3D confinement reshapes RNA folding and enhances circularisation in the Zika virus

जीव विज्ञान की सूक्ष्म दुनिया के भीतर, कई अणु स्वतंत्र रूप से घूमने के लिए स्वतंत्र नहीं होते हैं। वे अक्सर तंग कंटेनरों के भीतर फंसे होते हैं, और ऐसी जगहों में ठुंसे होते हैं जो उनके अपने आकार से भी बहुत छोटी होती हैं। एक लंबी डोरी की कल्पना करें जिसे आमतौर पर एक कमरे में ढीले ढंग से तैरने की अनुमति होती है, लेकिन अचानक उसे एक छोटे, कठोर बक्से में धकेल दिया जाता है। यह वातावरण का परिवर्तन न केवल डोरी को हिलाता है; यह मौलिक रूप से इस बात को बदल देता है कि डोरी कैसे मुड़ती है, कैसे घूमती है और खुद के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि आरएनए (RNA), वह अणु जो आनुवंशिक निर्देश ले जाता है और प्रोटीन बनाने में मदद करता है, अक्सर इन तंग परिस्थितियों में रहता है। यह वायरस कणों के भीतर कसकर भरा होता है, कोशिकीय घटकों के भीतर छिपा होता है, या उन लिपिड बुलबुलों के भीतर फंसा होता है जिनका उपयोग दवाओं को पहुंचाने के लिए किया जाता है। फिर भी, यह कितना सामान्य है, इसके बावजूद शोधकर्ताओं के पास यह अनुमान लगाने का कोई स्पष्ट तरीका नहीं था कि यह दबाव (squeezing) आरएनए के आकार और व्यवहार को ठीक कैसे बदलता है।

एडिनबर्ग विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब इन तंग स्थानों के भीतर देखने का एक नया तरीका बनाया है। उन्होंने ज़िका वायरस पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक ऐसा रोगजनक है जो अपने आनुवंशिक कोड को लगभग ग्यारह हजार निर्माण ब्लॉकों वाले एक लंबे, एकल धागे के रूप में ले जाता है। आरएनए के हिस्सों के आपस में छूने के वास्तविक माप को शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक विस्तृत 3D मॉडल बनाया कि कैसे वायरल जीनोम तब मुड़ता है जब वह कोशिका में स्वतंत्र होता है बनाम जब वह एक वायरस कण के भीतर पैक होता है। उनका कार्य प्रकट करता है कि 'कन्फाइनमेंट' (सीमित स्थान) एक शक्तिशाली मूर्तिकार की तरह कार्य करता है, जो आरएनए को एक विशिष्ट, सघन आकार में मजबूर करता है जो कोशिका में इसकी ढीली, उलझी हुई अवस्था से बहुत अलग होता है। यह नई समझ वैज्ञानिकों को यह समझाने में मदद करती है कि वायरस अपने स्वयं के जीवन चक्र को कैसे नियंत्रित करता है और अन्य आरएनए अणुओं का अध्ययन करने के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करती है जो सीमित स्थानों में रहते हैं।

शोधकर्ताओं ने जो किया उसे समझने के लिए, सबसे पहले उस चुनौती को समझना होगा जिसका उन्होंने सामना किया। आरएनए अणु लचीली श्रृंखलाएं हैं जो जटिल आकार में मुड़ सकती हैं। एक कोशिका में, जहाँ पर्याप्त जगह होती है, आरएनए इस तरह से मुड़ने की प्रवृत्ति रखता है जो एक 'रैंडम वॉक' (यादृच्छिक भ्रमण) के समान होता है, जिसमें इसके हिस्से अपने पड़ोसियों के अपेक्षाकृत करीब रहते हैं। हालांकि, एक वायरस के भीतर, आरएनए को एक खोल, या कैप्सिड (capsid) के भीतर ठूंसा जाता है जो इतना छोटा है कि श्रृंखला वहां तक फैल न सके। पिछले प्रयोगों ने दिखाया है कि इस सीमित स्थान में आरएनए के विभिन्न हिस्सों के बीच संपर्क का पैटर्न नाटकीय रूप से बदल जाता है, लेकिन वैज्ञानिकों के पास यह समझाने के लिए कोई उपकरण नहीं था कि ऐसा क्यों होता है या परिणामी 3D संरचना को कैसे देखा जाए। टीम ने एक भौतिक मॉडल विकसित किया जो आरएनए को मोतियों की एक श्रृंखला के रूप में मानता है, जहाँ प्रत्येक मोती अणु के एक एकल निर्माण खंड का प्रतिनिधित्व करता है। उन्होंने इस मॉडल को 'प्रॉक्सिमिटी लिगेशन' प्रयोगों से डेटा दिया, जो एक ऐसी तकनीक है जो आरएनए के उन हिस्सों को रासायनिक रूप से जोड़ती है जो पास होते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को यह मानचित्रण करने में मदद मिलती है कि कौन से खंड आपस में छूते हैं।

शोधकर्ताओं ने अपने सिमुलेशन दो परिदृश्यों में चलाए: एक जहाँ आरएनए श्रृंखला खुले स्थान में स्वतंत्र रूप से चलने के लिए स्वतंत्र थी, और दूसरा जहाँ उसे ज़िका वायरस के भीतर एक आभासी गोले के भीतर सीमित किया गया था। उन्होंने पाया कि दोनों अवस्थाएं पूरी तरह से अलग फोल्डिंग पैटर्न उत्पन्न करती हैं। खुले, बिना सीमित अवस्था में, आरएनए के दो हिस्सों के आपस में छूने की संभावना श्रृंखला के अनुक्रम में उनके बीच की दूरी बढ़ने के साथ तेजी से गिर जाती है। यह व्यवहार उस चीज़ से मेल खाता है जिसे 'रैंडम वॉक' के रूप में जाना जाता है, जहाँ अणु ढीला और अव्यवस्थित होता है। इसके विपरीत, जब आरएनए को वायरस के भीतर सीमित किया गया था, तो पैटर्न बदल गया। श्रृंखला के हिस्सों को अनुक्रम में एक-दूसरे से कितनी भी दूर होने के बावजूद निकट संपर्क में रहने के लिए मजबूर किया गया, जिससे एक घना, उलझा हुआ गोला बन गया। शोधकर्ताओं ने देखा कि यह सीमित अवस्था एक अलग गणितीय नियम का पालन करती है, जो एक "फ्रैक्टल ग्लोब्यूल" (fractal globule) का वर्णन करता है, जो एक ऐसा आकार है जो सघन रूप से पैक है लेकिन उन गांठों और उलझनों से बचता है जो बाद में इसे खोलने को असंभव बना देंगी।

सबसे महत्वपूर्ण खोजों में से एक यह थी कि 'कन्फाइनमेंट' (सीमित स्थान) आरएनए श्रृंखला के सिरों को कैसे प्रभावित करता है। ज़िका वायरस प्रोटीन बनाने और अपने आनुवंशिक पदार्थ की नकल करने के बीच स्विच करने के लिए 'सर्कुलराइजेशन' (वृत्ताकारकरण) नामक प्रक्रिया पर निर्भर करता है। इसके लिए आरएनए स्ट्रैंड के दोनों सिरों को एक-दूसरे को खोजना और लॉक करना आवश्यक है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जब आरएनए सीमित होता है, तो यह सर्कुलराइजेशन बहुत अधिक बार होता है। आभासी वायरस में, दोनों सिरे मिले और लगभग तीन-चौथाई समय तक एक साथ रहे। अनकन्फाइंड (बिना सीमित) सिमुलेशन में, यह अंतःक्रिया दुर्लभ थी, जो एक प्रतिशत से भी कम बार हुई। कंटेनर के भौतिक दबाव ने श्रृंखला के सिरों को निकटता में आने के लिए मजबूर किया, जिससे उन्हें जुड़ना बहुत आसान हो गया। यह सुझाव देता है कि वायरस अपने खोल के तंग स्थान का उपयोग यह सुनिश्चित करने के लिए करता है कि आनुवंशिक निर्देश नए मेजबान कोशिका में प्रवेश करते ही पढ़ने के लिए तैयार हों।

अध्ययन ने अराजकता के भीतर आश्चर्यजनक स्तर का क्रम भी उजागर किया। जब आरएनए सीमित स्थान में मुड़ता है, तो यह लंबे, डबल-स्ट्रैंडेड स्टेम्स (दोहरी कुंडली वाले तने) बनाता है जहाँ श्रृंखला अपने आप के समानांतर चलती है। ये स्टेम्स ऐसे छोटे क्षेत्र बनाते हैं जहाँ आरएनए अणु एक ही दिशा में संरेखित होते हैं, ठीक वैसे ही जैसे लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले स्क्रीन में संरेखित होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये संरेखित क्षेत्र लगभग दो से तीन नैनोमीटर लंबे होते हैं। यह स्थानीय व्यवस्था वायरस को अपने आनुवंशिक पदार्थ को व्यवस्थित रखने और इसे पूरी तरह से उलझने से बचाने में मदद कर सकती है, जो कि एक नए सेल को संक्रमित करने के बाद अपने आनुवंशिक कोड को सफलतापूर्वक जारी करने के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है। इसके अलावा, सिमुलेशन ने दिखाया कि आरएनए एक "ग्लासी" (कांच जैसा) पदार्थ की तरह व्यवहार करता है। एक 'ग्लासी' अवस्था में, अणु एक विशेष आकार में फंस जाता है और आसानी से खुद को पुनर्गठित नहीं कर पाता है, यहाँ तक कि लंबे समय के बाद भी। यह धीमी, सुस्त गति आरएनए को वायरस के भीतर अपने सघन, मुड़े हुए आकार को बनाए रखने में मदद करती है ताकि वह बिखर न जाए।

शोधकर्ता अपने मॉडल की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए वास्तविक प्रयोगात्मक डेटा के विरुद्ध परीक्षण करने में सावधानी बरतते रहे। उन्होंने अपने कंप्यूटर-जनरेटेड संपर्क मानचित्रों की तुलना वास्तविक वायरस नमूनों से बनाए गए मानचित्रों से की। वह मॉडल जिसमें 'स्टैकिंग' (एक के ऊपर एक जमना) के भौतिक प्रभावों को शामिल किया गया था—जहाँ आरएनए बेस प्लेटों के ढेर की तरह एक दूसरे के ऊपर बैठते हैं—उसने सबसे यथार्थवादी संरचनाएं बनाईं। स्टैकिंग प्रभाव के बिना, सिम्युलेटेड आरएनए अजीब, खिंचे हुए आकार बनाता था जो वास्तविकता से मेल नहीं खाते थे। स्टैकिंग के साथ, मॉडल ने जटिल गांठों और लूपों को बनाया, जिन्हें 'स्यूडो नॉट्स' (pseudoknots) कहा जाता है, जो इस आकार के अणु के लिए अपेक्षित जटिलता से मेल खाते हैं। ये स्यूडो नॉट्स केवल यादृच्छिक उलझनें नहीं हैं; ये स्थिर संरचनाएं हैं जो वायरस को उसके आनुवंशिक पदार्थ को मेजबान की प्रतिरक्षा प्रणाली से बचाने में मदद करती हैं।

टीम ने अपने मॉडल में वायरस के खोल के भौतिक विवरणों और वायरस के भीतर के विद्युत आवेशों को जोड़कर अपनी तस्वीर को और भी परिष्कृत किया। उन्होंने पाया कि वायरस को बनाने वाले प्रोटीन संभवतः परिपक्व वायरस में भी आरएनए से जुड़े रहते हैं, जो एक ऐसा विवरण है जो पहले अस्पष्ट था क्योंकि वर्तमान इमेजिंग तकनीकों के साथ खोल को स्पष्ट रूप से देखना कठिन है। यह जुड़ाव आरएनए को व्यवस्थित और स्थिर रखने में मदद करता है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि उनके दृष्टिकोण का उपयोग अन्य आरएनए अणुओं के अध्ययन के लिए किया जा सकता है, जैसे कि mRNA टीके, जिन्हें अक्सर छोटे लिपिड कणों के भीतर वितरित किया जाता है। यह समझना कि कन्फाइनमेंट इन अणुओं को कैसे आकार देता है, वैज्ञानिकों को बेहतर दवाएं डिजाइन करने में मदद कर सकता है जो उनके लक्ष्य तक पहुँचने तक स्थिर और प्रभावी बनी रहें।

यह कार्य एक स्पष्ट दृश्य प्रदान करता है कि भौतिक स्थान जीवन के निर्माण खंडों के व्यवहार को कैसे निर्देशित करता है। यह दिखाता है कि जिस वातावरण में कोई अणु रहता है, वह उसके रासायनिक संयोजन जितना ही महत्वपूर्ण है। ज़िका वायरस के लिए, उसका अपना खोल ही एक तंग दबाव है, जो एक सीमा नहीं बल्कि एक विशेषता है, जो आनुवंशिक सामग्री को उपयोग के लिए तैयार आकार में मजबूर करता है। शोधकर्ताओं ने इन अदृश्य प्रक्रियाओं को देखने के लिए एक नया ढांचा प्रदान किया है, जो अमूर्त डेटा को वायरस की प्राकृतिक, सीमित अवस्था में एक ठोस चित्र में बदल देता है। यह अंतर्दृष्टि आरएनए की रसायन विज्ञान और स्थान के भौतिकी के बीच के अंतर को पाटती है, जो यह समझने की गहरी दृष्टि प्रदान करती है कि वायरस कैसे संचालित होते हैं और हम भविष्य में उन्हें कैसे नियंत्रित कर सकते हैं।