जीवित जीव समय की निगरानी करते हैं – और उस पर प्रतिक्रिया करते हैं – कई अलग-अलग तरीकों से, माइक्रोसेकंड में प्रकाश और ध्वनि का पता लगाने से लेकर पूर्व-क्रमादेशित तरीकों से शारीरिक रूप से प्रतिक्रिया करने तक, अपने दैनिक नींद चक्र, मासिक मासिक धर्म चक्र, या मौसम में बदलाव के माध्यम से।
अलग-अलग समय के पैमाने पर प्रतिक्रिया करने की ऐसी क्षमता आणविक स्विच या नैनोमशीन के माध्यम से संभव होती है जो पर्यावरण और समय के जवाब में चालू और बंद करने के लिए प्रोग्राम किए गए सटीक आणविक टाइमर के रूप में कार्य या संचार करते हैं।
अब, नए शोध में, यूनिवर्सिटी डी मॉन्ट्रियल के वैज्ञानिकों ने दो अलग-अलग तंत्रों को सफलतापूर्वक बनाया और मान्य किया है जो कई समय के पैमाने पर जीवित जीवों में नैनोमशीनों की सक्रियता और निष्क्रियता दर दोनों को प्रोग्राम कर सकते हैं।
उनके निष्कर्षों को प्रकाशित किया गया है अमेरिकी रसायन सोसाइटी का जर्नल. उनकी सफलता से पता चलता है कि कैसे इंजीनियर नैनोमेडिसिन और अन्य प्रौद्योगिकियों को बेहतर बनाने के लिए प्राकृतिक प्रक्रियाओं का उपयोग कर सकते हैं, साथ ही यह समझाने में भी मदद कर सकते हैं कि जीवन कैसे विकसित हुआ है।
दरवाज़ा सादृश्य
बायोमोलेक्यूलर स्विच या नैनोमशीन, जो आमतौर पर प्रोटीन या न्यूक्लिक एसिड से बने होते हैं, जीवन की मशीनरी के नट और बोल्ट हैं। वे हजारों प्रमुख कार्य करते हैं, जिनमें रासायनिक प्रतिक्रियाएं, अणुओं का परिवहन, ऊर्जा का भंडारण और गति और विकास को सक्षम करना शामिल है।
लेकिन ये स्विच विभिन्न समय-सीमाओं में सक्रिय होने के लिए कैसे विकसित हुए हैं? यह एक महत्वपूर्ण प्रश्न है जिसने लंबे समय से रसायनज्ञों को आकर्षित किया है, और 1960 के दशक में मोनोड-वाइमन-चेंजक्स और कोशलैंड-नेमेथी-फिल्मर के अग्रणी काम के बाद से आमतौर पर बायोमोलेक्यूलर स्विच की सक्रियता को नियंत्रित करने के लिए दो लोकप्रिय तंत्र माने जाते हैं।
नए अध्ययन के प्रमुख अन्वेषक, यूडीएम रसायन विज्ञान के प्रोफेसर एलेक्सिस वैली-बेलिसले ने कहा, “इन दो तंत्रों को चित्रित करने के लिए एक दरवाजे की सादृश्यता सुविधाजनक है।”
“बंद दरवाजा स्विच या नैनोमशीन की निष्क्रिय संरचना का प्रतिनिधित्व करता है जबकि खुला दरवाजा इसकी सक्रिय संरचना का प्रतिनिधित्व करता है। यह स्विच और उसके सक्रिय अणु, जैसे प्रकाश या अणु के बीच की बातचीत है, जो सक्रियण तंत्र के प्रकार को निर्धारित करती है।”
“प्रेरित-फिट तंत्र में, सक्रिय करने वाला अणु, या व्यक्ति, बंद दरवाजे के हैंडल को पकड़ लेता है, जो तेजी से खुलने के लिए ऊर्जा प्रदान करता है,” वैली-बेलिसल ने समझाया। “संरचनात्मक चयन तंत्र में, सक्रिय करने वाले अणु को संपर्क करने से पहले दरवाजे के स्वत: खुलने का इंतजार करना पड़ता है और बाद में खुली संरचना में इसे अवरुद्ध करना पड़ता है।”
जबकि ये दो तंत्र कई प्रोटीनों में देखे गए थे, हाल ही में वैज्ञानिकों को एहसास हुआ है कि इन तंत्रों को बेहतर नैनोसिस्टम्स को इंजीनियर करने के लिए भी नियोजित किया जा सकता है।
नैनोडोर बनाने के लिए डीएनए का उपयोग करना
इन दो तंत्रों और उनकी कार्यप्रणाली के पीछे के रहस्य को जानने के लिए, शोधकर्ताओं ने डीएनए का उपयोग करके एक सरल आणविक “दरवाजा” सफलतापूर्वक बनाया है। हालाँकि डीएनए ज्यादातर जीवित जीवों के आनुवंशिक कोड को एनकोड करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है, कई बायोइंजीनियरों ने नैनोस्केल में वस्तुओं को बनाने के लिए इसकी सरल रसायन विज्ञान का उपयोग करना भी शुरू कर दिया है।
UdeM में रसायन विज्ञान के एक सहयोगी शोधकर्ता और नए अध्ययन के सह-लेखक डोमिनिक लॉज़ोन ने कहा, “प्रोटीन की तुलना में, डीएनए एक अत्यधिक प्रोग्रामयोग्य और बहुमुखी अणु है।” “यह रसायन विज्ञान के लेगो ब्लॉक की तरह है जो हमें नैनोस्केल पर हमारे मन में जो कुछ भी है उसे बनाने की अनुमति देता है।”
हजार गुना तेज
डीएनए का उपयोग करके, यूडीएम वैज्ञानिकों ने 5-नैनोमीटर चौड़ा “दरवाजा” बनाया है जिसे एक ही सक्रिय अणु का उपयोग करके दो अलग-अलग तंत्रों के माध्यम से सक्रिय किया जा सकता है। इससे शोधकर्ताओं को दोनों स्विचिंग तंत्रों की सीधे एक ही आधार पर तुलना करने, उनके डिजाइन सिद्धांतों और प्रोग्राम करने की क्षमता का परीक्षण करने की अनुमति मिली।
उन्होंने पाया कि “दरवाजे का हैंडल” (प्रेरित-फिट) स्विच हजारों गुना तेजी से सक्रिय और निष्क्रिय हो जाता है क्योंकि सक्रिय करने वाला अणु दरवाजा खोलने में तेजी लाने के लिए ऊर्जा प्रदान करता है। इसके विपरीत, बिना किसी हैंडल (संरचनात्मक चयन) वाले बहुत धीमे स्विच को केवल दरवाज़े को बंद रखने वाली इंटरैक्शन की ताकत बढ़ाकर बहुत धीमी दरों पर खोलने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है।
“हमने पाया है कि हम वास्तव में आणविक हैंडल को डिज़ाइन करके प्रोग्राम की सक्रियता को घंटों से सेकंड में बदल सकते हैं” पहले लेखक कार्ल प्रीवोस्ट-ट्रेमब्ले और स्नातक जैव रसायन छात्र ने समझाया।
“हमने यह भी सोचा कि स्विच और नैनोमशीनों के सक्रियण की दर को प्रोग्राम करने की यह क्षमता नैनोटेक्नोलॉजी में कई अनुप्रयोग पा सकती है जहां रासायनिक घटनाओं को विशिष्ट समय पर प्रोग्राम करने की आवश्यकता होती है।”
नई दवा-वितरण तकनीक की ओर
एक क्षेत्र जो अलग-अलग दरों पर सक्रिय और निष्क्रिय करने वाले नैनोसिस्टम विकसित करने से काफी लाभान्वित होगा, वह है नैनोमेडिसिन, जिसका उद्देश्य प्रोग्राम योग्य दवा-रिलीज़ दरों के साथ दवा-वितरण प्रणाली विकसित करना है।
इससे यह कम करने में मदद मिलेगी कि कोई मरीज़ कितनी बार दवा लेता है और उपचार की अवधि के दौरान शरीर में दवा की सही सांद्रता बनाए रखने में मदद मिलेगी।
दोनों तंत्रों की उच्च प्रोग्रामयोग्यता को प्रदर्शित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक मलेरिया-रोधी दवा वाहक का डिजाइन और परीक्षण किया, जो किसी भी क्रमादेशित दर पर अपनी दवा जारी कर सकता है।
“एक आणविक हैंडल की इंजीनियरिंग करके, हमने एक ऐसा वाहक विकसित किया है जो एक सक्रिय अणु के सरल जोड़ के माध्यम से दवा को तेजी से और तत्काल जारी करने की अनुमति देता है,” बायोमेडिकल इंजीनियरिंग मास्टर के छात्र अकिल विग्नॉल्ट ने कहा, जो अध्ययन के लेखक भी हैं। “और एक हैंडल की अनुपस्थिति में, हमने एक वाहक भी विकसित किया है जो सक्रियण के बाद दवा की प्रोग्रामयोग्य धीमी गति से निरंतर रिलीज प्रदान करता है।”
वैज्ञानिकों ने कहा कि ये परिणाम दो सिग्नलिंग तंत्रों की विशिष्ट विकासवादी भूमिकाओं और लाभों को भी उजागर करते हैं, और बताते हैं कि क्यों कुछ प्रोटीन एक तंत्र के माध्यम से दूसरे तंत्र के माध्यम से सक्रिय होने के लिए विकसित हुए हैं।
“उदाहरण के लिए, सेल रिसेप्टर्स जिन्हें प्रकाश या गंध का पता लगाने के लिए तेजी से सक्रियण की आवश्यकता होती है, वे तेजी से प्रेरित-फिट तंत्र से लाभान्वित होते हैं,” वैली-बेलिसल ने कहा, “जबकि हफ्तों तक चलने वाली प्रक्रियाएं, जैसे कि प्रोटीज निषेध, निश्चित रूप से धीमी संरचना से लाभान्वित होती हैं चयन तंत्र।”
इस अध्ययन के बारे में
कार्ल प्रीवोस्ट-ट्रेमब्ले, अकिल विग्नॉल्ट, डोमिनिक लॉज़ोन और एलेक्सिस वैली-बेलिसल द्वारा “प्रोग्रामिंग द कैनेटीक्स ऑफ केमिकल कम्युनिकेशन: इंड्यूस्ड फिट बनाम कन्फॉर्मेशनल सेलेक्शन” 19 दिसंबर, 2024 को जर्नल ऑफ द अमेरिकन केमिकल सोसाइटी में प्रकाशित किया गया था। कनाडा के राष्ट्रीय विज्ञान और इंजीनियरिंग अनुसंधान परिषद, कनाडा अनुसंधान अध्यक्ष कार्यक्रम, लेस फोंड्स डे रीचेर्चे डू क्यूबेक – नेचर एट टेक्नोलॉजीज और PROTEO नेटवर्क द्वारा फंडिंग प्रदान की गई थी।
