The composition of biophysical constraints generates complex, rugged regions of protein fitness landscapes

एक प्रोटीन की कल्पना एक ऐसे हाइकर (पर्वतारोही) के रूप में करें जो एक विशाल, धुंधले पर्वत श्रृंखला में सबसे ऊँची चोटी खोजने की कोशिश कर रहा है। जीव विज्ञान की दुनिया में, इस "पर्वत श्रृंखला" को फिटनेस लैंडस्स्केप (fitness landscape) कहा जाता है। चोटी जितनी ऊँची होगी, प्रोटीन उतना ही बेहतर काम करेगा। विकास (evolution) का या नए प्रोटीन को इंजीनियर करने की कोशिश कर रहे वैज्ञानिकों का लक्ष्य जितना संभव हो सके उच्चतम बिंदु तक पहुँचना है।

हालाँकि, ये लैंडस्केप हमेशा चिकनी पहाड़ियों जैसे नहीं होते। कभी-कभी ये ऊबड़-खाबड़ (rugged) होते हैं—जो अचानक आने वाली चट्टानों, गहरी घाटियों और नुकीले पत्थरों से भरे होते हैं। यदि कोई लैंडस्स्केप बहुत अधिक ऊबड़-खाबड़ है, तो एक प्रोटीन (या एक वैज्ञानिक) एक छोटी पहाड़ी पर फंस सकता है, पास के ऊंचे पहाड़ को देखने में असमर्थ क्योंकि उस तक पहुँचने के मार्ग में पहले एक गहरी घाटी में उतरना शामिल है।

समस्या: अज्ञात का मानचित्रण करना
लंबे समय तक, वैज्ञानिक यह समझने के लिए संघर्ष करते रहे कि ये लैंडस्स्केप इतने ऊबड़-खाबड़ क्यों हैं और ये उभार (bumps) वास्तव में कहाँ स्थित हैं। ऊबड़-खाबड़पन को मापने का पुराना तरीका जंगल के हर एक पत्ते को गिनने जैसा था। आपको एक स्पष्ट चित्र प्राप्त करने के लिए प्रोटीन के हर एक संभावित संयोजन का परीक्षण करने की आवश्यकता थी। लेकिन वास्तव में, हम इन संयोजनों के बहुत ही छोटे हिस्से का परीक्षण कर सकते हैं। यह केवल कुछ बिखरे हुए पेड़ों को देखकर पूरे पर्वत श्रृंखला के आकार का अनुमान लगाने जैसा है।

नया उपकरण: एक ग्राफ-आधारित दिशा-सूचक (Compass)
इस शोध पत्र के लेखकों ने ऊबड़-खाबड़पन को मापने का एक नया, चतुर तरीका आविष्कार किया है जो तब भी काम करता है जब हमारे पास केवल कुछ ही डेटा बिंदु हों। इसे एक डिफ्यूजन कंपास (diffusion compass) के रूप में सोचें। पूरे मानचित्र को देखने के बजाय, यह उपकरण देखता है कि "फिटनेस अंतर" (एक प्रोटीन कितना अच्छा या बुरा है) उन कुछ बिंदुओं में से, जिन्हें हम जानते हैं, कितनी तेज़ी से फैलते हैं। यदि "अच्छाई" सुचारू रूप से फैलती है, तो लैंडस्स्केप समतल है। यदि यह अटक जाती है या अनिश्चित रूप से उछलती है, तो लैंडस्स्केप ऊबड़-खाबड़ है।

खोज: उभार कहाँ छिपे हैं
64 अलग-अलग प्रोटीन डोमेन पर इस नए कंपास का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने कुछ आश्चर्यजनक पाया: ऊबड़-खाबड़पन समान रूप से फैली हुई एक ऊबड़-खाबड़ सड़क की तरह नहीं है। इसके बजाय, ऊबड़-खाबड़ हिस्से स्थानीयकृत (localized) हैं।

उन्होंने पाया कि "उभार" ठीक वहीं दिखाई देते हैं जहाँ खेल के नियम बदल जाते हैं।

• कल्पना कीजिए कि आप हाइकिंग कर रहे हैं। रास्ते के पहले भाग के लिए, एकमात्र नियम है "सूखे रहें।" रास्ता चिकना है।
• अचानक, आप एक नदी के पास पहुँचते हैं। अब, नियम बदल जाता है "गर्म रहें।"
• वह स्थान जहाँ आप बारिश की चिंता करने से गर्म रहने की चिंता करने की ओर स्विच करते हैं, वहीं से परिदृश्य (terrain) अराजक और कठिन हो जाता है।

प्रोटीन में, ये "नियम" भौतिक बाधाएं (physical constraints) हैं, जैसे कि प्रोटीन कितनी अच्छी तरह फोल्ड होता है या अन्य अणुओं के साथ कितनी अच्छी तरह जुड़ता है। जब एक प्रकार की प्रमुख बाधा दूसरे प्रकार में बदल जाती है, तो लैंडस्स्केप ऊबड़-खाबड़ हो जाता है।

बड़ी तस्वीर (The Big Picture)
मुख्य निष्कर्ष यह है कि प्रोटीन लैंडस्स्केप स्वाभाविक रूप से अराजक होने की आवश्यकता नहीं है। वे जटिल और ऊबड़-खाबड़ इसलिए बनते हैं क्योंकि सरल नियमों को एक के ऊपर एक परत के रूप में रखा गया है। जब एक सरल बाधा (जैसे फोल्डिंग) सबसे महत्वपूर्ण कारक होना बंद कर देती है और दूसरी (जैसे बाइंडिंग) नियंत्रण लेती है, तो वह विशिष्ट संक्रमण क्षेत्र (transition zone) एक कठिन, ऊबड़-खाबड़ क्षेत्र बन जाता है।

संक्षेप में, यह शोध पत्र दिखाता है कि प्रोटीन विकास की जटिलता सरल बाधाओं के संयोजन (composition of simple constraints) से आती है, जो एक समान रूप से अराजक दुनिया के बजाय विशिष्ट, स्थानीयकृत "ऊबड़-खाबड़ पैच" बनाती है।