राइस यूनिवर्सिटी के बायोइंजीनियरों ने मानव कोशिकाओं में कस्टम सेंस-एंड-रिस्पॉन्स सर्किट बनाने के लिए एक नई निर्माण किट विकसित की है। शोध, जर्नल में प्रकाशित विज्ञानसिंथेटिक जीव विज्ञान के क्षेत्र में एक बड़ी सफलता का प्रतिनिधित्व करता है जो ऑटोइम्यून बीमारी और कैंसर जैसी जटिल स्थितियों के लिए उपचार में क्रांति ला सकता है।
सिस्टम, सिंथेटिक और फिजिकल बायोलॉजी पीएचडी में स्नातक छात्र ज़ियाओयू यांग ने कहा, “प्रोटीन से बने कोशिकाओं के अंदर छोटे प्रोसेसर की कल्पना करें जो सूजन, ट्यूमर वृद्धि मार्कर या रक्त शर्करा के स्तर जैसे विशिष्ट संकेतों पर प्रतिक्रिया करने का ‘तय’ कर सकते हैं।” . राइस में कार्यक्रम जो अध्ययन के प्रमुख लेखक हैं। “यह काम हमें ‘स्मार्ट सेल’ बनाने में सक्षम होने के काफी करीब लाता है जो बीमारी के लक्षणों का पता लगा सकता है और प्रतिक्रिया में तुरंत अनुकूलन योग्य उपचार जारी कर सकता है।”
कृत्रिम सेलुलर सर्किट डिजाइन के लिए नया दृष्टिकोण फॉस्फोराइलेशन पर निर्भर करता है – एक प्राकृतिक प्रक्रिया कोशिकाएं अपने पर्यावरण पर प्रतिक्रिया करने के लिए उपयोग करती हैं जो एक प्रोटीन में फॉस्फेट समूह को जोड़ने की सुविधा देती है। फॉस्फोराइलेशन सेलुलर कार्यों की एक विस्तृत श्रृंखला में शामिल है, जिसमें बाह्यकोशिकीय संकेतों को इंट्रासेल्युलर प्रतिक्रियाओं में परिवर्तित करना शामिल है – उदाहरण के लिए, किसी पदार्थ को हिलाना, स्रावित करना, रोगज़नक़ पर प्रतिक्रिया करना या जीन को व्यक्त करना।
बहुकोशिकीय जीवों में, फॉस्फोराइलेशन-आधारित सिग्नलिंग में अक्सर डोमिनोज़ गिरने जैसा मल्टीस्टेज, कैस्केडिंग प्रभाव शामिल होता है। मानव कोशिकाओं में चिकित्सीय प्रयोजनों के लिए इस तंत्र का उपयोग करने के पिछले प्रयासों ने देशी, मौजूदा सिग्नलिंग मार्गों को फिर से इंजीनियरिंग करने पर ध्यान केंद्रित किया है। हालाँकि, रास्तों की जटिलता के कारण उनके साथ काम करना कठिन हो जाता है, इसलिए अनुप्रयोग काफी सीमित रह गए हैं।
हालाँकि, राइस शोधकर्ताओं के नए निष्कर्षों के लिए धन्यवाद, “स्मार्ट सेल” इंजीनियरिंग में फॉस्फोराइलेशन-आधारित नवाचारों में आने वाले वर्षों में महत्वपूर्ण वृद्धि देखी जा सकती है। जिस चीज़ ने इस सफलता को संभव बनाया वह परिप्रेक्ष्य में बदलाव था:
फॉस्फोराइलेशन एक अनुक्रमिक प्रक्रिया है जो सेलुलर इनपुट (यानी सेल अपने वातावरण में कुछ का सामना करती है या महसूस करती है) से लेकर आउटपुट (सेल प्रतिक्रिया में क्या करती है) तक जाने वाले परस्पर चक्रों की एक श्रृंखला के रूप में सामने आती है। अनुसंधान दल ने जो महसूस किया – और साबित करने के लिए तैयार किया – वह यह था कि कैस्केड में प्रत्येक चक्र को एक प्राथमिक इकाई के रूप में माना जा सकता है, और इन इकाइयों को नए तरीकों से एक साथ जोड़ा जा सकता है ताकि सेलुलर इनपुट और आउटपुट को जोड़ने वाले पूरी तरह से नए रास्ते तैयार किए जा सकें। .
बायोइंजीनियरिंग और बायोसाइंसेज के सहायक प्रोफेसर और अध्ययन के संबंधित लेखक कालेब बशोर ने कहा, “यह सिग्नलिंग सर्किट डिजाइन स्थान को नाटकीय रूप से खोलता है।” “यह पता चला है, फॉस्फोराइलेशन चक्र न केवल आपस में जुड़े हुए हैं, बल्कि एक दूसरे से जुड़े हुए हैं – यह कुछ ऐसा है जिसके बारे में हमें यकीन नहीं था कि इसे पहले इस स्तर के परिष्कार के साथ किया जा सकता है।
“हमारी डिजाइन रणनीति ने हमें सिंथेटिक फॉस्फोराइलेशन सर्किट इंजीनियर करने में सक्षम बनाया है जो न केवल अत्यधिक ट्यून करने योग्य हैं बल्कि कोशिकाओं की व्यवहार्यता या विकास दर को प्रभावित किए बिना उनकी अपनी प्रक्रियाओं के समानांतर भी कार्य कर सकते हैं।”
हालांकि यह सीधा लग सकता है, इकाइयों को बनाने, कनेक्ट करने और ट्यून करने के नियमों का पता लगाना – जिसमें इंट्रा- और एक्स्ट्रासेल्यूलर आउटपुट का डिज़ाइन भी शामिल है – इसके अलावा कुछ भी नहीं था। इसके अलावा, यह तथ्य भी नहीं बताया गया कि सिंथेटिक सर्किट जीवित कोशिकाओं में बनाए और लागू किए जा सकते हैं।
यांग ने कहा, “हमें यह उम्मीद नहीं थी कि हमारे सिंथेटिक सिग्नलिंग सर्किट, जो पूरी तरह से इंजीनियर प्रोटीन भागों से बने हैं, मानव कोशिकाओं में पाए जाने वाले प्राकृतिक सिग्नलिंग मार्गों के समान गति और दक्षता के साथ काम करेंगे।” “कहने की जरूरत नहीं है, हमें यह जानकर सुखद आश्चर्य हुआ कि यह मामला था। इसे पूरा करने के लिए बहुत प्रयास और सहयोग की आवश्यकता पड़ी।”
सेलुलर सर्किट डिजाइन के लिए स्वयं करें, मॉड्यूलर दृष्टिकोण देशी फॉस्फोराइलेशन कैस्केड की एक महत्वपूर्ण सिस्टम-स्तरीय क्षमता को पुन: उत्पन्न करने में सक्षम साबित हुआ, अर्थात् कमजोर इनपुट संकेतों को मैक्रोस्कोपिक आउटपुट में बढ़ाना। इस आशय की प्रायोगिक टिप्पणियों ने टीम की मात्रात्मक मॉडलिंग भविष्यवाणियों को सत्यापित किया, सिंथेटिक जीव विज्ञान के लिए एक मूलभूत उपकरण के रूप में नए ढांचे के मूल्य को मजबूत किया।
सेंस-एंड-रिस्पॉन्स सेलुलर सर्किट डिजाइन के नए दृष्टिकोण का एक और विशिष्ट लाभ यह है कि फॉस्फोराइलेशन केवल सेकंड या मिनटों में तेजी से होता है, इसलिए नए सिंथेटिक फॉस्फो-सिग्नलिंग सर्किट को संभावित रूप से समान समय-सीमा पर होने वाली शारीरिक घटनाओं का जवाब देने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है। . इसके विपरीत, पिछले कई सिंथेटिक सर्किट डिज़ाइन प्रतिलेखन जैसी विभिन्न आणविक प्रक्रियाओं पर आधारित थे, जिन्हें सक्रिय होने में कई घंटे लग सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने संवेदनशीलता और सूजन संबंधी कारकों जैसे बाहरी संकेतों पर प्रतिक्रिया करने की क्षमता के लिए भी सर्किट का परीक्षण किया। अपनी अनुवाद क्षमता को साबित करने के लिए, टीम ने एक सेलुलर सर्किट को इंजीनियर करने के लिए ढांचे का उपयोग किया जो इन कारकों का पता लगा सकता है और इसका उपयोग ऑटोइम्यून फ्लेयर-अप को नियंत्रित करने और इम्यूनोथेरेपी से जुड़े विषाक्तता को कम करने के लिए किया जा सकता है।
“हमारा शोध साबित करता है कि मानव कोशिकाओं में प्रोग्रामयोग्य सर्किट बनाना संभव है जो संकेतों का तुरंत और सटीक रूप से जवाब देता है, और यह इंजीनियरिंग सिंथेटिक फॉस्फोराइलेशन सर्किट के लिए एक निर्माण किट की पहली रिपोर्ट है,” बशोर ने कहा, जो उप निदेशक के रूप में भी काम करता है। राइस सिंथेटिक बायोलॉजी इंस्टीट्यूट, जिसे क्षेत्र में राइस की गहरी विशेषज्ञता का लाभ उठाने और सहयोगात्मक अनुसंधान को उत्प्रेरित करने के लिए इस साल की शुरुआत में लॉन्च किया गया था।
कैरोलीन एजो-फ्रैंकलिन, जो संस्थान के निदेशक के रूप में कार्यरत हैं, ने कहा कि अध्ययन के निष्कर्ष सिंथेटिक जीव विज्ञान में चावल शोधकर्ताओं द्वारा किए जा रहे परिवर्तनकारी कार्य का एक उदाहरण हैं।
एजो-फ्रैंकलिन ने कहा, “अगर पिछले 20 वर्षों में सिंथेटिक जीवविज्ञानियों ने बैक्टीरिया के पर्यावरणीय संकेतों पर धीरे-धीरे प्रतिक्रिया करने के तरीके में हेरफेर करना सीख लिया है, तो बैशोर लैब का काम हमें एक नई सीमा की ओर ले जाता है – स्तनधारी कोशिकाओं की परिवर्तन के प्रति तत्काल प्रतिक्रिया को नियंत्रित करना।” , बायोसाइंसेज, बायोइंजीनियरिंग, केमिकल और बायोमोलेक्यूलर इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और टेक्सास स्कॉलर के कैंसर रोकथाम और अनुसंधान संस्थान।
