Glycine molecule radical: Predicted properties and dipeptide formation
डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (DFT) गणनाओं का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन पूर्व-जैविक (prebiotic) स्थितियों के तहत ग्लाइसिन डाइपेप्टाइड्स के निर्माण के लिए एक नवीन, उत्प्रेरक-मुक्त रेडिकल केमिस्ट्री पथ प्रस्तावित करता है, जो निम्न इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा अवरोधों द्वारा अभिलक्षित है और मध्यवर्ती रेडिकल गुणों के विस्तृत विश्लेषण द्वारा समर्थित है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक जासूस हैं जो एक परम कोल्ड केस को सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं: जीवन कैसे शुरू हुआ? वैज्ञानिकों के पास एक मजबूत संदेह है कि जटिल कोशिकाओं के अस्तित्व में आने से पहले, एक "आरएनए वर्ल्ड" (RNA World) था जहाँ सरल आनुवंशिक अणु सारा भारी काम करते थे। लेकिन पहेली का एक हिस्सा गायब है: वे अणु अंततः प्रोटीन बनाना कैसे शुरू कर पाए? प्रोटीन जीवन के कार्यवाहक होते हैं, जो अमीनो एसिड नामक छोटे निर्माण खंडों की लंबी श्रृंखलाओं से बने होते हैं, जो पेप्टाइड बंधों (peptide bonds) द्वारा जुड़े होते हैं। समस्या यह है कि आदिम पृथ्वी के अव्यवस्थित और अराजक वातावरण में, इन ब्लॉकों को आपस में जोड़ने के लिए आमतौर पर एक परिष्कृत फैक्ट्री मशीन (एंजाइम) की आवश्यकता होती है, जो उस समय मौजूद नहीं थी। इसलिए, बड़ा सवाल अभी भी बना हुआ है: बिना किसी उपकरण के पहले प्रोटीन श्रृंखलाओं का निर्माण कैसे हुआ?
इस शोध पत्र की कहानी को समझने के लिए, आपको कुछ बुनियादी अवधारणाओं को जानने की आवश्यकता है। सबसे पहले, एक रेडिकल (radical) को एक ऐसे अणु के रूप में सोचें जिसने अपने स्वयं के एक हिस्से को खो दिया है, जिससे उसके पास एक "खुला हाथ" (एक अनपेयर्ड इलेक्ट्रॉन) रह गया है जो किसी और चीज़ को पकड़ने के लिए बेताब है। ये पार्टी में उन अति सक्रिय बच्चों की तरह हैं जो शांत होकर नहीं बैठ सकते। दूसरा, ऊर्जा अवरोध (energy barriers) उन पहाड़ियों की तरह हैं जिन्हें आपको गेंद को दूसरी ओर ले जाने के लिए पार करना पड़ता है। यदि पहाड़ी बहुत ऊँची है, तो गेंद कभी नहीं पहुँच पाएगी; यदि यह पर्याप्त कम है, तो गेंद आसानी से ऊपर लुढ़क जाएगी। अंत में, सिमुलेशन (simulations) उन्नत वीडियो गेम की तरह हैं जहाँ वैज्ञानिक रसायनों को टेस्ट ट्यूब में मिलाने के बजाय, परमाणुओं के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए गणित का उपयोग करते हैं। यह शोध पत्र इस बात को देखने के लिए सिमुलेशन का उपयोग करता है कि क्या एक जंगली, टूल-फ्री विचार वास्तव में काम कर सकता है।
जीवन की पहली श्रृंखलाओं के लिए रेडिकल रेसिपी
यह शोध पत्र, जिसे यारोस्लाव सिनक और जैक जेक ब्लेविज़ द्वारा लिखा गया है, एक साहसी विचार का परीक्षण करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन की दुनिया में उतरता है: क्या पहले पेप्टाइड बंध केवल "रेडिकल केमिस्ट्री" का उपयोग करके बन सकते थे? जटिल जैविक मशीन के प्रकट होने की प्रतीक्षा करने के बजाय, लेखक सुझाव देते हैं कि सरल, अति सक्रिय ग्लाइसिन अणु (सबसे सरल अमीनो एसिड) आपस में टकरा सकते थे, एक विशिष्ट तरीके से टूट सकते थे, और बिना किसी मदद के खुद ही एक श्रृंखला में पुनर्गठित हो सकते थे।
शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट पात्र पर ध्यान केंद्रित किया: ग्लाइसिन एसाइल रेडिकल (glycine acyl radical)। कल्पना कीजिए कि ग्लाइसइन अणु एक छोटे लेगो ब्रिक (Lego brick) की तरह है। इस परिदृश्य में, उस ब्रिक को एक भटकते हुए हाइड्रोजन परमाणु से टक्कर मिलती है, वह अपने "हाथ" (अमीनो समूह) का एक हिस्सा खो देता है, और एक रेडिकल बन जाता है। यह नया, अस्थिर संस्करण जुड़ने के लिए बेताब है। लेखकों के सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह रेडिकल एक सामान्य ग्लाइसिन अणु के करीब आ सकता है। क्योंकि उनके विद्युत आवेश (electrical charges) इस तरह व्यवस्थित हैं—जैसे चुंबक के विपरीत ध्रुव—वे स्वाभाविक रूप से एक-दूसरे की ओर आकर्षित होते हैं।
जब वे मिलते हैं, तो जुड़ाव आश्चर्यजनक रूप से तेज़ होता है। रेडिकल दूसरे अणु को पकड़ लेता है, एक छोटा सा हाइड्रोजन परमाणु निकलकर बाहर निकल जाता है, और एक नया बंधन बनता है, जिससे दो-ब्लॉक वाली श्रृंखला बनती है जिसे डिग्लाइसिन (diglycine) कहा जाता है। सबसे अच्छी बात? उन्हें यह करने के लिए जिस "पहाड़ी" (ऊर्जा अवरोध) को पार करना था, वह अपेक्षाकृत कम थी, जो 19.34 kcal/mol थी। रसायन विज्ञान की दुनिया में, यह इतनी कम ऊँचाई है कि यह प्रतिक्रिया बिना किसी फैंसी उत्प्रेरक (catalyst) के प्राकृतिक रूप से घटित हो सकती थी।
पात्रों का समूह: स्थिर बनाम अस्थिर
यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह रेसिपी ठोस थी, लेखकों को सामग्रियों की जांच करनी थी। उन्होंने अलग-अलग तरीकों की जांच की जिनसे एक ग्लाइसिन अणु रेडिकल बनने के लिए टूट सकता है।
"सरल" रेडिकल: यदि आप ग्लाइसिन में एक कार्बन-हाइड्रोजन बॉन्ड को तोड़ते हैं, तो आपको एक "सरल" रेडकल मिलता है। शोध पत्र में पाया गया कि यह वास्तव में काफी स्थिर और दिलचस्प है। इसमें एक विशेष "अनुनाद" (resonance) संरचना है, जो एक ऐसे अणु की तरह है जो तय नहीं कर पा रहा कि उसे कौन सा आकार लेना है, इसलिए वह एक साथ तीन अलग-अलग आकारों के मिश्रण के रूप में मौजूद रहता है। यह अणु को चपटा और सख्त बनाता है, लगभग एक कठोर रूलर की तरह। यह दो आकारों (जिन्हें cis और trans कहा जाता है) के बीच भी बदल सकता है, लेकिन इस बदलाव को मजबूर करने के लिए थोड़ी ऊर्जा (18.70 kcal/mol) की आवश्यकता होती है।
"गलत" रेडिकल्स: लेखकों ने यह भी जांचा कि ऑक्सीजन की तरफ या नाइट्रोजन की तरफ का बंधन टूटने पर क्या होता है। दुर्भाग्य से, ये संस्करण मुसीबत पैदा करने वाले हैं। यदि आप ऑक्सीजन बॉन्ड को तोड़ते हैं, तो अणु तुरंत कार्बन डाइऑक्साइड और एक अलग रेडिकल में टूट जाता है, जैसे ताश का घर ढह जाता है। यदि आप नाइट्रोजन बॉन्ड को तोड़ते हैं, तो यह जल्दी से खुद को पुनर्गठित करता है और बिखर जाता है। शोध पत्र स्पष्ट रूप रूप से इन्हें लंबी श्रृंखलाएं बनाने के उम्मीदवारों के रूप में खारिज करता है; ये मृत अंत (dead ends) हैं।
एसाइल रेडकल तक का दो-चरणीय नृत्य
तो, हम मुख्य पात्र, ग्लाइसिन एसाइल रेडकल तक कैसे पहुँचते हैं? लेखक एक दो-चरणीय नृत्य का सुझाव देते हैं।
- चरण 1: एक ग्लाइसिन अणु एक हाइड्रोजन परमाणु से मिलता है और अपना अमीनो समूह खो देता है। यह थोड़ा कठिन रास्ता है, जिसके लिए लगभग 12.92 kcal/mol की ऊर्जा की आवश्यकता होती है, लेकिन एक बार होने के बाद यह बहुत अधिक ऊर्जा (31.54 kcal/mol) मुक्त करता है।
- चरण 2: चरण 1 में जो अमोनिया मुक्त हुआ था, वह फिर से जुड़ सकता है, और एक मुक्त हाइड्रोजन परमाणु शेष भाग पर हमला करता है, जिससे एक पानी का अणु बाहर निकल जाता है। इस दूसरे चरण में एक ऊँची ऊर्जा पहाड़ी (45.21 kcal/mol) है, लेकिन यदि आप बिल्कुल शुरुआत से पूरी यात्रा को देखें, तो कुल ऊर्जा लागत प्रबंधनीय है।
लेखक नोट करते हैं कि हालांकि यह दो-चरणीय प्रक्रिया जटिल लग सकती है, लेकिन यह अणु के ऑक्सीजन भाग पर सीधे हाइड्रोजन परमाणु को मारने की तुलना में अधिक कुशल है, जिसके लिए 29.29 kcal/mol के विशाल ऊर्जा धक्का की आवश्यकता होती।
इसका क्या अर्थ है (और क्या नहीं है)
इस अध्ययन का मुख्य निष्कर्ष एक "प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट" (proof of concept) सिमुलेशन है। यह सुझाव देता है कि एक ऐसा मार्ग मौजूद है जहाँ ग्लाइसिन रेडिकल्स जुड़कर एक डाइपेप्टाइड (दो अमीनो एसिड की श्रृंखला) बना सकते हैं, जिसका ऊर्जा अवरोध 19.34 kcal/mol है। यह एक आदिम दुनिया में संभव होने के लिए पर्याप्त कम है।
हालाँकि, उत्साह को नियंत्रण में रखना महत्वपूर्ण है। लेखक बहुत स्पष्ट हैं कि यह एक सिमुलेशन है, न कि कोई भौतिक प्रयोग जहाँ उन्होंने लैब में रसायनों को मिलाया और उन्हें प्रतिक्रिया करते देखा। उन्होंने एक विशिष्ट गणितीय पद्धति (B3LYP) का उपयोग किया है जो छोटे अणुओं के लिए बहुत अच्छी है लेकिन बड़े, अधिक जटिल सिस्टम के लिए इसकी ज्ञात सीमाएँ हैं। उनके द्वारा दिए गए ऊर्जा नंबर वर्तमान कंप्यूटर मॉडल पर आधारित अनुमान (approximations) हैं, न कि पूर्ण, अपरिवर्तनीय तथ्य।
यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता कि इसने जीवन की उत्पत्ति के रहस्य को सुलझा लिया है। इसके बजाय, यह एक नया, टूल-फ्री रास्ता पेश करता है जो आशाजनक दिखता है। यह सुझाव देता है कि यदि आदिम पृथ्वी के वातावरण में रेडिकल्स मौजूद थे, तो वे वह चिंगारी हो सकते थे जिसने प्रोटीन की ओर बढ़ने वाली श्रृंखला अभिक्रिया को शुरू किया। लेखक स्वीकार करते हैं कि "सरल" ग्लाइसिन रेडिकल दिलचस्प है, लेकिन श्रृंखला बनाने के लिए एसाइल रेडिकल कहीं बेहतर उम्मीदवार है।
संक्षेप में, यह शोध पत्र आदिम पृथ्वी की एक ऐसी तस्वीर पेश करता है जो जटिल मशीनों की प्रतीक्षा करने वाली जगह नहीं, बल्कि एक अराजक खेल का मैदान है जहाँ अणुओं के अति सक्रिय, टूटे हुए हिस्से गलती से एक-दूसरे से टकरा सकते हैं, आपस में जुड़ सकते हैं और जीवन की लंबी यात्रा शुरू कर सकते हैं। यह एक सुझाव है, एक सिमुलेशन है, और एक प्राचीन रहस्य की ओर एक आकर्षक नया दृष्टिकोण है।
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