Cryo-EM of a nucleotide-polymerizing ribozyme enables its predictive improvement

एक ऐसे समय की कल्पना करें जब कंप्यूटर नहीं थे, डीएनए नहीं था, और यहाँ तक कि पहले सेल (कोशिका) का भी अस्तित्व नहीं था। वैज्ञानिकों के पास एक रोमांचक विचार है जिसे "आरएनए वर्ल्ड" (RNA World) कहा जाता है, जो यह सुझाव देता है कि जीवन की शुरुआत एक एकल, जादुई अणु से हुई थी: आरएनए। आपके शरीर में मौजूद डीएनए के विपरीत, जो मुख्य रूप से निर्देशों को संग्रहीत करने वाला एक निष्क्रिय पुस्तकालयाध्यक्ष (लाइब्रेरियन) है, यह प्राचीन आरएनए एक बहुआयामी सुपरहीरो था। यह न केवल सूचना रख सकता था, बल्कि एक छोटी मशीन, या "राइबोजाइम" (ribozyme) के रूप में कार्य भी कर सकता था, ताकि न्यूक्लियोटाइड्स नामक ढीले निर्माण खंडों का उपयोग करके अपनी प्रतियां बना सके। यदि हम प्रयोगशाला में एक ऐसा राइबोजाइम बना सकें जो वास्तव में अपनी प्रति स्वयं बना सके, तो यह इस बात का एक बड़ा सुराग होगा कि जीवन कैसे शुरू हुआ। सबसे बड़ी चुनौती? वैज्ञानिक वर्षों से इन स्व-प्रतिलिपि बनाने वाली मशीनों को बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन वे आंखों पर पट्टी बांधकर काम कर रहे हैं। उन्होंने इन अणुओं को परीक्षण और त्रुटि (trial and error) के माध्यम से विकसित किया है, लेकिन बिना 3D चित्र के कि वे वास्तव में कैसे दिखते हैं, यह वैसा ही है जैसे कि बिना कभी अंदर के गियर देखे एक जटिल घड़ी को ठीक करने की कोशिश करना।

यही वह पहेली है जिसे शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए अध्ययन में सुलझाया। उन्होंने एक विशिष्ट, अत्यंत उन्नत राइबोजाइम पर ध्यान केंद्रित किया जिसे tC19Z कहा जाता है, जिसे एक पॉलीमरेज़ (polymerase) की तरह कार्य करने के लिए डिज़ाइन किया गया है—एक ऐसी मशीन जो नई आरएनए बनाने के लिए न्यूक्लियोटाइड्स को एक साथ जोड़ती है। लंबे समय तक, वैज्ञानिक जानते थे कि यह मशीन काम करती है, लेकिन उन्हें यह नहीं पता था कि यह कैसे काम करती है क्योंकि वे इसकी आकृति नहीं देख सकते थे। इस शोध पत्र में, टीम ने एक उच्च-तकनीकी कैमरे का उपयोग किया जिसे क्रायो-ईएम (cryo-EM) कहा जाता है, ताकि 3.1 [Å] के रिज़ॉल्यूशन पर राइबोजाइम की एक आश्चर्यजनक रूप से स्पष्ट 3D फोटो ली जा सके। इस छवि ने मशीन की गुप्त वास्तुकला को प्रकट किया। उन्होंने पाया कि यह राइबोजाइम वास्तव में एक चतुर 'फ्रेंकेंस्टीन के राक्षस' जैसा है: यह एक पुराना "लाइगेज" (ligase - एक गोंद जैसा एंजाइम) है जिसे यादृच्छिक अनुक्रमों से बने एक बिल्कुल नए एक्सेसरी डोमेन के साथ अपग्रेड किया गया है। यह नया हिस्सा एक सहायक हाथ की तरह कार्य करता है, जो एक लूप-लूप हैंडशेक, मैग्नीशियम आयनों की एक सीवन और छह बेस के एक ढेर के माध्यम से पुराने मशीन को पकड़ता है। यह मूल सामग्री से बिल्कुल अलग सामग्रियों का उपयोग करके मशीन की अपने हिस्सों को पकड़ने वाली "पकड़" को भी फिर से बनाता है।

हालाँकि, सबसे रोमांचक खोज डिजाइन में छिपी एक बाधा है। शोधकर्ताओं ने एक "घोस्ट हैंडशेक" (ghost handshake) देखा—दो भागों के बीच एक युग्मन (pairing) जो राइबोजाइम के काम शुरू करने से पहले ही हो जाता है। यह हैंडशेक अणु के 5' सिरे को पकड़ लेता है, जिसे उस टेम्पलेट को पकड़ने के लिए स्वतंत्र होना चाहिए जिसकी उसे प्रतिलिपि बनाने की आवश्यकता है। यह एक निर्माण कार्यकर्ता की तरह है जो अपने औजार उठाने से पहले गलती से अपने जूतों के फीते आपस में ही बांध लेता है; मशीन काम करने के लिए तैयार है, लेकिन वह अपने ही बंधनों में उलझी हुई है। शोध पत्र सुझाव देता है कि यह आकस्मिक गांठ मशीन की गति को धीमा कर रही है। इसे सिद्ध करने के लिए, वैज्ञानिकों ने जेनेटिक कोड के साथ "म्यूजिकल चेयर्स" का खेल खेला, जिसमें राइबोजियम और उसके टेम्पलेट दोनों में विशिष्ट उत्परिवर्तन (mutations) पेश किए गए ताकि इस अवांछित हैंडशेक को तोड़ा जा सके। परिणाम? मशीन तेजी से काम करने लगी। हालाँकि इसका मतलब यह नहीं है कि हमारे पास अभी तक पूरी तरह से स्व-प्रतिकृति बनाने वाला जीवन रूप है, लेकिन ये निष्कर्ष बताते हैं कि यदि हम इन 3D संरचनाओं को समझने की प्रक्रिया को तेज कर सकें, तो हम इन आणविक मशीनों को बहुत अधिक कुशलता से अपनी प्रतिलिपि बनाने के लिए इंजीनियर कर सकते हैं, जो हमें जीवन की पहली चिंगारी को समझने के एक कदम करीब लाता है।