Scientists Coax Bacteria Into Making Exotic Proteins Not Found In Nature

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प्रोटीन बनाने के लिए प्रकृति के पास एक निर्धारित नुस्खा है।

डीएनए अक्षरों के त्रिगुण 20 अणुओं में परिवर्तित होते हैं जिन्हें अमीनो एसिड कहा जाता है। फिर ये बुनियादी बिल्डिंग ब्लॉक विभिन्न प्रकार से प्रोटीन की चक्करदार श्रृंखला में एक साथ पिरोए जाते हैं जो सभी जीवित चीजों को बनाते हैं। प्रोटीन शरीर के ऊतकों का निर्माण करते हैं, क्षतिग्रस्त होने पर उन्हें पुनर्जीवित करते हैं, और हमारे शरीर की आंतरिक कार्यप्रणाली को अच्छी तरह से तेल लगी मशीनों की तरह चालू रखते हुए जटिल प्रक्रियाओं को निर्देशित करते हैं।

प्रोटीन की संरचना और गतिविधि का अध्ययन बीमारी पर प्रकाश डाल सकता है, दवा के विकास को बढ़ावा दे सकता है और हमें जटिल जैविक प्रक्रियाओं को समझने में मदद कर सकता है, जैसे कि मस्तिष्क में काम करना या उम्र बढ़ना। प्रोटीन गैर-जैविक संदर्भों में भी आवश्यक होते जा रहे हैं, उदाहरण के लिए, जलवायु-अनुकूल जैव ईंधन के निर्माण में।

फिर भी केवल 20 आणविक निर्माण खंडों के साथ, विकास ने अनिवार्य रूप से प्रोटीन क्या कर सकते हैं इस पर एक सीमा लगा दी है। तो, क्या होगा यदि हम प्रकृति की शब्दावली का विस्तार कर सकें?

प्रकृति में नहीं देखे जाने वाले नए अमीनो एसिड की इंजीनियरिंग करके और उन्हें जीवित कोशिकाओं में शामिल करके, विदेशी प्रोटीन और अधिक काम कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, प्रोटीन-आधारित दवाओं जैसे कि इम्यूनोथेरेपी के लिए सिंथेटिक अमीनो एसिड जोड़ने से उनकी संरचना में थोड़ा बदलाव किया जा सकता है ताकि वे शरीर में लंबे समय तक बने रहें और अधिक प्रभावी हैं. नवीन प्रोटीन नई रासायनिक प्रतिक्रियाओं के द्वार भी खोलते हैं जो विभिन्न गुणों वाले प्लास्टिक या अधिक आसानी से नष्ट होने वाली सामग्रियों को चबाते हैं।

लेकिन एक समस्या है. विदेशी अमीनो एसिड हमेशा कोशिका की मशीनरी के साथ संगत नहीं होते हैं।

एक नए अध्ययन से in प्रकृतियूके के कैम्ब्रिज में मेडिकल रिसर्च काउंसिल लेबोरेटरी ऑफ मॉलिक्यूलर बायोलॉजी में सिंथेटिक बायोलॉजी विशेषज्ञ डॉ. जेसन चिन के नेतृत्व में, सपने को थोड़ा करीब लाया। एक नव विकसित आणविक स्क्रीन का उपयोग करके, उन्होंने बैक्टीरिया कोशिकाओं के अंदर एक प्रोटीन में चार विदेशी अमीनो एसिड पाए और डाले। इंसुलिन और अन्य प्रोटीन-आधारित दवाओं के उत्पादन के लिए एक औद्योगिक पसंदीदा, बैक्टीरिया ने विदेशी बिल्डिंग ब्लॉक्स को आसानी से अपने रूप में स्वीकार कर लिया।

सभी नए जोड़े गए घटक कोशिका के प्राकृतिक घटकों से भिन्न हैं, जिसका अर्थ है कि जोड़े गए घटक कोशिका के सामान्य कार्यों में हस्तक्षेप नहीं करते हैं।

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन के डॉ. चांग लियू, जो अध्ययन का हिस्सा नहीं थे, ने कहा, "अमीनो एसिड की इन नई श्रेणियों को प्रोटीन में शामिल करना एक बड़ी उपलब्धि है।" बोला था विज्ञान.

एक सिंथेटिक गतिरोध

किसी जीवित चीज़ में विदेशी अमीनो एसिड मिलाना एक दुःस्वप्न है।

सेल को एक शहर के रूप में चित्रित करें, जिसमें कई "जिले" अपने स्वयं के कार्य कर रहे हैं। खुबानी के गुठली के आकार के नाभिक में डीएनए में दर्ज हमारा आनुवंशिक खाका मौजूद होता है। नाभिक के बाहर, प्रोटीन बनाने वाली फ़ैक्टरियाँ जिन्हें राइबोसोम कहा जाता है, मंथन करती हैं। इस बीच, आरएनए संदेशवाहक दोनों के बीच हाई-स्पीड ट्रेनों की तरह गूंजते हैं जो आनुवंशिक जानकारी को प्रोटीन में बदलने के लिए बंद करते हैं।

डीएनए की तरह, आरएनए में भी चार आणविक अक्षर होते हैं। प्रत्येक तीन अक्षर का संयोजन एक अमीनो एसिड को कूटबद्ध करने वाला एक "शब्द" बनाता है। राइबोसोम प्रत्येक शब्द को पढ़ता है और उन्हें पकड़ने के लिए ट्रांसफर आरएनए (टीआरएनए) अणुओं का उपयोग करके संबंधित अमीनो एसिड को कारखाने में बुलाता है।

टीआरएनए अणुओं को एक प्रकार के अत्यधिक विशिष्ट प्रोटीन "गोंद" के साथ विशेष अमीनो एसिड लेने के लिए तैयार किया जाता है। एक बार राइबोसोम में प्रवेश करने के बाद, अमीनो एसिड को उसके वाहक अणु से अलग कर दिया जाता है और एक अमीनो एसिड स्ट्रिंग में सिल दिया जाता है जो जटिल प्रोटीन आकृतियों में बदल जाता है।

स्पष्टतः, विकास ने प्रोटीन के निर्माण के लिए एक परिष्कृत प्रणाली स्थापित की है। आश्चर्य की बात नहीं, सिंथेटिक घटकों को जोड़ना सीधा नहीं है।

1980 के दशक में वापस, वैज्ञानिकों एक परखनली के अंदर एक वाहक से सिंथेटिक अमीनो एसिड जोड़ने का एक तरीका खोजा गया। अभी हाल ही में, उन्होंने किया है निगमित सामान्य कोशिका कार्य को प्रभावित किए बिना अपने स्वयं के आंतरिक कारखानों को हाईजैक करके बैक्टीरिया कोशिकाओं के अंदर प्रोटीन में अप्राकृतिक अमीनो एसिड।

बैक्टीरिया से परे, चिन और सहकर्मी पहले हैक किया गया tRNA और इसके अनुरूप "गोंद" - जिसे टीआरएनए सिंथेटेज़ कहा जाता है - माउस मस्तिष्क कोशिकाओं में एक विदेशी प्रोटीन जोड़ने के लिए।

कोशिका की प्रोटीन निर्माण मशीनरी को बिना तोड़े उसे फिर से जोड़ने के लिए एक नाजुक संतुलन की आवश्यकता होती है। कोशिका को नए अमीनो एसिड को पकड़ने और उन्हें राइबोसोम तक खींचने के लिए संशोधित टीआरएनए वाहक की आवश्यकता होती है। राइबोसोम को तब सिंथेटिक अमीनो एसिड को अपने रूप में पहचानना होगा और इसे एक कार्यात्मक प्रोटीन में जोड़ना होगा। यदि कोई भी कदम लड़खड़ाता है, तो इंजीनियर की गई जैविक प्रणाली विफल हो जाती है।

जेनेटिक कोड का विस्तार

नया अध्ययन पहले चरण पर केंद्रित है - विदेशी अमीनो एसिड के लिए बेहतर वाहक की इंजीनियरिंग।

टीम ने पहले "गोंद" प्रोटीन के लिए जीन को उत्परिवर्तित किया और लाखों संभावित वैकल्पिक संस्करण तैयार किए। इनमें से प्रत्येक प्रकार संभावित रूप से विदेशी भवन ब्लॉकों पर कब्ज़ा कर सकता है।

क्षेत्र को सीमित करने के लिए, उन्होंने अमीनो एसिड के वाहक, टीआरएनए अणुओं की ओर रुख किया। प्रत्येक टीआरएनए वाहक को कुछ आनुवंशिक कोड के साथ टैग किया गया था जो मछली पकड़ने के हुक की तरह उत्परिवर्तित "गोंद" प्रोटीन से जुड़ा था। इस प्रयास में लाखों संभावित संरचनाओं में से आठ आशाजनक जोड़े मिले। एक और स्क्रीन "गोंद" प्रोटीन के एक समूह पर केंद्रित है जो कई प्रकार के कृत्रिम प्रोटीन निर्माण ब्लॉकों को पकड़ सकता है - जिनमें प्राकृतिक से अत्यधिक भिन्न भी शामिल हैं।

इसके बाद टीम ने इन प्रोटीनों को एन्कोड करने वाले जीन को इसमें डाला Escherichia कोलाई बैक्टीरिया कोशिकाएं, सिंथेटिक जीवविज्ञान व्यंजनों के परीक्षण के लिए पसंदीदा।

कुल मिलाकर, आठ "गोंद" प्रोटीन ने विदेशी अमीनो एसिड को बैक्टीरिया की प्राकृतिक प्रोटीन बनाने वाली मशीनरी में सफलतापूर्वक लोड किया। कई सिंथेटिक बिल्डिंग ब्लॉक्स में अजीब रीढ़ की हड्डी वाली संरचनाएं थीं जो आमतौर पर प्राकृतिक राइबोसोम के साथ संगत नहीं थीं। लेकिन इंजीनियर्ड टीआरएनए और "गोंद" प्रोटीन की मदद से, राइबोसोम ने चार विदेशी अमीनो एसिड को नए प्रोटीन में शामिल किया।

टीम ने अपने पेपर में बताया कि परिणाम नए प्रकार की सामग्री बनाने के लिए "आनुवंशिक कोड के रासायनिक दायरे का विस्तार" करते हैं।

एक पूरी नई दुनिया

वैज्ञानिकों को पहले ही सैकड़ों विदेशी अमीनो एसिड मिल चुके हैं। अल्फाफोल्ड या रोजटीटीएफोल्ड जैसे एआई मॉडल और उनकी विविधताएं और भी अधिक विकसित होने की संभावना है। मेल खाने वाले वाहक और "गोंद" प्रोटीन ढूंढना हमेशा एक बाधा रहा है।

नया अध्ययन असामान्य गुणों वाले नए डिज़ाइनर प्रोटीन की खोज को तेज़ करने के लिए एक विधि स्थापित करता है। अभी के लिए, विधि में केवल चार सिंथेटिक अमीनो एसिड शामिल हो सकते हैं। लेकिन वैज्ञानिक पहले से ही इनके उपयोग की कल्पना कर रहे हैं।

इन विदेशी अमीनो एसिड से बनी प्रोटीन दवाएं अपने प्राकृतिक समकक्षों की तुलना में अलग आकार की होती हैं, जो उन्हें शरीर के अंदर क्षय से बचाती हैं। इसका मतलब है कि वे लंबे समय तक चलते हैं, और इससे कई खुराक की आवश्यकता कम हो जाती है। एक समान प्रणाली बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक जैसी नई सामग्रियों का उत्पादन कर सकती है, जो प्रोटीन के समान, व्यक्तिगत घटकों को एक साथ जोड़ने पर भी निर्भर करती है।

अभी के लिए, प्रौद्योगिकी राइबोसोम की विदेशी अमीनो एसिड की सहनशीलता पर निर्भर करती है - जो अप्रत्याशित हो सकती है। इसके बाद, टीम अजीब अमीनो एसिड और उनके वाहक को बेहतर ढंग से सहन करने के लिए राइबोसोम को संशोधित करना चाहती है। वे पूरी तरह से सिंथेटिक अमीनो एसिड से बनी प्रोटीन जैसी सामग्री भी बनाना चाह रहे हैं, जो जीवित ऊतकों के कार्य को बढ़ा सके।

"यदि आप बिल्डिंग ब्लॉक्स के विस्तारित सेट को उसी तरह एनकोड कर सकते हैं जिस तरह हम प्रोटीन कर सकते हैं, तो हम नई दवाओं से लेकर सामग्रियों तक हर चीज के लिए पॉलिमर के एनकोडेड संश्लेषण के लिए कोशिकाओं को जीवित कारखानों में बदल सकते हैं।" कहा पहले के एक साक्षात्कार में चिन। "यह एक अति-रोमांचक क्षेत्र है।"

छवि क्रेडिट: राष्ट्रीय एलर्जी और संक्रामक रोग संस्थान, राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान