection உடன் இணைப்பது குறிப்பிடத்தக்க நுண்ணறிவுகளைத் தரத் தொடங்கியுள்ளது. CSSB மற்றும் DESY கட்டமைப்பு, பரிணாம பகுப்பாய்வு, புரத உற்பத்தி, மற்றும் உயர் தெளிவு அமைப்பு நிர்ணயம் ஆகியவற்றை ஒரே அறிவுத் தளத்தின் கீழ் ஒன்றிணைக்க ஆராய்ச்சியாளர்களுக்கு உதவுகின்றன.

குழுவின் வெற்றி, பிடிவாதத்தின் மதிப்பையும் எடுத்துக்காட்டுகிறது. தொடக்க மாற்றப் பரிசோதனைகள் தோல்வியடைந்தன; பின்னோக்கி நின்று ஒரு நீண்ட பரிணாமக் கண்ணோட்டத்தை ஏற்றுக்கொண்டதன் மூலமே ஆராய்ச்சியாளர்கள் முன்னேற முடிந்தது. அறிவியலில், பரிணாமத்தில் இருப்பதைப் போலவே, முன்னே செல்லும் பாதை சில சமயங்களில் பின்னோக்கி செல்ல வேண்டியதைக் கோருகிறது.

எதிர்கால நோக்கு

முன்னோர் என்சைமிலிருந்து நவீன சிறப்பாளர்கள்வரை உள்ள முழு பாதையையும் வரைபடமாக்க மேலும் பரிசோதனைகள் தேவைப்படும். இப்போது மீள்கட்டமைக்கப்பட்ட புரதம் கையில் இருப்பதால், இரண்டு பரம்பரைகளைப் பிரிக்கும் மாற்றங்களை ஒன்றொன்றாக மாற்றிப் பொருத்தி, அதன் விளைவுகளை நேரடியாகக் கண்காணிக்க ஆராய்ச்சியாளர்கள் தொடங்கலாம். ஒவ்வொரு பரிசோதனையும் இந்தக் குடும்பம் எவ்வாறு பரிணமித்தது என்பதற்கான படத்தில் புதிய விவரத்தைச் சேர்க்கும்; மேலும் பல பிற புரதங்களுக்கும் பொருந்தக்கூடிய பொதுக் கோட்பாடுகளை வெளிப்படுத்தக்கூடும்.

பொதுவாசகர்களுக்கு, இந்தப் பணி பரிணாமம் யானைகளையும் ஆர்கிட்களையும் மட்டும் வடிவமைக்கும் சக்தி அல்ல, ஒவ்வொரு உயிர் செல்லினுள்ளும் உள்ள மூலக்கூறு இயந்திரங்களையும் செதுக்கும் ஓர் சிற்பியென்பதை நினைவூட்டுகிறது. காலத்தால் இழந்த ஒரு புரதத்தை மீண்டும் உயிர்ப்பித்ததன் மூலம், ஒரு விஞ்ஞானக் குழு கடந்த காலம் எப்போதும் அணுக முடியாதது அல்ல என்பதை காட்டியுள்ளது. சில சமயம் அதை மீள்கட்டமைத்து, ஆய்ந்து, அதன் ரகசியங்களை வெளிப்படுத்தச் செய்ய முடியும்.

இந்தக் கட்டுரை Phys.org வெளியிட்ட செய்தியை அடிப்படையாகக் கொண்டது. மூலக் கட்டுரையைப் படிக்கவும்.