Control of filament network rigidity by the condensation of crowding molecules
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि मैक्रोमोलिकुलर क्राउडर का तरल बूंदों में संघनन, उस परासरण दबाव (ऑस्मोटिक प्रेशर) को नियंत्रित करके जो नेटवर्क को थामे रखता है, फिलामेंट नेटवर्क की कठोरता में एक उत्क्रमणीय, एक परिमाण के क्रम (ऑर्डर-ऑफ-मैग्निट्यूड) की हानि उत्पन्न करता है।
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प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, सूक्ष्म छड़ों का एक जटिल ढांचा (scaffolding) संरचना को थामे रखता है, ठीक वैसे ही जैसे किसी गगनचुंबी इमारत में स्टील की बीम होती हैं। ये तंतु (filaments) स्थिर नहीं होते; वे कोशिका को हिलने-डुलने, विभाजित होने और अपने वातावरण के प्रति प्रतिक्रिया करने में मदद करने के लिए लगातार पुनर्गठित होते रहते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि ये संरचनाएं अपनी कठोरता बदल सकती हैं, परिस्थितियों के आधार पर सख्त या नरम हो सकती हैं। हालांकि, एक मौलिक प्रश्न अनुत्तरित बना हुआ था: कोशिका के भीतर तरल पदार्थों का पृथक्करण, एक ऐसी प्रक्रिया जहाँ अणु अलग बूंदों के रूप में बनने के लिए एक साथ गुच्छे बनाते हैं, इस तंतु नेटवर्क की यांत्रिक शक्ति को सीधे कैसे नियंत्रित करता है? यह प्रश्न जीव विज्ञान और भौतिकी के संगम पर स्थित है, जो यह खोजता है कि जीवन की अव्यवस्थित, तरल प्रकृति कैसे उन सटीक बलों में परिवर्तित होती है जो हमारे शरीरों को आकार देते हैं और भविष्य में नए, स्मार्ट पदार्थों के निर्माण का मार्गदर्शन कर सकते हैं।
जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस कोशिकीय वातावरण का एक सरलीकृत मॉडल बनाकर एक स्पष्ट उत्तर प्रदान किया है। उन्होंने दो विशिष्ट घटकों का मिश्रण बनाया: बैक्टीरिया की पूंछों से ली गई सख्त, सर्पिल आकार की तंतुएं, और गर्म होने पर आपस में गुच्छे बनाने के लिए डिज़ाइन किए गए कृत्रिम प्रोटीन। ये बैक्टीरियल तंतु, जो लगभग 23 नैनोमीटर मोटे और लगभग 5 माइक्रोमीटर लंबे होते हैं, स्वाभाविक रूप से एक-दूसरे के साथ उलझकर एक कठोर, परस्पर जुड़ा हुआ जाल बनाते हैं। कृत्रिम प्रोटीन, जिन्हें इलास्टिन-लाइक पॉलीपेप्टाइड्स कहा जाता है, घोल में 'क्राउड-प्लीज़र' (भीड़ बढ़ाने वाले) के रूप में कार्य करते हैं; जब तापमान बढ़ता है, तो वे पानी से अलग होकर तरल बूंदों में संघनित हो जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे तेल सिरके से अलग होता है, हालांकि यहाँ केवल अवधारणा को समझाने के लिए इसी तुलना का उपयोग किया गया है।
शोधकर्ताओं ने देखा कि जब उन्होंने तापमान को ऊपर-नीचे चक्रित किया, तो तंतु नेटवर्क की कठोरता में क्या बदलाव आया। जब कृत्रिम प्रोटीन तरल में समान रूप से घुले हुए थे, तो प्रोटीनों के 'क्राउडिंग इफेक्ट' (भीड़ प्रभाव) द्वारा तंतुओं को एक साथ धकेला गया, जिससे उन्होंने घने बंडल बनाए जिन्होंने एक मजबूत, कठोर नेटवर्क का निर्माण किया। हालांकि, जैसे ही तापमान बढ़ा और प्रोटीन बूंदों में संघनित हुए, नेटवर्क ने अपनी कठोरता खो दी। सामग्री काफी नरम हो गई, और विरूपण (deformation) के प्रति इसकी प्रतिरोधक क्षमता दस गुना कम हो गई। जब शोधकर्ताओं ने मिश्रण को वापस ठंडा किया, तो बूंदें घुल गईं, प्रोटीन बिखर गए, और नेटवर्क ने तुरंत अपनी मूल कठोरता प्राप्त कर ली। यह प्रतिवर्ती परिवर्तन बार-बार हुआ, जिससे यह सिद्ध हुआ कि क्राउडिंग अणुओं का संघनन ही यांत्रिक बदलाव का सीधा कारण था।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, टीम ने तंतुओं के सूक्ष्म व्यवहार का बारीकी से अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि जब प्रोटीन घुले हुए थे, तो वे एक विलायक (solvent) की तरह कार्य करते थे जो तंतुओं को एक साथ दबाता था, जिससे उन्हें बंडल बनाने और अपनी जगह पर लॉक होने के लिए मजबूर किया जाता था। यह दबाव, जो भीड़भाड़ वाले प्रोटीनों के दबाव से संचालित था, नेटवर्क को थामे रखने के लिए आवश्यक था। जैसे ही प्रोटीन बूंदों में बदले, उन्होंने आसपास के तरल को छोड़ दिया, जिससे इस दबाव में भारी गिरावट आई। उस दबाव के बिना, तंतु अब कड़े बंडलों में बंधे नहीं रहे। इसके बजाय, वे स्वतंत्र रूप से डगमगाने और घूमने लगे, जो यह दर्शाता था कि नेटवर्क ने अपनी संरचनात्मक अखंडता खो दी थी। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि तंतु स्वयं नहीं टूटे या बदले नहीं; बल्कि, दबाव के नुकसान ने तंतुओं को हिलने की अनुमति दी, जिससे एक ठोस जैसी संरचना तरल जैसी संरचना में बदल गई।
यह अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि बूंदों ने केवल नेटवर्क में छेद किए या बूंदों ने तंतुओं को आपस में चिपकाया था। इसके बजाय, साक्ष्य एक ऐसी प्रक्रिया की ओर संकेत करते हैं जहाँ घुले हुए प्रोटीन एक ऑस्मोटिक दबाव (osmotic pressure) पैदा करते हैं जो तंतुओं को आपस में बांधता है। जब प्रोटीन संघनित होते हैं, तो यह बंधन दबाव गायब हो जाता है, और नेटवर्क एक नरम अवस्था में ढह जाता है। शोधकर्ताओं ने तंतुओं के बीच के अंतराल का मापन किया और पाया कि हालांकि भौतिक रिक्ति (spacing) में थोड़ा बदलाव आया, लेकिन कठोरता में नाटकीय बदलाव तंतुओं के हिलने और उनके बीच की अंतःक्रिया में आए बदलाव के कारण था, न कि स्वयं की संरचना में किसी बड़े पुनर्गठन के कारण।
यह खोज हमें यह सोचने का एक नया तरीका प्रदान करती है कि जैविक पदार्थ कैसे कार्य करते हैं और हम उन्हें कैसे डिजाइन कर सकते हैं। क्राउडिंग अणुओं के चरण पृथक्करण (phase separation) को नियंत्रित करके, मांग के अनुसार एक तंतु नेटवर्क की कठोरता को ट्यून करना संभव है। यह सिद्धांत गतिशील सामग्रियां बनाने के लिए एक ब्लूप्रिंट के रूप में कार्य कर सकता है जो हार्ड और सॉफ्ट अवस्थाओं के बीच स्विच कर सकती हैं, जो जीवित कोशिकाओं में पाई जाने वाली अनुकूलन क्षमता की नकल करती हैं। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि कोमल पदार्थों की यांत्रिकी केवल उनमें मौजूद ठोस घटकों के बारे में नहीं है, बल्कि उनके आसपास तैरते अणुओं द्वारा उत्पन्न अदृश्य बलों के बारे में भी है।
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