Surface-stabilized sub-micron condensates for compartmentalizing synthetic cells and enhanced enzyme kinetics
यह अध्ययन सिंथेटिक कोशिकाओं के भीतर pH-उत्तरदायी, सब-माइक्रोन झिल्लीहीन अंगों (membraneless organelles) को स्थिर करने के लिए सर्फेक्टेंट-समान पेप्टाइड्स का उपयोग करते हुए एक बायोइंजीनियरिंग रणनीति प्रस्तुत करता है, जो सटीक आकार नियंत्रण को सक्षम बनाता है जो एंजाइमेटिक अभिक्रिया दरों को बढ़ाता है और प्रोग्राम करने योग्य कार्यात्मक विभाजन (functional compartmentalization) को सुगम बनाता है।
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एक जीवित कोशिका के भीतर के दृश्य की कल्पना एक अराजक सूप के रूप में नहीं, बल्कि अलग-अलग मोहल्लों वाले एक हलचल भरे शहर के रूप में करें। इनमें से कुछ मोहल्ले केंद्रक (न्यूक्लियस) या माइटोकॉन्ड्रिया जैसी दीवारों से घिरी इमारतें हैं, लेकिन कई तरल से बने तैरते हुए, अदृश्य बुलबुलों की तरह हैं। वैज्ञानिक इन्हें "झिल्ली रहित अंगक" (मेम्ब्रेनलेस ऑर्गेनेल्स) कहते हैं। ये तब बनते हैं जब कुछ प्रोटीन और अणु एक प्रक्रिया के माध्यम से एक साथ जुड़ते हैं जिसे "लिक्विड-लिक्विड फेज सेपरेशन" कहा जाता है, ठीक वैसे ही जैसे सलाद ड्रेसिंग में तेल की बूंदें पानी से अलग हो जाती हैं। ये तरल बुलबुले इसलिए महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे छोटे कार्यस्थलों के रूप में कार्य करते हैं, जो रासायनिक कार्यों को तेजी से और कुशलता से करने के लिए विशिष्ट उपकरणों और सामग्रियों को इकट्ठा करते हैं। हालाँकि, इसमें एक पेंच है: बिना किसी दीवार के, ये तरल बुलबुले स्वाभाविक रूप से एक विशाल पिंड में विलीन होकर अपनी व्यक्तिगत पहचान खोना चाहते हैं। सिंथेटिक बायोलॉजी के इस क्षेत्र में बड़ा सवाल यह है: क्या हम कृत्रिम कोशिकाएं बना सकते हैं जिनमें ये छोटे, स्थिर तरल मोहल्ले हों? और यदि हम ऐसा कर सकते हैं, तो क्या हम रसायन विज्ञान को बेहतर करने के लिए उनके आकार और संख्या को नियंत्रित कर सकते हैं?
यह शोध पत्र इस चुनौती से निपटने के लिए एक नए प्रकार के "जैविक सर्फेक्टेंट" (बायोलॉजिकल सर्फेक्टेंट)—जिसे प्रोटीन से बने एक विशेष साबुन के रूप में सोचें—का निर्माण करता है, जो इन तरल बुलबुलों को आपस में मिलने से रोकता है। शोधकर्ताओं ने इलास्टिन-लाइक पॉलीपेप्टाइड (PRE) नामक एक प्रकार के प्रोटीन का उपयोग किया जो वातावरण के अधिक अम्लीय होने पर स्वाभाविक रूप से बूंदों में एकत्र हो जाता है। सामान्यतः, ये बूंदें केवल एक विशाल ढेर में मिल जाएंगी। लेकिन टीम ने "सर्फ-पीआरई" (Surf-PRE) नामक एक दूसरा प्रोटीन डिजाइन किया, जो एक सुरक्षात्मक परत के रूप में कार्य करता है। इस प्रोटीन का एक सिरा बूंद के अंदर के हिस्से को पसंद करता है, जबकि दूसरा सिरा बाहर के पानी को पसंद करता है, जो प्रभावी रूप से एक बाउंसर की तरह सीमा पर खड़ा होता है। यह सेटअप शोधकर्ताओं को सैकड़ों छोटे, स्थिर बूंदों को बनाने की अनुमति देता है, जिनका आकार एक बड़ी कोशिका से लेकर केवल 200 नैनोमीटर तक होता है, और यहाँ तक कि एक एकल कृत्रिम कोशिका के भीतर बनने वाली बूंदों की संख्या को भी नियंत्रित करता है।
टीम ने इस प्रणाली का परीक्षण कृत्रिम कोशिकाओं के भीतर किया—जो एक माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस का उपयोग करके बनाई गई छोटी पानी से भरी बुलबुले हैं जो एक सूक्ष्म कारखाने की तरह दिखता है। पीएच (pH) को कम करने की दर और "सर्फ-पीआरई" प्रोटीन की मात्रा को समायोजित करके, वे कृत्रिम कोशिकाओं को एक विशाल बूंद से लेकर लगभग दस छोटी बूंदों तक रखने के लिए प्रोग्राम कर सके। उन्होंने पाया कि जितनी तेजी से उन्होंने प्रतिक्रिया को सक्रिय किया, उतनी ही अधिक बूंदें बनीं, और उन्होंने जितना अधिक "सर्फ-पीआरई" जोड़ा, वे बूंदें उतनी ही छोटी होती गईं। इसने उन्हें उनकी कृत्रिम कोशिकाओं के आंतरिक ढांचे पर सटीक नियंत्रण दिया।
लेकिन असली जादू तब हुआ जब उन्होंने परीक्षण किया कि ये बूंदें रासायनिक कार्य कितनी अच्छी तरह कर सकती हैं। उन्होंने एक एंजाइम (एक जैविक उत्प्रेरक) और एक सबस्ट्रेट (वह सामग्री जिस पर एंजाइम काम करता है) को जोड़ा ताकि यह देखा जा सके कि प्रतिक्रिया कितनी तेजी से होती है। उन्होंने पाया कि बूंदें उच्च-गति वाले रिएक्शन हब के रूप में कार्य करती हैं। प्रतिक्रिया आसपास के पानी की तुलना में बूंदों के भीतर बहुत तेजी से हुई। इससे भी बेहतर, "सर्फ-पीआरई" प्रोटीन द्वारा बनाई गई सबसे छोटी, आकार-नियंत्रित बूंदें सबसे अधिक कुशल थीं। लेखक सुझाव देते हैं कि क्योंकि इन छोटी बूंदों का आयतन के सापेक्ष सतह क्षेत्र बहुत बड़ा होता है, इसलिए वे बाहरी दुनिया के साथ बहुत तेजी से सामग्री का आदान-प्रदान कर सकती हैं, जिससे प्रतिक्रिया अपनी पूरी गति से चलती रहती है। यह कार्य बताता है कि इन प्रोटीन-आधारित "साबुनों" का उपयोग करके, हम अनुकूलन योग्य, उच्च-प्रदर्शन वाले आंतरिक विभाजनों वाली कृत्रिम कोशिकाएं बना सकते हैं, जो प्रकृति में पाई जाने वाली परिष्कृत व्यवस्था की नकल करती हैं।
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