अँधेरे में बंद, रोशनी लौटते ही चालू: एक सूक्ष्म कोशिका का डिजिटल राज़

आसान शब्दों में

वैज्ञानिकों ने सूरज की रोशनी से ऊर्जा लेने वाली एक बहुत छोटी बैक्टीरिया कोशिका का कंप्यूटर मॉडल बनाया है। इससे पता चलता है कि अँधेरे में CP12 नाम का प्रोटीन कुछ काम रोकने में मदद करता है और रोशनी लौटने पर उन्हें फिर शुरू होने देता है। इस जानकारी से आगे चलकर ऐसे सूक्ष्मजीव बनाने में मदद मिल सकती है जो उपयोगी चीज़ें बेहतर ढंग से तैयार करें।

कोशिका की बदलती दुनिया

नीली-हरी सूक्ष्म बैक्टीरिया को देखकर शायद आपको उद्योगों की दुनिया याद न आए, लेकिन ये पौधों की तरह एक अहम काम करती हैं। वे रोशनी पकड़ती हैं और उससे मिली ऊर्जा का उपयोग अपने लिए कार्बन जुटाने तथा दूसरी ज़रूरतें पूरी करने में करती हैं। उनका जीवन केवल सूरज निकलने पर कोई व्यवस्था चालू कर देने जितना सरल नहीं है। रोशनी दिन-रात के साथ बदलती है और कोशिका के आसपास के माहौल में भी घट-बढ़ सकती है। ऐसे में कोशिका को अपना काम इस तरह ढालना पड़ता है कि उसका अंदरूनी संतुलन न बिगड़े।

बायोफिजिकल जर्नल में प्रकाशित एक अध्ययन में पैसिफिक नॉर्थवेस्ट राष्ट्रीय प्रयोगशाला और अर्बाना-शैंपेन स्थित इलिनॉय विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की अगुआई वाली टीम ने प्रकाश-संश्लेषण करने वाले सूक्ष्मजीव प्रोकोकॉकस मैरिनस एमईडी4 का एक समेकित कंप्यूटर मॉडल बनाया। यह मॉडल कोशिका के हिस्सों की तस्वीर भर नहीं बनाता, बल्कि यह भी जोड़ता है कि वे हिस्से कहाँ हैं और समय के साथ जीन, प्रोटीन तथा चयापचय की प्रक्रियाओं में क्या बदलाव आते हैं। जगह और समय को साथ देखकर शोधकर्ताओं को एक ऐसी व्यवस्था दिखाई दी जो रोशनी की उपलब्धता के मुताबिक कार्बन स्थिरीकरण को ढालने में मदद करती है।

सिर्फ कोशिका की तस्वीर काफी क्यों नहीं

सूक्ष्मदर्शी से ली गई तस्वीर कोशिका की बनावट को किसी एक पल में दिखा सकती है। जीन या प्रोटीन की जाँच से यह भी पता चल सकता है कि कोई खास हिस्सा कितना सक्रिय है। लेकिन इन जानकारियों को अलग-अलग देखने पर कहानी का केवल एक हिस्सा सामने आता है। मसलन, किसी प्रोटीन में बदलाव दिखे तो इससे अपने आप पता नहीं चलता कि वह कोशिका में कहाँ मौजूद है। यह भी ज़रूरी नहीं कि उस जानकारी से समझ आ जाए कि उसका बदलाव दूसरे एंजाइमों के काम या बदलते माहौल के प्रति कोशिका की प्रतिक्रिया से कैसे जुड़ा है।

नए मॉडल की खासियत यह है कि उसमें इन अलग-अलग परतों को एक ही ढाँचे में जोड़ा गया। पहली परत कोशिका के हिस्सों और उनकी जगह को तीन आयामों में दिखाती है। समय चौथा आयाम है: अँधेरे से उजाले या उजाले से अँधेरे में जाने पर इन हिस्सों की दशा कैसे बदलती है। इस तरह यह काम कोशिका की एक स्थिर तस्वीर देने के बजाय, उसकी अंदरूनी गतिविधियों के एक हिस्से को समय के साथ बदलते हुए देखने की कोशिश करता है।

यह मेल इसलिए अहम है कि कोशिका अलग-अलग काम करने वाले हिस्सों का ढेर नहीं होती। रोशनी पकड़ना, प्रोटीन बनाना और कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बनिक यौगिकों में बदलना—ये सभी काम कोशिका के संसाधनों के प्रबंधन से जुड़े हैं। जब आसपास की रोशनी बदलती है, तो इन कामों के बीच तालमेल भी बदलना पड़ता है। वरना कुछ प्रक्रियाएँ उस समय चलती रह सकती हैं जब उनके लिए ज़रूरी ऊर्जा उपलब्ध न हो, या अनुकूल परिस्थितियाँ लौटने पर वे फिर से शुरू होने में देर कर सकती हैं।

एमईडी4 बैक्टीरिया का डिजिटल मॉडल

शोधकर्ताओं ने प्रोकोकॉकस मैरिनस एमईडी4 को चुना। यह छोटा सूक्ष्मजीव सूरज की रोशनी पर निर्भर करता है और प्रकाश-संश्लेषण करने वाली कोशिकाओं की बुनियादी प्रक्रियाओं को समझने के लिए इसका इस्तेमाल एक मॉडल के रूप में किया जाता है। टीम का मकसद केवल आकर्षक तस्वीर या आकार का नक्शा बनाना नहीं था। वे पूरी कोशिका का ऐसा डिजिटल रूप तैयार करना चाहते थे जिसमें अहम संरचनाएँ और अणु शामिल हों, और जिसकी मदद से उनके स्थान तथा आपसी क्रियाओं को समय के साथ देखा जा सके।

कोशिका के भीतर की बनावट दिखाने के लिए टीम ने क्रायो-इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी का सहारा लिया। इस तकनीक में जमी हुई कोशिकाओं की जाँच करके उनके भीतर की संरचनाओं के बेहद बारीक त्रिआयामी दृश्य तैयार किए जाते हैं। इन तस्वीरों से कोशिका के अंदर अलग-अलग हिस्सों की जगह पहचानने में मदद मिली। शोधकर्ता रोशनी पकड़ने, प्रोटीन बनाने और कार्बन स्थिरीकरण से जुड़े घटकों का नक्शा बना सके। यह कदम इसलिए मायने रखता है कि किसी अणु की जगह उसके दूसरे अणुओं से मिलने की संभावना को प्रभावित कर सकती है; बात सिर्फ इतनी नहीं कि वह मौजूद है या नहीं।

हालाँकि, कोशिका की बनावट देखकर यह नहीं जाना जा सकता कि रोशनी बदलने पर वह कैसे काम करती है। इसलिए शोधकर्ताओं ने समय के अलग-अलग बिंदुओं पर जीन और प्रोटीन की गतिविधि के माप जुटाए और उन्हें समय के क्रम में व्यवस्थित किया, ताकि कोशिका में हो रहे बदलावों की तुलना की जा सके। उन्होंने बैक्टीरिया के कुछ समूहों को अँधेरे से रोशनी में और कुछ को रोशनी से अँधेरे में रखा। तुलना के लिए ऐसे समूहों को भी देखा जो लगातार रोशनी में रहे और ऐसे समूहों को भी जिन्हें लगातार अँधेरे में रखा गया।

इस तुलना से यह समझने में मदद मिलती है कि कोई बदलाव सीधे रोशनी बदलने के कारण हुआ या कोशिका की अपनी अंदरूनी घड़ी से जुड़ा था। उदाहरण के लिए, रोशनी चालू करने के बाद किसी गतिविधि में बदलाव दिखे तो यह मान लेना ठीक नहीं होगा कि उसका कारण केवल रोशनी ही है। प्रतिक्रिया का समय कोशिका की अपनी लय का हिस्सा भी हो सकता है। रोशनी को स्थिर रखने वाली स्थितियाँ शामिल करने से शोधकर्ताओं को इन संभावनाओं को परखने का तरीका मिला; वे केवल एक के बाद दूसरी स्थिति की तुलना तक सीमित नहीं रहे।

इसके बाद टीम ने कोशिका की तस्वीरों और समय के साथ जुटाए गए मापों को भौतिक सिद्धांतों पर आधारित कंप्यूटर अनुकरण के साथ जोड़ा। कोशिका के अलग-अलग हिस्सों में अणुओं की गतिविधि का अनुकरण करने के लिए बड़े पैमाने पर कंप्यूटिंग संसाधनों का इस्तेमाल किया गया। चुनौती यह थी कि अलग-अलग तरह के आँकड़ों को एक साथ जोड़ा जाए: कुछ कोशिका के भीतर अणुओं की जगह बताते थे, कुछ अणुओं में समय के साथ आए बदलाव दर्ज करते थे और कुछ उनकी आपसी क्रियाओं का अनुमान देते थे। इस अनुकरण ने इन बातों को अलग-अलग सूचियों की तरह देखने के बजाय एक ही व्यवस्था में परखने का रास्ता दिया।

एक छोटा प्रोटीन, जो पूरा रास्ता रोक सकता है

टीम के विश्लेषण में कार्बन स्थिरीकरण को नियंत्रित करने में CP12 प्रोटीन की भूमिका खास तौर पर सामने आई। कार्बन स्थिरीकरण वह प्रक्रिया है जिसमें कोशिका कार्बन डाइऑक्साइड को ऐसे कार्बन-युक्त यौगिकों में बदलती है जिनकी उसे बढ़ने के लिए ज़रूरत होती है। इसमें एक से अधिक एंजाइम हिस्सा लेते हैं। इसलिए इन चरणों का सही समय पर चलना अहम है: कोशिका को उनका तालमेल रोशनी से मिलने वाली ऊर्जा के साथ बैठाना पड़ता है।

अँधेरे में CP12 कार्बन स्थिरीकरण में शामिल दो एंजाइमों से जुड़ सकता है। ये तीनों मिलकर एक समूह बनाते हैं, जिसे शोधकर्ताओं ने अँधेरे में बनने वाला समूह नाम दिया। इस समूह का काम दोनों एंजाइमों को निष्क्रिय रखना है। इससे कार्बन स्थिरीकरण के रास्ते के कुछ हिस्से उस समय चालू नहीं होते जब रोशनी से मिलने वाली ऊर्जा उपलब्ध नहीं होती। इस तरह कोशिका को ढलने के लिए नए प्रोटीनों का पूरा समूह बनाने का इंतज़ार नहीं करना पड़ता; वह पहले से मौजूद एंजाइमों का काम नियंत्रित कर सकती है।

रोशनी लौटने पर CP12 और दोनों एंजाइमों में रासायनिक बदलाव आते हैं। इससे उनका समूह टूट जाता है और एंजाइम निष्क्रिय अवस्था से बाहर आ जाते हैं। फिर कोशिका उन यौगिकों का उत्पादन दोबारा शुरू कर सकती है जिनकी उसे बढ़ने के लिए ज़रूरत है। यह तरीका दिखाता है कि कोशिका तेजी से नियंत्रण कैसे कर सकती है: पहले जीनों की गतिविधि बदलना और फिर नए प्रोटीन बनने का इंतज़ार करना ज़रूरी नहीं। वह कोशिका में पहले से मौजूद हिस्सों की अवस्था बदलकर काम शुरू करा सकती है।

इसका अर्थ यह नहीं कि जीनों का नियंत्रण अहम नहीं है। मॉडल यह दिखाता है कि कोशिका में नियंत्रण के एक से अधिक स्तर काम करते हैं। पहले से मौजूद एंजाइमों की गतिविधि में बदलाव रोशनी के अचानक बदलने पर तेज़ प्रतिक्रिया दे सकता है। वहीं, जीन की गतिविधि में बदलाव से प्रोटीन बनते हैं और कोशिका में दूसरे परिवर्तन होते हैं, जिनमें अधिक समय लग सकता है। इस तरह कोशिका तुरंत प्रतिक्रिया और व्यापक बदलाव—दोनों को जोड़कर बदलती परिस्थितियों के अनुरूप अपना काम ढाल सकती है।

कोशिका के भीतर जगह भी करती है काम

मॉडल से मिली जानकारी केवल रासायनिक क्रियाओं या प्रोटीनों की गतिविधि में बदलाव तक सीमित नहीं थी। इससे यह भी पता चला कि कोशिका के भीतर प्रोटीनों और संरचनाओं का बँटवारा अणुओं की गतिविधि में होने वाले बेतरतीब उतार-चढ़ाव का असर घटाने में मदद कर सकता है। बहुत छोटे स्तर पर प्रतिक्रियाएँ हमेशा एक जैसी रफ्तार से नहीं होतीं और न ही उनका समय पूरी तरह पहले से जाना जा सकता है। यह अंतर कोशिका की जैविक प्रक्रियाओं के चलने के ढंग को प्रभावित कर सकता है।

जब कोशिका के हिस्सों की जगह को भी ध्यान में रखा जाता है, तो यह परखा जा सकता है कि उनका व्यवस्थित बँटवारा कामकाज को स्थिर रखने में सहायक है या नहीं। इसका मतलब यह नहीं कि कोशिका बेतरतीबी को पूरी तरह मिटा देती है। नतीजे इस ओर इशारा करते हैं कि कोशिका की बनावट और उसके घटकों का फैलाव गड़बड़ी को सीमित करने तथा पूरे कामकाज पर उसका असर घटाने में योगदान दे सकते हैं। बनावट की तस्वीर और समय के साथ बदलते आँकड़ों को जोड़ने से यह समझ आता है कि जगह केवल घटनाओं की पृष्ठभूमि नहीं है; वह प्रतिक्रियाओं के व्यवस्थित होने की वजह समझने में भी मदद कर सकती है।

यह विचार ऊर्जा और वृद्धि के बीच संतुलन से भी जुड़ता है। रोशनी के प्रति प्रतिक्रिया का मतलब सिर्फ किसी रास्ते को चालू या बंद करना नहीं है। परिस्थितियाँ बदलने पर भी कोशिका को अपना काम स्थिर बनाए रखना होता है। रासायनिक नियंत्रण को कोशिका के भीतर के स्थान से जोड़ने वाला मॉडल यह जाँचने का तरीका देता है कि बदलते संकेतों और अणुओं की गतिविधियों के बीच कोशिका अपना काम कैसे जारी रख सकती है।

कोशिकाओं को समझने और प्रयोग बनाने का नया औज़ार

यह मॉडल शोधकर्ताओं को ऐसा ढाँचा देता है जिसे आगे बढ़ाकर नए सवालों की जाँच की जा सकती है। हर घटक को अलग-अलग मापने तक सीमित रहने के बजाय, अनुकरण कोशिका के अलग हिस्सों के बीच संभावित संबंध सुझा सकता है। फिर उन्हीं संबंधों की पुष्टि के लिए प्रयोगों की दिशा तय की जा सकती है। कंप्यूटर अनुकरण प्रयोगशाला में होने वाले मापों की जगह नहीं लेता; वह उन्हीं पर निर्भर करता है। उसकी उपयोगिता तब और बढ़ती है जब अलग-अलग परिस्थितियों में उसकी भविष्यवाणियों की तुलना वास्तविक नतीजों से की जा सके।

इस तरीके की अहमियत इसलिए भी है कि किसी कोशिका का व्यापक मॉडल बनाने के लिए ऐसे प्रयोगों के आँकड़े चाहिए जो समय के साथ उसके काम को दिखाएँ। एक-दूसरे से मेल खाते समय-बिंदुओं पर माप व्यवस्थित करने से टीम को रोशनी बदलने के दौरान मॉडल की जाँच करने और कोशिका के भीतर के ऐसे नियंत्रणों पर विचार करने का अवसर मिला जिन्हें किसी एक प्रयोग या माप के एक ही तरीके से अलग करना कठिन होता। इस काम के साथ उपलब्ध कराए गए आँकड़ों का भंडार आगे के शोध की शुरुआत बन सकता है। दूसरे प्रकाश-निर्भर सूक्ष्मजीवों के अध्ययन में भी इस तरीके को ढालकर इस्तेमाल किया जा सकता है।

आगे चलकर इन कोशिकाओं की प्रतिक्रिया समझने से जैव-प्रौद्योगिकी, संश्लिष्ट जीवविज्ञान और जैव-निर्माण के काम में सुधार हो सकता है। सूक्ष्मजीव ईंधन, रसायन और दूसरी उपयोगी चीज़ें बना सकते हैं। लेकिन उनसे मनचाही चीज़ बनवाने के लिए सिर्फ यह जानना काफी नहीं कि वे क्या पैदा करते हैं। यह समझना भी ज़रूरी है कि माहौल बदलने पर वे अपना काम स्थिर रख पाते हैं या नहीं। फिलहाल यह भविष्य के शोध की संभावना है, न कि मॉडल से मिली कोई तैयार औद्योगिक उपलब्धि।

इस शोध को अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय और जैविक तथा पर्यावरणीय शोध कार्यक्रम के तहत जैविक तैयारियों के लिए आभासी शोध वातावरण कार्यक्रम से सहायता मिली। काम का एक हिस्सा पैसिफिक नॉर्थवेस्ट राष्ट्रीय प्रयोगशाला के पर्यावरणीय आणविक विज्ञान प्रयोगशाला के संसाधनों का उपयोग करके किया गया। कंप्यूटिंग कार्य को 2024 के उन्नत कंप्यूटिंग और वैज्ञानिक शोध नेतृत्व चुनौती पुरस्कार तथा प्रयोगशाला की ताहोमा उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग सुविधाओं से सहायता मिली।

निष्कर्ष

प्रोकोकॉकस मैरिनस एमईडी4 का यह मॉडल प्रकाश-संश्लेषण को अलग-अलग प्रतिक्रियाओं के समूह के बजाय ऐसी गतिविधि के रूप में दिखाता है जो जगह और समय के साथ बदलती है। पैसिफिक नॉर्थवेस्ट राष्ट्रीय प्रयोगशाला और अर्बाना-शैंपेन स्थित इलिनॉय विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की अगुआई वाली टीम ने त्रिआयामी तस्वीरों, जीन और प्रोटीन के समयक्रम वाले मापों तथा अणुओं की गतिविधि के कंप्यूटर अनुकरण को एक साथ जोड़ा। अध्ययन ने दिखाया कि अँधेरे में CP12 कार्बन स्थिरीकरण करने वाले दो एंजाइमों को निष्क्रिय रखने में मदद करता है और रोशनी लौटने पर उन्हें फिर सक्रिय होने देता है। कोशिका के भीतर घटकों की जगह भी उसके काम को स्थिर रखने में योगदान दे सकती है। यह शोध उपयोगी चीज़ें बनाने का कोई तुरंत तैयार नुस्खा नहीं देता, लेकिन प्रकाश पर निर्भर कोशिकाओं को बेहतर समझने, नए प्रयोग तैयार करने और जैव-प्रौद्योगिकी में उनकी भावी संभावनाएँ खोजने के लिए मजबूत आधार देता है।