A detergent-free workflow for native membrane proteomics using Peptergents

एक कोशिका के भीतर के दृश्य की कल्पना करें जो एक हलचल भरे, उच्च-तकनीकी शहर की तरह है। इमारतें ऑर्गेनेल (organelles) हैं, सड़कें साइटोप्लाज्म (cytoplasm) हैं, और दीवारें झिल्लियाँ (membranes) हैं। लेकिन इस शहर के सबसे महत्वपूर्ण कार्यकर्ता मेम्ब्रेन प्रोटीन्स (membrane proteins) हैं। ये कोशिका की बाहरी दीवारों में जड़े हुए द्वारपाल, सेंसर और डिलीवरी ट्रक हैं। ये पोषक तत्वों को अंदर आने देने से लेकर संकेत भेजने तक सब कुछ करने के लिए जिम्मेदार हैं जो आपके दिल को धड़कने या मस्तिष्क को सोचने के लिए कहते हैं। वास्तव में, आपके शरीर के सभी प्रोटीनों में से लगभग 30% ये मेम्ब्रेन कार्यकर्ता हैं, और वे बड़ी संख्या में दवाओं के लक्ष्य होते हैं।

हालाँकि, इन कार्यकर्ताओं का अध्ययन करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। उन्हें सूक्ष्मदर्शी (microscope) या मास स्पेक्ट्रोमीटर (एक ऐसी मशीन जो वजन के आधार पर प्रोटीनों की पहचान करती है) के नीचे ठीक से देखने के लिए, वैज्ञानिकों को उन्हें कोशिका की दीवार से बाहर निकालना पड़ता है। पारंपरिक रूप से, वे डिटर्जेंट (detergents) का उपयोग करते हैं—ऐसे रसायन जो साबुन की तरह काम करते हैं। जिस तरह साबक एक बर्तन से चिकनाई को हटा देता है, डिटर्जेंट वसायुक्त कोशिका झिल्ली को तोड़कर प्रोटीनों को मुक्त कर देते हैं। लेकिन यहाँ एक पेंच है: साबुन कठोर होता है। यह उस प्राकृतिक वातावरण को छीन लेता है जिसमें प्रोटीन रहते हैं, जिससे अक्सर वे अपना आकार खो देते हैं, बिखर जाते हैं, या उन चीजों के साथ बातचीत करने का तरीका भूल जाते हैं जिनसे उन्हें जुड़ना होता है। यह एक नाजुक, जीवित घड़ी को उसके केस से हथौड़े से मारकर बाहर निकालने की कोशिश करने जैसा है; आपको गियर तो मिल सकते हैं, लेकिन आप कभी नहीं जान पाएंगे कि वे एक साथ कैसे टिके थे।

यही वह समस्या है जिसे ब्रिटिश कोलंबिया विश्वविद्यालय और रेजिना विश्वविद्यालय का एक नया अध्ययन हल करने की कोशिश कर रहा है। शोधकर्ताओं ने, जिनका नेतृत्व फ्रैंक एंटोनी और फ्रांक डुओंग वान होआ ने किया था, पूछा: "क्या हम इन नाजुक मेम्ब्रेन प्रोटीनों को उस कठोर साबुन का उपयोग किए बिना निकाल सकते हैं जो उन्हें बर्बाद कर देता है?" उन्होंने पेप्टर्जेंट (Peptergents) नामक एक नया उपकरण विकसित किया। पेप्टर्जेंट को एक हथौड़े के रूप में नहीं, बल्कि छोटे पेप्टाइड स्ट्रिंग्स से बनी एक कोमल, कस्टम-मेड जाल के रूप में सोचें। झिल्ली को तोड़ने के बजाय, ये जाल प्रोटीनों के चारों ओर लिपट जाते हैं, उन्हें कोशिका की दीवार से बाहर उठाते हुए उन्हें सुरक्षित, स्थिर और काम करने के लिए तैयार रखते हैं। यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि यह नई विधि वैज्ञानिकों को मेम्ब्रेन प्रोटीनों का अध्ययन करने का एक तरीका प्रदान करती है जिससे उनका प्राकृतिक "व्यक्तित्व" बना रहता है—कि वे दवाओं के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, वे समूहों में कैसे जुड़ते हैं, और लीवर या मस्तिष्क जैसे विभिन्न ऊतकों में वे कैसे कार्य करते हैं।

साबुन-मुक्त क्रांति

शोधकर्ताओं ने अपने नए "पेप्टर्जेंट" (विशेष रूप से PDET-1 नामक संस्करण) का बैक्टीरिया से लेकर चूहे के लीवर और मस्तिष्क तक विभिन्न जैविक नमूनों पर परीक्षण किया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह कोमल, डिटर्जेंट-मुक्त दृष्टिकोण वही सब कुछ कर सकता है जो पुराना साबुन वाला तरीका कर सकता था, लेकिन बिना किसी नुकसान के।

आकार और चमक को बनाए रखना
सबसे पहले, उन्होंने MsbA नामक एक विशिष्ट प्रोटीन को देखा, जो बैक्टीरिया में एक पंप के रूप में कार्य करता है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या प्रोटीन को बाहर निकालने के बाद भी वह अपने ईंधन (ATP) को "महसूस" कर सकता है। जब उन्होंने पुराने साबुन के तरीके (DDM) का उपयोग किया, तो प्रोटीन सुन्न हो गया; वह ईंधन के प्रति प्रतिक्रिया नहीं कर सका। लेकिन जब उन्होंने पेप्टर्जेंट का उपयोग किया, तो प्रोटीन संवेदनशील बना रहा। इससे भी बेहतर, जब उन्होंने पेप्टर्जेंट को एक थोड़े अलग स्टेबलाइजिंग शेल (stabilizing shell) जिसे "पेप्टिडिस्क" (Peptidisc) कहा जाता है, से बदला, तो प्रोटीन और भी स्थिर हो गया, जैसे कोई यात्री ठंडी यात्रा के लिए बेहतर कोट पाकर खुश हो। इसने सिद्ध किया कि पेप्टर्जेंट ने केवल प्रोटीन को बाहर ही नहीं निकाला; बल्कि उसने प्रोटीन को एक कार्यात्मक अवस्था में रखा जहाँ वह अभी भी अपने साथियों के साथ जुड़ सकता है।

उन्होंने मानव रिसेप्टर P2RY12 के साथ इसे एक कदम आगे बढ़ाया जो लीवर में पाया जाता है। यह रिसेप्टर एक विशिष्ट सिग्नल अणु पर लॉक होने के लिए बनाया गया है। "थर्मल प्रोटिओम प्रोफाइलिंग" (जो एक सूप को गर्म करने जैसा है यह देखने के लिए कि कौन सी सामग्रियां लंबे समय तक एक साथ जुड़ी रहती हैं) नामक तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने पाया कि जब रिसेप्टर को पेप्टर्जेंट के साथ निकाला गया, तो वह अभी भी अपने सिग्नल को पहचानता था और मजबूत हुआ। जब इसे पुराने साबुन के साथ निकाला गया, तो यह पूरी तरह से अनुत्तरदायी था। यह सुझाव देता है कि पेप्टर्जेंट इन प्रोटीनों के "नेटिव" (native) आकार को संरक्षित करता है, उन्हें अपना काम करने के लिए तैयार रखता है।

कॉम्प्लेक्स का नाजुक नृत्य
मेम्ब्रेन प्रोटीन अक्सर टीमों में काम करते हैं, बड़े, नाजुक ढांचे बनाते हैं। शोधकर्ताओं ने इसका परीक्षण "होलो-ट्रांसलोकोन" (holo-translocon) नामक एक विशाल मशीन के साथ किया, जो नौ अलग-अलग प्रोटीन भागों से मिलकर बनी है जो एक साथ काम करते हैं। पुराने साबुन के तरीके में, यह मशीन छोटे, बेकार टुकड़ों में टूट जाती है। लेकिन पेप्टर्जेंट्स के साथ, पूरा नौ-भागों वाला कॉम्प्लेक्स बरकरार रहा! वे पूरे कॉम्प्लेक्स को निकालने में सक्षम थे, जिसमें वे हिस्से भी शामिल थे जिन्हें लैब में ओवरप्रोड्यूस नहीं किया गया था, जो यह दर्शाता है कि यह विधि उन नाजुक, प्राकृतिक संयोजनों को संरक्षित करती है जो आमतौर पर साबुन द्वारा नष्ट हो जाते हैं।

लीवर का गुप्त नेटवर्क
जब टीम ने चूहे के लीवर से संपूर्ण "प्रोटिओम" (प्रोटीनों की पूरी सूची) को देखा, तो उन्हें कुछ दिलचस्प मिला। पुराने साबुन के तरीके ने कुल मिलाकर अधिक प्रोटीन पाए—पेप्टर्जेंट्स के साथ 1,944 की तुलना में लगभग 2,633 प्रोटीन। हालाँकि, डेटा की गुणवत्ता अलग थी। पेप्टर्जेंट विधि ने जो प्रोटीन खोजे, उनके लिए बहुत मजबूत, स्पष्ट सिग्नल उत्पन्न किए।

इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि पेप्टर्जेंट विधि में एक विशेष प्रतिभा थी: इसे लीवर के मेटाबॉलिक नेटवर्क से लगाव था। इसने साइटोक्रोम P450 (CYP) नामक प्रोटीनों के एक परिवार को प्राथमिकता से निकाला, जो दवाओं और विषाक्त पदार्थों को तोड़ने के लिए महत्वपूर्ण हैं, साथ ही उनके आवश्यक साथियों को भी। साबुन के तरीके ने इन्हें भी पाया, लेकिन पेप्टर्जेंट ने उन्हें बहुत अधिक प्रचुरता और बेहतर सिग्नल स्ट्रेंथ के साथ पाया। ऐसा लगता है कि कोमल जाल इन विशिष्ट, लिपिड-समृद्ध मेटाबॉलिक टीमों को एक साथ रखने में विशेष रूप से कुशल है।

क्या यह पूरे शरीर के लिए काम करता है?
यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह केवल लीवर का चमत्कार नहीं है, उन्होंने चूहे के मस्तिष्क पर इसका परीक्षण किया। लीवर की तरह ही, पेप्टर्जेंट्स के साथ निकाला गया मस्तिष्क का प्रोटिओम साबुन से निकाले गए प्रोटिओम के समान ही था, जो मस्तिष्क के ऊतकों के अद्वितीय "फिंगरप्रिंट" को संरक्षित करता है। दोनों विधियों के बीच मुख्य अंतर यह था कि साबुन ने अधिक कम-मात्रा वाले प्रोटीनों (प्रोटिओम के "भूतों") को पाया, जबकि पेप्टर्जेंट्स ने वास्तव में वहां मौजूद प्रोटीनों के लिए बहुत मजबूत सिग्नल दिया।

निर्णय

यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि पेप्टर्जेंट्स एक जादुई गोली हैं जो हर प्रोटीन को साबुन से बेहतर ढूंढते हैं। वास्तव में, लेखक स्पष्ट हैं: पुराना साबुन वाला तरीका अभी भी अधिक विविधता वाले प्रोटीन खोजता है, बस कमजोर सिग्नल और उनकी संरचना को अधिक नुकसान के साथ। हालाँकि, यह अध्ययन दृढ़ता से स्थापित करता है कि जब आप फंक्शन (कार्य) और स्ट्रक्चर (संरचना) की परवाह करते हैं, तो पेप्टर्जेंट्स मेम्ब्रेन प्रोटीन का अध्ययन करने का एक बेहतर तरीका प्रदान करते हैं।

यदि आप जानना चाहते हैं कि एक प्रोटीन कैसे चलता है, कैसे वह किसी दवा से जुड़ता है, या कैसे वह एक टीम के रूप में एक साथ रहता है, तो पेप्टर्जेंट्स ही सही रास्ता हैं। वे प्रोटीन की "नेटिव" स्थिति को संरक्षित करते हैं, जैविक कहानी को बरकरार रखते हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह विधि बेहतर ड्रग डिस्कवरी (दवा खोज) और यह समझने के लिए एक गहरा मार्ग खोलती है कि हमारी कोशिकाएं वास्तव में कैसे काम करती हैं, जो वैज्ञानिकों को मेम्ब्रेन प्रोटीनों की जटिल दुनिया को बिना उन चीजों को तोड़े एक्सप्लोर करने के लिए एक नया, कोमल उपकरण प्रदान करती है जिन्हें वे वास्तव में अध्ययन करने की कोशिश कर रहे हैं।