वैज्ञानिक भ्रूण के विकास के पहले दिनों की नकल करने के लिए सेलुलर प्रोग्रामिंग का उपयोग करते हैं

एक विनम्र एकल कोशिका कैसे एक जीव बन जाती है, इसकी प्रक्रिया अनुशासन में वैज्ञानिकों को आकर्षित करती है। कुछ जानवरों के लिए, सेलुलर गुणा की पूरी प्रक्रिया, विशेष कोशिकाओं की पीढ़ी, और उनके संगठन को एक ऑर्डर किए गए बहुकोशिकीय भ्रूण में गर्भाशय के सुरक्षात्मक वातावरण में होता है, जिससे प्रत्यक्ष अवलोकन और अध्ययन चुनौतीपूर्ण होता है। इससे वैज्ञानिकों के लिए यह समझना मुश्किल हो जाता है कि उस प्रक्रिया के दौरान क्या गलत हो सकता है, और कैसे विशिष्ट जोखिम कारक और आसपास के वातावरण भ्रूण के गठन को रोक सकते हैं।

यूसी सांता क्रूज़ के वैज्ञानिक किसी भी वास्तविक भ्रूण के साथ प्रयोग किए बिना भ्रूण के सेलुलर मॉडल को इंजीनियर करने में सक्षम थे, जिससे उन्हें दो यौन प्रजनन कोशिकाओं के मिलने के बाद पहले कुछ दिनों की नकल करने की अनुमति मिली। वे “प्रोग्रामेबल” भ्रूण जैसी संरचनाओं में व्यवस्थित करने के लिए स्टेम कोशिकाओं को संकेत देने के लिए CRISPR- आधारित इंजीनियरिंग विधियों का उपयोग करते हैं, जिन्हें भ्रूण के रूप में भी जाना जाता है, जिसका उपयोग प्रारंभिक विकास में कुछ जीनों की भूमिका का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है। ये संरचनाएं वास्तविक भ्रूण नहीं हैं, बल्कि प्रयोगशाला-विकसित कोशिकाओं की असेंबली हैं जो शुरुआती विकासात्मक चरणों के कुछ पहलुओं की नकल करने वाले तरीकों से स्व-संगठित होती हैं। उनके परिणाम प्रमुख स्टेम सेल जर्नल में प्रकाशित होते हैं सेल स्टेम सेल।

बायोमोलेक्यूलर इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर और अध्ययन के वरिष्ठ लेखक अली शरीती ने कहा, “हम वैज्ञानिकों के रूप में प्राकृतिक घटनाओं को फिर से बनाने और पुन: पेश करने में रुचि रखते हैं, जैसे कि एक भ्रूण का गठन, डिश में उन अध्ययनों को सक्षम करने के लिए जो अन्यथा प्राकृतिक प्रणालियों के साथ करने के लिए चुनौतीपूर्ण हैं।” “हम जानना चाहते हैं कि कोशिकाएं खुद को एक भ्रूण जैसे मॉडल में कैसे व्यवस्थित करती हैं, और जब रोग संबंधी स्थिति होती है तो क्या गलत हो सकता है जो किसी जानवर को सफलतापूर्वक विकसित होने से रोकता है।”

सेल सह-विकास

शरीती स्टेम सेल इंजीनियरिंग में एक विशेषज्ञ है, एक ऐसा क्षेत्र जो स्टेम सेल का उपयोग करता है – अनिर्दिष्ट कोशिकाएं जो किसी भी प्रकार की सेल जैसे आंत या मस्तिष्क कोशिकाओं का निर्माण कर सकती हैं – का अध्ययन और जैविक और स्वास्थ्य समस्याओं को हल करने के लिए।

यूसीएससी पोस्टडॉक्टोरल स्कॉलर गेराल्ड लॉड्यूजक और बायोमोलेक्यूलर इंजीनियरिंग एल्यूमना और वर्तमान कैलटेक ग्रेजुएट छात्र साका कोज़ुकी के नेतृत्व में इस परियोजना ने माउस स्टेम कोशिकाओं का उपयोग किया, जो आमतौर पर एम्ब्रियो के बुनियादी बिल्डिंग ब्लॉक बनाने के लिए उन्हें मार्गदर्शन करने के लिए प्रयोगशाला में उगाए जाते हैं।

टीम ने CRISPR तकनीक के एक संस्करण का उपयोग किया जिसे एक एपिगेनोम संपादक के रूप में जाना जाता है, जो डीएनए में कटौती नहीं करता है, बल्कि यह बताता है कि यह कैसे व्यक्त किया जाता है। उन्होंने एक प्रारंभिक भ्रूण के विकास में शामिल होने वाले जीनोम के क्षेत्रों को लक्षित किया। इसने उन्हें यह नियंत्रित करने की अनुमति दी कि कौन से जीन सक्रिय थे, और प्रारंभिक विकास के लिए आवश्यक मुख्य प्रकार की कोशिकाओं के निर्माण को प्रेरित करते हैं।

“हम स्टेम कोशिकाओं का उपयोग करते हैं, जो एक खाली कैनवास की तरह हैं, और हमारे CRISPR टूल का उपयोग करके विभिन्न सेल प्रकारों को प्रेरित करने के लिए उनका उपयोग करते हैं,” लोडेविजिक ने कहा।

इस पद्धति में विभिन्न सेल प्रकारों को “सह-विकास” की अनुमति देने का लाभ था, जो कि विभिन्न प्रकार के रासायनिक दृष्टिकोणों की तुलना में प्राकृतिक भ्रूण के गठन से अधिक निकटता से मिलता है जो अन्य वैज्ञानिकों ने विभिन्न सेल प्रकारों को विकसित करने के लिए उपयोग किया है।

“ये कोशिकाएं एक साथ-साथ एक साथ विकसित होती हैं, जैसे वे एक वास्तविक भ्रूण में होंगे, और पड़ोसी होने के उस इतिहास को स्थापित करेंगे,” शरिया ने कहा। “हम उनके जीनोम को नहीं बदलते हैं या उन्हें विशिष्ट सिग्नलिंग अणुओं के लिए उजागर नहीं करते हैं, बल्कि मौजूदा जीन को सक्रिय करते हैं।”

टीम ने पाया कि 80% स्टेम सेल खुद को एक संरचना में व्यवस्थित करते हैं जो कुछ दिनों के बाद एक भ्रूण के सबसे बुनियादी रूप की नकल करता है, और अधिकांश जीन सक्रियण से गुजरता है जो जीवित जीवों में होने वाली विकास प्रक्रिया को दर्शाता है।

“समानता उस तरह से उल्लेखनीय है जिस तरह से कोशिकाएं खुद को व्यवस्थित करती हैं, साथ ही आणविक संरचना भी है,” शरीती ने कहा। “(कोशिकाओं की आवश्यकता होती है) हमसे बहुत कम इनपुट – यह ऐसा है जैसे कोशिकाओं को पहले से ही पता है कि क्या करना है, और हम उन्हें बस थोड़ा सा मार्गदर्शन देते हैं।”

शोधकर्ताओं ने देखा कि कोशिकाओं ने एक साथ स्थानांतरित करने और आयोजन में एक सामूहिक व्यवहार दिखाया।

“उनमें से कुछ इस घूर्णी प्रवासन को करना शुरू कर देते हैं, लगभग पक्षियों या अन्य प्रजातियों के सामूहिक व्यवहार की तरह,” शरीती ने कहा। “इस सामूहिक व्यवहार और प्रवास के माध्यम से वे इन आकर्षक भ्रूण पैटर्न का निर्माण कर सकते हैं।”

“प्रोग्रामेबल” मॉडल

एक सटीक बेसलाइन मॉडल होने से जो एक जीवित जीव के शुरुआती भ्रूण को दर्शाता है, वैज्ञानिकों को बेहतर अध्ययन करने और विकासात्मक विकारों या उत्परिवर्तन का इलाज करने के तरीके सीखने की अनुमति दे सकता है।

“इन मॉडलों में विकास के शुरुआती चरणों में क्या हो रहा है, इसका एक अधिक पूर्ण प्रतिनिधित्व है, और पृष्ठभूमि पर कब्जा कर सकते हैं,” लॉड्यूजिक ने कहा।

CRISPR प्रोग्रामिंग न केवल वैज्ञानिकों को प्रयोग प्रक्रिया की शुरुआत में जीन को सक्रिय करने की अनुमति देता है, बल्कि उन्हें विकास के अन्य भागों के लिए महत्वपूर्ण जीनों को सक्रिय या संशोधित करने में सक्षम बनाता है। यह भ्रूण मॉडल को “प्रोग्राम करने योग्य” होने की अनुमति देता है, जिसका अर्थ है कि वे अपेक्षाकृत आसानी से नियंत्रण के उच्च स्तर से प्रभावित हो सकते हैं और कई जीनों के प्रभाव का परीक्षण करते हैं क्योंकि भ्रूण मॉडल विकसित होता है, रोशन करता है जो कि चालू या बंद होने पर घातक प्रभाव डालता है।

एक उदाहरण के रूप में, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि प्रारंभिक विकास के दौरान कुछ ऊतक कैसे बनते हैं या कैसे बाधित होते हैं, लेकिन उनके तरीकों का उपयोग जीन की एक विस्तृत श्रृंखला और सेल प्रकारों पर उनके कैस्केडिंग प्रभावों का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है।

“मुझे लगता है कि यह इस अध्ययन का अग्रणी काम है – प्रोग्रामबिलिटी और यह कि हम ऐसा करने के लिए बाहरी कारकों पर भरोसा नहीं करते हैं, बल्कि सेल के अंदर बहुत अधिक नियंत्रण रखते हैं,” शरीती ने कहा।

शोधकर्ता इस बात में रुचि रखते हैं कि इस दृष्टिकोण का उपयोग अन्य प्रजातियों का अध्ययन करने के लिए कैसे किया जा सकता है, जो उनके भ्रूण के गठन को कभी भी उनके वास्तविक भ्रूण का उपयोग किए बिना अनुमति देता है।

यह शोध उन अड़चनों के अध्ययन के लिए अनुमति दे सकता है जो शुरुआती चरणों में विफल होने के लिए प्रजनन का नेतृत्व करते हैं। स्तनधारियों में, मनुष्यों में अधिक प्रजनन चुनौतियां होती हैं कि मानव भ्रूण अक्सर सही प्रारंभिक संगठनात्मक रूप को प्रत्यारोपित करने या स्थापित करने में विफल होते हैं। यह समझना कि यह मामला मानव प्रजनन क्षमता में सुधार की दिशा में प्रगति करने में मदद कर सकता है।