ప్రాచీన ప్రోటీన్ పునరుజ్జీవనం, బ్యాక్టీరియా ఎంజైములు వేర్వేరు పాత్రలుగా ఎలా పరిణమించాయో చూపింది

జీవశాస్త్రంలో అత్యంత సొగసైన యంత్రాంగాల్లో కొన్ని ఒకే మూలాన్ని పంచుకున్నప్పటికీ, కాలక్రమంలో చాలా భిన్నమైన పనుల్లో స్థిరపడిన ప్రోటీన్లే. ఆ విభజన ఎలా జరుగుతుంది అన్నది అణు పరిణామంలో ప్రధాన ప్రశ్న. కీల్ విశ్వవిద్యాలయం, జర్మన్ ఎలక్ట్రాన్ సింక్రోట్రాన్ DESY, మరియు సెంటర్ ఫర్ స్ట్రక్చరల్ సిస్టమ్స్ బయాలజీ (CSSB) లో పనిచేస్తున్న బృందం ఈ ప్రశ్నకు సమయాన్ని వెనక్కి తిప్పుతూ సమాధానం వెతికింది. కీల్ విశ్వవిద్యాలయ ప్రొఫెసర్ మరియు DESY లోని స్ట్రక్చరల్ మైక్రోబయాలజీ గ్రూప్ హెడ్ హోల్గర్ సాండెర్మాన్ నేతృత్వంలో, పరిశోధకులు రెండు బ్యాక్టీరియా ఎంజైముల సాధారణ పూర్వికుడిని పునర్నిర్మించారు, ఆ దీర్ఘకాలంగా అంతరించిన ప్రోటీన్‌ను ప్రయోగశాలలో తయారు చేశారు, మరియు పరిణామ కాలంలో వేర్వేరు విధులు ఎలా ఏర్పడ్డాయో అనుసరించారు. వారి కనుగొన్న విషయాలు Science Advances లో ప్రచురితమై, అణు గతాన్ని అరుదుగా చూపించే దృశ్యాన్ని అందించడమే కాకుండా, ప్రోటీన్ పరిణామాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి శక్తివంతమైన వ్యూహాన్ని చూపిస్తున్నాయి.

రెండు ఎంజైములు, వేర్వేరు పాత్రలు

ఈ అధ్యయనంలో పరిశీలించిన రెండు ఎంజైములు న్యూక్లియేసులు అనే ప్రోటీన్ సమూహానికి చెందుతాయి; ఇవి జన్యు పదార్థం యొక్క రసాయన ఘటకాలతో నిర్మితమైన అణువులను విచ్ఛిన్నం చేస్తాయి. రెండూ పరస్పర సంబంధితమైనప్పటికీ, బ్యాక్టీరియా కణంలో వేర్వేరు స్థానాలను ఆక్రమించాయి.

మొదటి ఎంజైమ్ NrnC ఒక రకంగా సర్వసాధారణం. ఇది DNA లేదా RNA నిర్మాణ ఘటకాలు రెండుతో కూడిన చిన్న అణువులను విచ్ఛిన్నం చేస్తుంది. రెండో ఎంజైమ్ diDNase కూడా ఇలాంటి ప్రతిచర్యనే చేస్తుంది, కానీ అది ప్రత్యేకతను పొందింది: ఇది ప్రధానంగా DNA నిర్మాణ ఘటకాలు రెండుతో తయారైన అణువులను ప్రాసెస్ చేయడానికి అంకితం అయింది. ఈ తేడా సూక్ష్మంగా అనిపించినా, బ్యాక్టీరియాకు ఇది కీలకం. ఒక రకమైన చిన్న న్యూక్లిక్ ఆమ్లాన్ని విచ్ఛిన్నం చేయగలగడం, మరొక రకాన్ని చేయలేకపోవడం, జీన్ నియంత్రణ, DNA మరమ్మత్తు, మరియు జన్యు పదార్థం పునర్వినియోగంపై ప్రభావం చూపుతుంది.

సాండెర్మాన్ మరియు ఆయన సహచరులు వివరించినట్లుగా, శాస్త్రీయ పజిల్ ఈ ఎంజైములు ఇవాళ ఏమి చేస్తాయన్నది మాత్రమే కాదు. ఇంత దగ్గర సంబంధం ఉన్న ప్రోటీన్లు ఇంత భిన్నమైన ప్రాధాన్యాలను ఎలా అభివృద్ధి చేసుకున్నాయి అన్నదే ప్రశ్న. పరిణామ విస్తృత ప్రవాహంలో, ఒక్క అమినో ఆమ్ల మార్పే ఎంజైమ్ ఆకారం, స్థిరత్వం లేదా కార్యాచరణను మార్చగలదు. కానీ ఆధునిక వారసులే కనిపించే సమయంలో ఆ మార్గాన్ని అనుసరించడం కష్టం. గతాన్ని ఊహించాలి, మరియు ఆ ఊహలను పరీక్షించడానికి అత్యంత ప్రత్యక్ష మార్గం దాన్ని తిరిగి సృష్టించడమే.

జీవితంలో ఉన్న ఎంజైములను అధ్యయనం చేయడంలోని పరిమితులు

ఈ కొత్త అధ్యయనం సాండెర్మాన్ బృందం చేసిన అనేక సంవత్సరాల పరిశోధనపై ఆధారపడింది. బృందం సాంప్రదాయ పద్ధతిలో ప్రారంభించింది: వివిధ బ్యాక్టీరియా ప్రోటీన్లను పోల్చి, కాలక్రమంలో ఏ లక్షణాలు పరిరక్షించబడ్డాయో, ఏవి మారాయో నిర్ణయించింది. పరిరక్షిత ప్రాంతాలు సాధారణంగా నిర్మాణం లేదా కార్యానికి అవసరమైనవి; మారే ప్రాంతాలు specificity లోని తేడాలకు కారణం కావచ్చు.

ఒక నిర్దిష్ట ఎంజైమ్ కుటుంబంపై మునుపటి అధ్యయనాల్లో, సాండెర్మాన్ బృందంలోని శాస్త్రవేత్త సోఫియా మోర్టెన్సెన్, తెలిసిన ఎంజైములకు దగ్గర సంబంధం ఉన్నప్పటికీ వేర్వేరు అణువులను ప్రాసెస్ చేసిన ప్రోటీన్ల సమూహాన్ని గుర్తించారు. ఆ కనుగొనం, పరిణామ సంబంధాలు ఇప్పటికే స్పష్టంగా ఉన్న కుటుంబంలో functional divergence ఎలా జరుగుతుందో పరిశీలించడానికి మార్గం తెరిచింది. ఆ ప్రోటీన్లు స్పష్టంగా అన్నదమ్ముల్లా ఉన్నప్పటికీ, వారి రసాయన అభిరుచులు దూరమయ్యాయి.

మొదట, బృందం ప్రోటీన్లలో లక్ష్యిత మార్పులు చేసి రెండు ఎంజైముల మధ్య తేడాలను వివరించడానికి ప్రయత్నించింది. ఇది ప్రోటీన్ ఇంజనీరింగ్‌లో సాధారణ పద్ధతి: ఒకేసారి ఒక అమినో ఆమ్లాన్ని మార్చి, ఏ ప్రత్యామ్నాయం ఒక ఎంజైమ్‌ను ఒక కార్యాచరణ నుండి మరొకదానికి తిప్పుతుందో చూడటం. కానీ ఈ సందర్భంలో ఆ వ్యూహం విఫలమైంది. మార్పులు చేసిన ప్రోటీన్లు స్థిరత్వాన్ని కోల్పోయాయి లేదా ఆశించిన కార్యాన్ని చేయలేకపోయాయి. ఎంజైముల కనిపించే ఉపరితలంతో చెలగాటం ఆడటం, పరిణామపు అంతర్లీన మార్గాన్ని వెల్లడించడానికి సరిపోలేదు.

ముందుకు కాకుండా, వెనక్కు చూడటం

ఇప్పటి ప్రోటీన్లు సరైన వివరణ ఇవ్వకపోవడంతో, పరిశోధకులు వేరే మార్గం ఎంచుకున్నారు. నేటి ప్రోటీన్లను కేవలం పోల్చడం బదులు, వారి పరిణామ చరిత్రను వెనక్కి చూసారు. ఇదే ancestral sequence reconstruction వెనుక ఉన్న తర్కం; ఇది అనేక సంబంధిత ప్రోటీన్ల अनुక్రమాలను ఉపయోగించి, మిలియన్ల సంవత్సరాల క్రితం ఉన్న ఒక ప్రోటీన్‌కు అత్యంత సాధ్యమైన अनुక్రమాన్ని ఊహించే పద్ధతి.

బృందం ముందుగా ఎంజైమ్ కుటుంబానికి సంబంధించిన వివరమైన పరిణామ వృక్షాన్ని నిర్మించింది, అందులో NrnC, diDNase, మరియు ఇతర సంబంధాలను వారి అమినో ఆమ్ల अनुక్రమాల సారూప్యత ఆధారంగా అమర్చింది. ఆ వృక్షంతో, రెండు ఎంజైములు ఉద్భవించిన సాధారణ పూర్వికుడి అత్యంత సాధ్యమైన अनुక్రమాన్ని లెక్కించగలిగారు. ఆ తరువాత అత్యంత ప్రతిష్ఠాత్మక దశ వచ్చింది: వారు జీన్ని సింథసైజ్ చేసి, దాన్ని ప్రయోగశాలలో వ్యక్తీకరించి, నేరుగా అధ్యయనం చేయగల రూపంలో పురాతన ప్రోటీన్‌ను ఉత్పత్తి చేశారు.

ఈ పునర్జీవింపబడ్డ ప్రోటీన్ ఒక అవశేషం మాత్రమే కాదు. ఇది ప్రయోగాల కోసం ఆరంభ స్థానం. ఒక పూర్విక స్థితిని తిరిగి సృష్టించడం ద్వారా, బృందం మార్పులను ఒక్కొక్కటిగా ప్రవేశపెట్టి, ప్రతి మార్పు ప్రోటీన్‌ను ఆధునిక కార్యాలలో ఒకదాని వైపు ఎలా నడిపిస్తుందో గమనించగలదు. వాస్తవానికి, ఆ పురాతన ఎంజైమ్ ఒక అణు కాలయంత్రం, పరిశోధకులు టెస్ట్ ట్యూబ్‌లోనే పరిణామాన్ని తిరిగి నడపడానికి అనుమతిస్తుంది.

అణు గతానికి నిర్మాణాత్మక దృష్టి

ఈ అధ్యయనం ఒక నిర్మాణాత్మక దృష్టికోణాన్ని కూడా అందిస్తుంది. పరిశోధకులు diDNase ఎంజైముల పునర్నిర్మిత పూర్వికుడి 3D నిర్మాణాన్ని చూడగలిగారు. పురాతన ప్రోటీన్ ఆకారాన్ని చూడటం, కొన్ని మ్యూటేషన్లు ఎందుకు సహించబడ్డాయి, మరికొన్నివి ఎందుకు కాదు అన్నదాన్ని వివరిస్తుంది. అలాగే active site, అంటే ఎంజైమ్ తన రసాయన ప్రతిచర్యను నిర్వహించే ప్రాంతం, కాలక్రమంలో ఎలా మార్పు చెందిందో, వేర్వేరు substrates‌ను స్వీకరించేలా ఎలా మారిందో స్పష్టంచేస్తుంది.

పూర్విక ఎంజైమ్ NrnC మరియు diDNase విభజనకు ముందున్నది కాబట్టి, దాని నిర్మాణం రెండు కార్యాలూ ఇంకా సాధ్యమైన ఒక స్థితిని ప్రతినిధ్యం వహించే అవకాశం ఉంది. ఈ పూర్విక నిర్మాణాన్ని NrnC మరియు diDNase యొక్క ఆధునిక నిర్మాణాలతో పోల్చి, ఎంజైమ్‌ను ఒక ప్రత్యేకత వైపు మళ్లించిన ఖచ్చితమైన మార్పులను బృందం గుర్తించగలదు. కేవలం ఆధునిక ఎంజైములను పరిశీలించడం ద్వారా ఈ రకమైన సమాచారం పొందడం కష్టం; ఎందుకంటే తర్వాత జరిగిన మిలియన్ల ఏళ్ల పరిణామం, ఒక ప్రోటీన్‌ను నిర్దిష్ట మార్గంలో నిలిపిన ఆ ప్రారంభ దశలను కప్పివేస్తుంది.

మూలభూత పరిణామం మరియు ప్రోటీన్ ఇంజనీరింగ్‌కు సూచనలు

ఈ కనుగొన్లు, పరిణామం క్రమంలో ప్రోటీన్లు వేర్వేరు విధులను ఎలా అభివృద్ధి చేసుకుంటాయో అర్థం చేసుకోవడానికి సహాయపడతాయి. కానీ వీటి ప్రాముఖ్యత కేవలం మౌలిక ఆసక్తికే పరిమితం కాదు. ప్రకృతి ప్రోటీన్లను ఎలా మళ్లీ ఆకారమిస్తుందో అర్థం చేసుకోవడం, బయోటెక్నాలజీ, వైద్యం లేదా పరిశ్రమ రసాయనశాస్త్రం కోసం అనుకూల ఎంజైములను రూపొందించాలనుకునే శాస్త్రవేత్తలకు ఉపయోగకరం.

సహజ పరిణామం ఒక దశలవారీ ప్రక్రియ. ఇది ఒక ప్రోటీన్‌ను శూన్యం నుంచి డిజైన్ చేయడం ద్వారా కాదు, ఉన్నవాటిని మార్చడం ద్వారా పనిచేస్తుంది; అనేక substrates‌పై తక్కువ స్థాయి కార్యాచరణ ఉన్న పూర్వికుడి లవచీకత్వాన్ని ఇది తరచుగా వినియోగిస్తుంది. NrnC మరియు diDNase ఉదాహరణ ఈ సూత్రాన్ని విశేష స్పష్టతతో చూపుతుంది. పూర్విక ఎంజైమ్ స్పష్టంగా రెండు వేర్వేరు ప్రత్యేకజ్ఞులను ఉత్పత్తి చేయగలిగింది, ప్రతి ఒక్కటి వేర్వేరు రకమైన చిన్న న్యూక్లిక్ ఆమ్ల అణువుకు అనుగుణంగా రూపొందింది.

ఆధునిక ప్రోటీన్ ఇంజనీర్లకు పాఠం ఏమిటంటే, సమకాలీన ఎంజైమ్‌లోని residues‌ను కేవలం మార్చడం ద్వారా ప్రకృతి తీసుకున్న మార్గాన్ని పునరుత్పత్తి చేయలేము. కొన్ని సందర్భాల్లో ఎంజైమ్ పరిణామాన్ని నియంత్రించే నియమాలు దాని చరిత్రలో లోతుగా దాగి ఉంటాయి. ఒక ప్రోటీన్‌ను అర్థవంతంగా మార్చడానికి, పరిణామ ప్యాలియోంటాలజిస్ట్‌లా ఆలోచించి, ఆధునిక ప్రోటీన్లు ఉద్భవించిన ప్రాచీన రూపాలను పరిగణనలోకి తీసుకోవాల్సి రావచ్చు.

పరిణామాన్ని వెనక్కి తిప్పడానికి రూపరేఖ

ఈ అధ్యయనం ఇతర పరిశోధనా బృందాలకు ఒక విధానపరమైన రూపరేఖను కూడా అందిస్తుంది. Ancestral sequence reconstruction కొత్తది కాదు, కానీ దాన్ని నిర్మాణ జీవశాస్త్రం మరియు ప్రయోగశాల పునర్జీవనంతో కలపడం అసాధారణ అంతర్దృష్టులను అందిస్తోంది. CSSB మరియు DESY మౌలిక వసతులు పరిశోధకులు పరిణామ విశ్లేషణ, ప్రోటీన్ ఉత్పత్తి, మరియు అధిక-స్పష్టత నిర్మాణ నిర్ధారణను ఒకే బౌద్ధిక చట్రంలో కలపడానికి సహాయపడతాయి.

బృందం సాధించిన విజయం పట్టుదల యొక్క విలువను కూడా చూపిస్తుంది. మొదటి మ్యూటేషన్ ప్రయోగాలు విఫలమయ్యాయి, మరియు వెనక్కి తగ్గి దీర్ఘకాలిక పరిణామ దృక్కోణాన్ని స్వీకరించిన తర్వాతే పరిశోధకులు పురోగతి సాధించగలిగారు. శాస్త్రంలో, పరిణామంలో ఉన్నట్లే, ముందుకు వెళ్లే మార్గం కొన్నిసార్లు వెనక్కి వెళ్లాలని కోరుతుంది.

ముందున్న దారి

పూర్విక ఎంజైమ్ నుంచి ఆధునిక ప్రత్యేకజ్ఞుల వరకు ఉన్న మొత్తం ప్రయాణాన్ని మ్యాప్ చేయడానికి మరిన్ని ప్రయోగాలు అవసరం. ఇప్పుడు పునర్నిర్మిత ప్రోటీన్ చేతిలో ఉన్నందున, రెండు వంశాలను విడదీసే మ్యూటేషన్లను ఒక్కొక్కటిగా ప్రవేశపెట్టి, వాటి ఫలితాలను నిజ సమయంలో గమనించడం పరిశోధకులు ప్రారంభించవచ్చు. ప్రతి ప్రయోగం ఈ కుటుంబం ఎలా పరిణమించిందో చూపించే చిత్రానికి ఒక కొత్త వివరాన్ని జోడిస్తుంది, మరియు మరెన్నో ఇతర ప్రోటీన్లకు వర్తించే సాధారణ సూత్రాలను కూడా అందించవచ్చు.

సామాన్య పాఠకులకు, ఈ పని పరిణామం ఏనుగులు, ఆర్కిడ్లు మాత్రమే కాదు, ప్రతి జీవకణంలో ఉన్న అణు యంత్రాలను కూడా తీర్చిదిద్దే శక్తి అని గుర్తుచేస్తుంది. కాలంలో కోల్పోయిన ఒక ప్రోటీన్‌ను పునర్జీవింపజేసి, శాస్త్రవేత్తల బృందం గతం ఎప్పుడూ అందని దూరంలో ఉండదని చూపింది. కొన్నిసార్లు దాన్ని పునర్నిర్మించి, అధ్యయనం చేసి, దాని రహస్యాలను వెలికితీయించవచ్చు.

ఈ వ్యాసం Phys.org నివేదిక ఆధారంగా రూపొందింది. మూల వ్యాసాన్ని చదవండి.