Ancestors of Arylmalonate Decarboxylase show increased Activity, Stability and Stereoselectivity
पूर्वज अनुक्रम पुनर्निर्माण (ancestral sequence reconstruction) का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने ऐसे एरीलमैलोनेट डिकार्बोक्सिलेज पूर्वजों को इंजीनियर किया जो वर्तमान एंजाइम की तुलना में काफी बेहतर तापीय स्थिरता, उत्प्रेरक गतिविधि और त्रिविम-चयनात्मकता (stereoselectivity) प्रदर्शित करते हैं, जिससे कायरल कार्बोक्सिलिक एसिड के उत्पादन में प्रमुख सीमाओं को दूर किया जा सका है।
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जीव विज्ञान की सूक्ष्म दुनिया में, जीवन उन नन्हे आणविक यंत्रों पर निर्भर करता है जिन्हें एंजाइम कहा जाता है, जो उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करते हैं जिनमें अन्यथा बहुत लंबा समय लग सकता है। ये प्रोटीन प्रकृति के कार्यबल हैं, जो हमारे कोशिकाओं में मौजूद डीएनए से लेकर हमारे द्वारा ली जाने वाली दवाओं तक, सब कुछ बनाते हैं। हालाँकि, जब वैज्ञानिक दवाओं या सामग्रियों का उत्पादन करने के लिए कारखानों में इन प्राकृतिक एंजाइमों का उपयोग करने की कोशिश करते हैं, तो उन्हें अक्सर एक निराशाजनक समस्या का सामना करना पड़ता है: एंजाइम बहुत नाजुक होते हैं। तापमान थोड़ा बढ़ने पर या लंबे समय तक उपयोग किए जाने पर वे टूट जाते हैं, जिससे औद्योगिक प्रक्रियाएं महंगी और अक्षम हो जाती हैं। इसके अलावा, कई प्राकृतिक एंजाइम पर्याप्त रूप से चयनात्मक नहीं होते हैं; वे किसी अणु के दो दर्पण-प्रतिबिंब (mirror-image) संस्करणों का मिश्रण बना सकते हैं, जबकि मानव उपयोग के लिए केवल एक संस्करण ही सुरक्षित या प्रभावी होता है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ता एक ऐसे तरीके की ओर मुड़ रहे हैं जो आगे बढ़ने के लिए समय में पीछे देखने जैसा है। कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके प्राचीन, लंबे समय से विलुप्त एंजाइमों के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट को पुनर्गठित करके, वे इन "पूर्वज" प्रोटीनों का प्रयोगशाला में परीक्षण कर सकते हैं। अक्सर, ये प्राचीन संस्करण उनके आधुनिक वंशजों की तुलना में अधिक मजबूत और बहुमुखी होते हैं, जो आधुनिक उद्योग के लिए मजबूत उपकरणों का एक नया स्रोत प्रदान करते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने एरीलमैलोनेट डिकार्बोक्सिलेज, या AMDase के रूप में ज्ञात एक विशिष्ट एंजाइम को बेहतर बनाने का लक्ष्य रखा। यह एंजाइम मूल्यवान है क्योंकि यह कुछ अणुओं से कार्बन डाइऑक्साइड समूह को हटाकर काइरल कार्बोक्सिलिक एसिड बना सकता है, जो इबुप्रोफेन और नेप्रोक्सन जैसी गैर-स्टेरायडल सूजनरोधी दवाओं के लिए आवश्यक निर्माण खंड (building blocks) हैं। 'बॉर्डेटेला ब्रोंकाइसेप्टिका' नामक बैक्टीरिया में पाया जाने वाला इस एंजाइम का प्राकृतिक संस्करण प्रयोगशाला में तो अच्छा काम करता है, लेकिन बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए इसमें महत्वपूर्ण कमियां हैं। यह अस्थिर है, मध्यम तापमान पर मात्र एक घंटे के भीतर अपनी आधी सक्रियता खो देता है, और यह कुछ प्रकार के कच्चे माल, विशेष रूप से उन सामग्रियों के साथ संघर्ष करता है जिनसे छोटे, भारी समूह जुड़े होते हैं। यह कभी-कभी वांछित दवा अणु का शुद्धतम रूप बनाने में भी विफल रहता है। इन समस्याओं को ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों ने आधुनिक एंजाइम को टुकड़ों में बदलने की कोशिश नहीं की। इसके बजाय, उन्होंने एंजाइम के इतिहास का एक वंशावली वृक्ष बनाया और इसका उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया कि लाखों साल पहले उनके पूर्वज कैसे दिखते थे। उन्होंने इन दस प्राचीन पूर्वजों के जीन को संश्लेषित किया और यह परीक्षण करने के लिए कि क्या उनमें वह स्थायित्व और सटीकता थी जिसकी आधुनिक संस्करण में कमी थी।
परिणाम आश्चर्यजनक थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि इनमें से कई प्राचीन एंजाइम आधुनिक एंजाइम की तुलना में कहीं अधिक श्रेष्ठ थे। एक विशेष पूर्वज, जिसे टीम ने N131 नाम दिया, स्थिरता के चैंपियन के रूप में उभरा। जबकि आधुनिक एंजाइम गर्म होने पर जल्दी टूट जाता है, N131 समान परिस्थितियों में सैकड़ों घंटों तक सक्रिय रहा। वास्तव में, 45 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, आधुनिक एंजाइम केवल लगभग डेढ़ घंटा टिका, जबकि N131 380 घंटों से अधिक समय तक जीवित रहा। दीर्घायु में इस विशाल सुधार का अर्थ था कि N131 खराब होने से पहले सैकड़ों गुना अधिक उत्पाद बना सकता था। टीम ने यह भी खोजा कि N131 अपने काम में अधिक तेज़ था, जो आधुनिक एंजाइम की तुलना में कच्चे माल को अंतिम उत्पाद में अधिक कुशलता से परिवर्तित करता था। जब उन्होंने एक प्रिपरेटिव स्केल (preparative scale) पर प्राचीन एंजाइमों का परीक्षण किया, जिसमें रासायनिक पदार्थ का एक पूरा ग्राम बनाया गया, तो N131 ने कार्य को मात्र 31 मिनट में पूरा कर लिया, जो आधुनिक संस्करण से काफी आगे था।
N131 इतना मजबूत क्यों था, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने प्रोटीन की संरचना के विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए। उन्होंने पाया कि प्राचीन एंजाइम ने अपनी सतह पर नकारात्मक रूप से आवेशित रासायनिक समूहों का एक आवरण प्राप्त कर लिया था, जो आधुनिक संस्करण में नहीं था। ये समूह एक सुरक्षात्मक ढाल की तरह कार्य करते थे, जो प्रोटीन के चारों ओर पानी के अणुओं की एक घनी परत को थामे रखते थे। यह हाइड्रेशन शेल (hydration shell) एंजाइम को गर्म होने पर आपस में गुच्छे बनाने और टूटने से रोकता था। यह एक प्राकृतिक समाधान था उस समस्या का जिसे आधुनिक इंजीनियर अक्सर हल करने के लिए संघर्ष करते हैं। स्थिरता के अलावा, प्राचीन एंजाइमों ने बेहतर सटीकता भी दिखाई। N31 नामक एक पूर्वज ने 99.7 प्रतिशत की ऑप्टिकल शुद्धता के साथ एक दवा निर्माण खंड का उत्पादन किया, जिसका अर्थ है कि बनाया गया लगभग हर अणु सही दर्पण-प्रतिबिंब था। फार्मास्यूटिकल्स के लिए यह स्तर की शुद्धता अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि गलत दर्पण-प्रतिबिंब अप्रभावी या हानिकारक भी हो सकता है।
अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि क्या ये प्राचीन एंजाइम उन कच्चे माल को संभाल सकते हैं जिन्हें आधुनिक संस्करण अस्वीकार कर देता है। आधुनिक एंजाइम एथिल समूहों वाले कुछ अणुओं को संसाधित नहीं कर सकता है, लेकिन पूर्वज N131 उन्हें पूरी तरह से परिवर्तित कर सकता है। शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि वे एंजाइम की प्राथमिकता को बदल सकते हैं, जिससे यह दवा अणु के विपरीत दर्पण-प्रतिबिंब का उत्पादन कर सके, और इसके लिए उन्होंने सक्रिय स्थल (active site) में केवल दो विशिष्ट अमीनो एसिड को बदला। इस लचीलेपन ने दिखाया कि प्राचीन एंजाइम केवल आधुनिक वाले के मजबूत संस्करण ही नहीं थे, बल्कि अधिक अनुकूल भी थे। अतीत की प्राकृतिक विकास प्रक्रिया को आधुनिक इंजीनियरिंग के साथ जोड़कर, टीम ने एक ऐसा बायोकैटलिस्ट (biocatalyst) बनाया जो तेज़, अधिक लंबे समय तक चलने वाला और अधिक सटीक है। यह कार्य बताता है कि एंजाइमों के गहरे विकासवादी इतिहास को देखने से उन स्थिरता और चयनात्मकता की समस्याओं के छिपे हुए समाधान मिल सकते हैं जो वर्तमान में जीवन रक्षक दवाओं के उत्पादन को सीमित करती हैं।
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