Phonon-limited detection thresholds for genetically encoded fluorescent-protein spin-qubit relaxometry of neural radicals

तंत्रिका तंत्र विचार, गति और स्मृति को समन्वित करने के लिए सूक्ष्म, क्षणिक रासायनिक संकेतों पर निर्भर करता है। इन संदेशवाहकों में सबसे महत्वपूर्ण नाइट्रिक ऑक्साइड और रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज (reactive oxygen species) हैं, जो रक्त प्रवाह को नियंत्रित करने, न्यूरॉन्स के बीच संबंधों को मजबूत करने और कोशिका की ऊर्जा का प्रबंधन करने के लिए कोशिकाओं के बीच तैरते हैं। क्योंकि ये संकेत विशिष्ट, सूक्ष्म स्थानों में उत्पन्न होते हैं और जितनी जल्दी वे प्रकट होते हैं उतनी ही जल्दी गायब हो जाते हैं, उन्हें मापना वैज्ञानिकों के लिए लंबे समय से एक चुनौती रहा है। पारंपरिक उपकरण या तो एक एकल कोशिका के भीतर फिट होने के लिए बहुत बड़े होते हैं या संकेत के सटीक क्षण को पहचानने के लिए बहुत अस्पष्ट होते हैं। वे अक्सर उसी वातावरण को बाधित करते हैं जिसे वे मापने की कोशिश कर रहे होते हैं, या वे इन रेडिकल अणुओं की चुंबकीय प्रकृति को सीधे पकड़ने में विफल रहते हैं। मस्तिष्क के कार्य को आणविक स्तर पर वास्तव में समझने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसे सेंसर की आवश्यकता है जो इतना छोटा हो कि उसे कोशिका की अपनी मशीनरी के भीतर बनाया जा सके, जो संकेत के स्रोत के ठीक बगल में बैठ सके, और इतना संवेदनशील हो कि वह एक गुजरते हुए एकल अणु की हल्की चुंबकीय फुसफुसाहट को महसूस कर सके।

एक हालिया सैद्धांतिक अध्ययन इस बात की खोज करता है कि क्या एक विशिष्ट प्रकार का इंजीनियर प्रोटीन इस आदर्श सेंसर के रूप में कार्य कर सकता है। शोधकर्ताओं ने एक जेनेटिकली एनकोडेड फ्लोरोसेंट प्रोटीन पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक ऐसा अणु है जिसे डीएनए द्वारा कोशिका के भीतर विशिष्ट एंजाइमों से जुड़ने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है। इस प्रोटीन में एक अनूठी विशेषता है: जब इसे एक विशिष्ट रंग की रोशनी से टकराया जाता है, तो यह एक विशेष अवस्था में प्रवेश करता है जहाँ इसके इलेक्ट्रॉन एक छोटे चुंबक, या 'स्पिन क्यूबिट' (spin qubit) की तरह कार्य करते हैं। यह चुंबकीय अवस्था अपने परिवेश के प्रति संवेदनशील होती है। यदि कोई पैरामैग्नेटिक रेडिकल, जैसे कि नाइट्रिक ऑक्साइड, पास से गुजरता है, तो उसका उतार-चढ़ाव वाला चुंबकीय क्षेत्र प्रोटीन की आंतरिक घड़ी की गति को तेज या धीमा कर देता है। यह मापने के माध्यम से कि उसकी आंतरिक घड़ी कितनी तेजी से बदलती है, वैज्ञानिक सैद्धांतिक रूप से इन महत्वपूर्ण संकेतक अणुओं की स्थानीय सांद्रता की गणना कर सकते हैं। यह विचार सुंदर है क्योंकि सेंसर कोशिका में डाला गया कोई बाहरी पदार्थ नहीं है; यह कोशिका का ही एक हिस्सा है, जो जेनेटिक रूप से उस एंजाइम के साथ जुड़ा हुआ है जो संकेत उत्पन्न करता है, जिससे डिटेक्टर को क्रिया के कुछ नैनोमीटर की दूरी पर रखा जा सके।

हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए गणना की कि क्या यह अवधारणा वास्तविक दुनिया में काम करती है, तो उन्हें एक महत्वपूर्ण बाधा मिली। उन्होंने इस सेंसर की संवेदनशीलता की सीमाओं का अनुमान लगाने के लिए एक विस्तृत सिद्धांत विकसित किया, जिसमें प्रकाश के शोर, प्रोटीन के जीवनकाल और सेंसर के अपने वातावरण के साथ परस्पर क्रिया करने के भौतिकी को शामिल किया गया। उनकी गणनाओं से पता चला कि इस प्रोटीन का मूल संस्करण, जैसा कि आज अस्तित्व में है, न्यूरल रेडिकल्स के शारीरिक स्तरों का पता लगाने के लिए बहुत अधिक शोर वाला है। कमरे के तापमान पर, सेंसर की आंतरिक घड़ी इतनी अस्थिर है कि वह एक गुजरते हुए रेडिकल के सूक्ष्म प्रभाव को नोटिस करने के लिए बहुत तेजी से बदलती है। अध्ययन से पता चलता है कि वर्तमान सेंसर आवश्यक संवेदनशीलता से एक मिलियन से एक करोड़ गुना कम है। मुख्य अपराधी सेंसर का डिज़ाइन या इसे पढ़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रकाश की सीमाएँ नहीं हैं, बल्कि प्रोटीन के स्वयं के कंपन का तरीका है। प्रोटीन के भीतर के परमाणु गर्मी के कारण लगातार हिलते रहते हैं, और ये कंपन सेंसर की चुंबकीय अवस्था के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे यह लगभग तुरंत अपनी सुसंगतता (coherence) खो देता है।

इसके बाद शोधकर्ताओं ने एक महत्वपूर्ण प्रश्न पूछा: इसे ठीक करने के लिए क्या आवश्यक होगा? उन्होंने प्रोटीन के कंपनों के भौतिकी का विश्लेषण किया और पाया कि शोर दो कंपनों के एक साथ होने वाले एक विशिष्ट प्रकार के संपर्क से हावी है। यह संपर्क इस बात के प्रति अत्यंत संवेदनशील है कि प्रोटीन की संरचना कितनी सख्त है। टीम ने पाया कि यदि प्रोटीन के कोर के आसपास के वातावरण को लगभग दोगुना सख्त बनाया जा सके, तो सेंसर की आंतरिक घड़ी इतनी धीमी हो जाएगी कि वह उपयोगी बन सके। यह सख्त होना सेंसर को रेडिकल्स की माइक्रोमोलर रेंज की सांद्रता का पता लगाने में सक्षम बनाएगा, जो न्यूरॉन्स के सक्रिय होने पर होने वाले संकेतों के विस्फोट के अनुरूप है। हालाँकि, इन संकेतों के और भी निचले, विश्राम स्तरों—नैनोमोलर सांद्रता—तक पहुँचने के लिए एक और भी अधिक कठोर संरचना की आवश्यकता होगी, जो एक अलग प्रकार के कंपन को दबा सके जो वर्तमान में घड़ी की गति को धीमा करने की एक कठिन सीमा निर्धारित करता है।

संरचनात्मक आवश्यकताओं के अलावा, अध्ययन ने एक दूसरा बड़ा अवरोध भी रेखांकित किया: प्रकाश के कणों, या फोटॉन की संख्या, जिन्हें सेंसर को उस प्रकाश द्वारा नष्ट होने से पहले उत्सर्जित करना होता है जिसका उपयोग इसे पढ़ने के लिए किया जाता है। भले ही प्रोटीन की आंतरिक घड़ी पूर्ण होती, सेंसर फिर भी कम स्तर के रेडिकल्स का पता लगाने के लिए संघर्ष करता यदि वह पृष्ठभूमि के शोर के विरुद्ध स्पष्ट रूप से दिखाई देने के लिए पर्याप्त प्रकाश उत्पन्न नहीं कर पाता। शोधकर्ताओं ने गणना की कि आवश्यक संवेदनशीलता प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों को सेंसर की चमक और ऑप्टिकल उपकरणों की दक्षता में कई गुना सुधार करने की आवश्यकता होगी, या लाखों सेंसरों को एक साथ उपयोग करने की आवश्यकता होगी। यह एक ट्रेड-ऑफ बनाता है: सेंसर की आंतरिक स्थिरता में सुधार करना संवेदनशीलता बढ़ाने का सबसे कुशल तरीका है, लेकिन इसे प्रभावी होने के लिए बेहतर प्रकाश संग्रह के साथ जोड़ा जाना चाहिए।

पत्र ने यह भी पता लगाया कि यह जेनेटिकली एंकर किया गया सेंसर मौजूदा तकनीकों की तुलना में कैसा है। वर्तमान विधियाँ अक्सर नाइट्रोजन रिक्तियों (nitrogen vacancies) वाले छोटे हीरे का उपयोग करती हैं, जो उत्कृष्ट सेंसर हैं लेकिन उन्हें एक विशिष्ट प्रोटीन के भीतर रखा जाना बहुत कठिन है। उन्हें कोशिका में विदेशी कणों के रूप में पहुँचाया जाना चाहिए और वे आमतौर पर लक्ष्य से दस से बीस नैनोमीटर दूर स्थित होते हैं, जिससे वे सबसे केंद्रित संकेतों को मिस कर देते हैं। इसके विपरीत, फ्लोरोसेंट प्रोटीन सेंसर को सीधे स्रोत से जोड़ा जा सकता है, जिससे इसे केवल कुछ नैनोमीटर की दूरी पर रखा जा सकता है। यह निकटता इसे स्थानीय गतिविधि के विस्फोटों का पता लगाने में एक विशिष्ट लाभ देती है, बशर्ते कि आंतरिक स्थिरता की समस्याओं को हल किया जा सके। शोधकर्ताओं ने विभिन्न चुंबकीय आवृत्तियों के प्रति सेंसर की प्रतिक्रिया को मापकर विभिन्न प्रकार के रेडिकल्स के बीच अंतर करने की एक विधि भी प्रस्तावित की, जो वर्तमान सिंगल-फ्रीक्वेंसी सेंसरों के पास मौजूद क्षमता नहीं है।

अंततः, अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि इन प्रोटीनों को क्वांटम सेंसर के रूप में उपयोग करने की अवधारणा वैज्ञानिक रूप से सही है, वर्तमान संस्करण अभी जैविक उपयोग के लिए तैयार नहीं है। आगे का रास्ता स्पष्ट लेकिन चुनौतीपूर्ण है: इसके लिए प्रोटीन की संरचना को काफी सख्त बनाने और अधिक प्रकाश पकड़ने के लिए ऑप्टिकल सिस्टम को बेहतर बनाने के लिए एक लक्षित प्रयास की आवश्यकता है। शोधकर्ताओं ने इस इंजीनियरिंग चुनौती के लिए एक विशिष्ट, मात्रात्मक रोडमैप प्रदान किया है, जो यह परिभाषित करता है कि प्रोटीन को सक्षम बनने के लिए कितना बदलना होगा। वे सुझाव देते हैं कि 'डायरेक्टेड इवोल्यूशन' (directed evolution) के माध्यम से, एक ऐसी प्रक्रिया जहाँ प्रोटीनों को प्रयोगशाला में बार-बार सुधारा जाता है, आवश्यक कठोरता प्राप्त करना संभव हो सकता है। तब तक, एक जेनेटिकली एनकोडेड क्वांटम सेंसर के साथ न्यूरल रेडिकल्स को वास्तविक समय में देखने का सपना केवल पहुंच से बाहर बना हुआ है, जो प्रोटीन के अपने मौलिक कंपनों द्वारा बाधित है।