Extraordinary stiffening and reciprocal control in a DNA condensate/actin composite
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि एक उलझे हुए एक्टिन नेटवर्क के भीतर चरण-पृथक्कृत (phase-separated) डीएनए बूंदों का एक सम्मिश्र, पारस्परिक नियंत्रण और एक्टिन एंट्रेनमेंट के माध्यम से कम फिलर अंशों पर एक उल्लेखनीय 25 गुना प्रतिवर्ती सुदृढ़ीकरण (reversible stiffening) प्राप्त करता है, जो सामग्री के यांत्रिकी पर हावी होने के लिए प्रभावी समावेशन आकार को विस्तृत करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जो ठोस ईंटों से नहीं, बल्कि उलझे हुए, लचीले धागों से बनी है, जैसे कि ऊन की एक सूक्ष्म गेंद। जीव विज्ञान और सामग्री विज्ञान में, ये धागे जैसी नेटवर्क, जो अक्सर एक्टिन नामक प्रोटीन से बने होते हैं, वह ढांचा (स्कैफोल्डिंग) बनाते हैं जो कोशिकाओं को उनका आकार और मजबूती प्रदान करता है। जब आप इन धागों को अन्य सामग्रियों, जैसे कि तरल की छोटी बूंदों के साथ मिलाते हैं, तो आप एक कंपोजिट (मिश्रित सामग्री) बनाते हैं। आमतौर पर, भौतिकी के नियम यहाँ काफी सख्त होते हैं: यदि आप सामग्री को अधिक सख्त बनाना चाहते हैं, तो आपको इसे बड़ी मात्रा में ठोस फिलर (भरने वाले पदार्थ) से भरना होगा। यदि फिलर कुल स्थान का केवल एक छोटा हिस्सा घेरता है, तो सामग्री अपेक्षाकृत नरम रहती है। यह एक मौलिक सीमा है जिस पर इंजीनियर और जीव वैज्ञानिक दशकों से भरोसा करते आए हैं।
हालाँकि, प्रकृति अक्सर इन नियमों को मोड़ने के तरीके खोज लेती है, और एक नया अध्ययन इस बात का एक शानदार उदाहरण प्रकट करता है कि कैसे एक तरल पदार्थ बिना भरे, एक नरम, धागे-आधारित सामग्री को नाटकीय रूप रूप से मजबूत कर सकता है। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार के डीएनए को एक्टिन नेटवर्क के साथ मिलाने का एक तरीका खोजा है जिससे एक ऐसी सामग्री बनती है जो पच्चीस गुना अधिक सख्त हो जाती है, भले ही तरल डीएनए की बूंदें कुल आयतन के दस प्रतिशत से भी कम स्थान घेरती हों। यह खोज इस पुराने विचार को चुनौती देती है कि किसी चीज़ को कठोर बनाने के लिए आपको बहुत सारी ठोस चीज़ों की आवश्यकता होती है, और इसके बजाय यह सुझाव देती है कि तरल और धागों के बीच की अंतःक्रिया आश्चर्यजनक यांत्रिक शक्ति पैदा कर सकती है।
वैज्ञानिकों ने, जो कई विश्वविद्यालयों में कार्यरत थे, इन दो मुख्य सामग्रियों का उपयोग करके इस असामान्य कंपोजिट को बनाने का लक्ष्य रखा। पहला था एक्टिन फिलामेंट्स का एक नेटवर्क, जो लंबे, सख्त प्रोटीन स्ट्रैंड हैं जो स्वाभाविक रूप से एक जाल बनाने के लिए आपस में उलझ जाते हैं। दूसरा था डीएनए नैनोस्टार्स का एक घोल, जो आनुवंशिक सामग्री से बनी छोटी, शाखित संरचनाएं हैं। सामान्य परिस्थितियों में, ये डीएनए के टुकड़े स्वतंत्र रूप से तैरते रहते हैं। लेकिन जब शोधकर्ताओं ने मिश्रण को ठंडा किया, तो डीएनए के धागे एक-दूसरे से चिपकने लगे, जिससे वे तेल और पानी के अलग होने की तरह तरल बूंदों के रूप में गुच्छे बनाने लगे। लक्ष्य यह देखना था कि जब ये नव-निर्मित डीएनए बूंदें उलझे हुए एक्टिन मेश के भीतर दिखाई देंगी, तो क्या होगा।
उन्होंने दोनों सामग्रियों के बीच एक नाजुक और पारस्परिक संबंध देखा। जैसे ही डीएनए की बूंदें बनीं, उन्होंने एक्टिन के धागों को किनारे नहीं किया या उन्हें बाहर नहीं निकाला। इसके बजाय, एक्टिन के धागे बूंदों के माध्यम से सीधे गुजर गए, और तरल डीएनए के साथ आपस में गुंथ गए। इस अंतःप्रवेश (इंटरपेनेट्रेशन) का अर्थ था कि डीएनए की बूंदें और एक्टिन नेटवर्क शारीरिक रूप से जुड़े हुए थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि आसपास के एक्टिन मेश की कठोरता एक पिंजरे की तरह कार्य करती है, जो डीएनए की बूंदों को बहुत बड़ा होने से रोकती है। बिना एक्टिन वाले मिश्रण में, बूंदें विशाल पिंडों में फूल जातीं और नीचे बैठ जातीं। लेकिन एक्टिन की उपस्थिति में, बूंदें छोटी, एकसमान और पूरी सामग्री में निलंबित रहीं, जिन्हें धागों के लोचदार तनाव द्वारा थामे रखा गया था।
सबसे नाटकीय खोज तब हुई जब टीम ने मापा कि सामग्री कितनी कठोर हो गई। जब डीएनए की बूंदें बनीं, तो पूरे कंपोजिट की कठोरता पच्चीस गुना बढ़ गई। यह एक बहुत बड़ा बदलाव था, जो उस तापमान पर हुआ जहाँ डीएनए की बूंदें वापस तरल में पिघलकर गायब हो सकती हैं, जिससे यह सख्त करने वाला प्रभाव पूरी तरह से प्रतिवर्ती (रिवर्सिबल) हो जाता है। शोधकर्ता केवल गर्म और ठंडा करके सामग्री को नरम से कठोर और वापस पहले जैसा करने में सक्षम थे, जो एक ऐसी उपलब्धि है जो स्थायी, क्रॉस-लिंक्ड सामग्रियां नहीं कर सकतीं।
यह समझने के लिए कि यह क्यों हुआ, टीम को कई सामान्य स्पष्टीकरणों को खारिज करना पड़ा। वे जानते थे कि कभी-कभी बूंदें तरल की सतह पर खिंचाव पैदा करके सामग्री को सख्त कर सकती हैं, जिसे इलास्टोकैपिलैरिटी (elastocapillarity) कहा जाता है। हालाँकि, इस अध्ययन में डीएनए की बूंदों का सतही तनाव इतना कम था कि यह प्रभाव अत्यधिक कठोरता पैदा करने के लिए बहुत कमजोर था। उन्होंने यह भी विचार किया कि क्या डीएनए गोंद की तरह काम कर रहा है, जो एक्टिन धागों को आपस में चिपका रहा है। लेकिन परीक्षणों ने दिखाया कि सामग्री एक चिपके हुए नेटवर्क की तरह व्यवहार नहीं कर रही थी; इसके बजाय, खींचने पर यह नरम हो गई, जो एक गोंद वाले नेटवर्क के विपरीत है।
उत्तर यह था कि बूंदों के भीतर एक्टिन धागों का व्यवहार कैसा था। क्योंकि डीएनए तरल बहुत घना है, यह गुजरने वाले एक्टिन धागों को अत्यंत सीधा और सीमित रहने के लिए मजबूर करता है। यह सीमितता (कन्फाइनमेंट) बूंद के भीतर के धागों को कठोर छड़ों की तरह कार्य करने के लिए प्रेरित करती है। जब सामग्री को दबाया या खींचा जाता है, तो ये सख्त, सीमित धागे घूमने की कोशिश करते हैं। चूंकि वे बूंद के भीतर लंगर डाले हुए हैं, इसलिए उनका घूमना आसपास के एक्टिन धागों को अपने साथ खींचता है। यह प्रभाव प्रत्येक बूंद के भौतिक सतह से कहीं आगे तक यांत्रिक प्रभाव फैलाता है।
शोधकर्ताओं ने गणना की कि प्रत्येक बूंद प्रभावी रूप से अपने साथ एक्टिन धागों के एक क्षेत्र को खींचती है, जिससे बूंद का प्रभावी आकार दोगुना हो जाता है। जब आपके पास कई विस्तारित क्षेत्र होते हैं, तो वे आपस में जुड़ने और ओवरलैप होने लगते हैं, जिससे एक निरंतर, कठोर नेटवर्क बनता है जो पूरी सामग्री में फैला होता है। यह जुड़ाव, या पर्कोलेशन (percolation), ही वह चीज़ है जो डीएनए की थोड़ी सी मात्रा को पूरी प्रणाली की कठोरता को नियंत्रित करने की अनुमति देती है। यह कुछ लोगों के हाथ पकड़ने जैसा है; यदि वे सही तरीके से जुड़ जाते हैं, तो वे पूरी भीड़ को हिलने से रोक सकते हैं, भले ही वे कुल संख्या का एक बहुत छोटा हिस्सा हों।
यह अध्ययन बताता है कि जैविक प्रणालियाँ अपनी यांत्रिक विशेषताओं को नियंत्रित करने के लिए इसी तरह के तरीकों का उपयोग कर सकती हैं। कोशिकाएं तरल बूंदों और प्रोटीन धागों से भरी होती हैं, और तापमान या रासायनिक स्थितियों को बदलकर कठोरता को चालू या बंद करने की क्षमता कोशिकाओं के चलने, विभाजित होने या अपने वातावरण के प्रति प्रतिक्रिया करने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण हो सकती है। सामग्री वैज्ञानिकों के लिए, यह खोज स्मार्ट सामग्रियां बनाने के लिए एक नया खाका पेश करती है जो स्थायी रासायनिक बंधों के बजाय चरण पृथक्करण (फेज सेपरेशन) की सरल, प्रतिवर्ती प्रक्रिया का उपयोग करके अपनी ताकत को इच्छानुसार बदल सकती हैं। यह कार्य दिखाता है कि यह समझकर कि तरल और धागे कैसे आपस में उलझते हैं, हम ऐसी सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं जो हमारी कल्पना से कहीं अधिक मजबूत और अनुकूलनीय हैं।
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