Optogenetic control of actin crosslinker length reveals a mechanical basis for cortical symmetry breaking
एक ऑप्टोजेनेटिक टूलबॉक्स का उपयोग करके एक्टिन क्रॉसलिंकर की लंबाई में हेरफेर करते हुए, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक्टिन कॉर्टेक्स के यांत्रिक गुण, विशेष रूप से इसकी कठोरता और स्ट्रेस-स्टिफनिंग व्यवहार, एक लंबाई-निर्भर स्विच को एनकोड करते हैं जो यह निर्धारित करता है कि कोशिकाएं कॉर्टिकल डेलैमिनेशन (delamination) करती हैं या ध्रुवीकरण (polarization) और समरूपता भंग (symmetry breaking) करती हैं।
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प्रत्येक जंतु कोशिका एक पतली, गतिशील त्वचा में लिपटी होती है जो एक्टिन नामक प्रोटीन धागों के उलझे हुए जाल से बनी होती है। कोशिका झिल्ली के ठीक नीचे, यह नेटवर्क एक मचान (scaffold) के रूप में कार्य करता है, जो कोशिका को उसका आकार और गति करने, विभाजित होने या रूप बदलने की क्षमता प्रदान करता है। कार्य करने के लिए, इस त्वचा को कसने, ढीला होने और बहने में सक्षम होना चाहिए। इन परिवर्तनों को संचालित करने वाला इंजन मायोसिन नामक एक आणविक मोटर है, जो तनाव उत्पन्न करने के लिए एक्टिन धागों को खींचता है। हालाँकि, ये धागे अकेले काम नहीं करते हैं; इन्हें क्रॉसलिंकर्स (crosslinkers) के एक विविध परिवार द्वारा एक साथ थाम कर रखा जाता है। ये क्रॉसलिंकर्स छोटे पुलों की तरह कार्य करते हैं, जो एक्टिन फिलामेंट्स को एक-दूसरे से जोड़ते हैं। प्रकृति ने इन विभिन्न प्रकार के पुलों के कई रूप विकसित किए हैं, जो लंबाई और संरचना में भिन्न होते हैं, लेकिन वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात को समझने के लिए संघर्ष कर रहे थे कि एक कोशिका किसी विशेष कार्य के लिए एक विशिष्ट लंबाई को क्यों चुनती है। क्या यह केवल कितने पुल मौजूद हैं इसका मामला है, या पुल का भौतिक आकार ही यह निर्धारित करता है कि कोशिका कैसे व्यवहार करेगी?
यूरोपीय आणविक जीव विज्ञान प्रयोगशाला (European Molecular Biology Laboratory) और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक कस्टम टूल सेट बनाकर इस प्रश्न का उत्तर देने का प्रयास किया, जिसने उन्हें प्रकाश के माध्यम से इन पुलों की लंबाई को नियंत्रित करने की अनुमति दी। उन्होंने एक सिंथेटिक प्रोटीन इंजीनियर किया जो एक्टिन से जुड़ सकता था और नीली रोशनी पड़ने पर, वह अपने ही अन्य प्रतियों से चिपक जाता था, जिससे प्रभावी रूप से एक्टिन नेटवर्क क्रॉसलिंक हो जाता था। विभिन्न आकारों के पुल बनाने के लिए, उन्होंने प्रोटीन में एक कठोर, मॉड्यूलर स्पेसर (spacer) डाला। इस स्पेसर की एक इकाई जोड़ने से उन्होंने एक छोटा पुल बनाया; सात इकाइयाँ जोड़ने से उन्होंने एक लंबा पुल बनाया। इसके बाद उन्होंने इन प्रकाश-संवेदनशील प्रोटीनों को चूहे की कोशिकाओं में पेश किया और एक चुंबकीय पिंजर (magnetic pincher)—एक ऐसा उपकरण जो कोशिका की सतह को धीरे से दबाने के लिए सूक्ष्म चुंबकीय मोतियों का उपयोग करता है—का उपयोग करके यह मापा कि कोशिका की त्वचा बल के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि पुल की लंबाई ने मायोसिन मोटर्स की उपस्थिति के आधार पर कोशिका की त्वचा के यांत्रिक गुणों को मौलिक रूप से बदल दिया। जब उन्होंने सबसे छोटे पुलों को सक्रिय किया, तो कोशिका की त्वचा सख्त हो गई लेकिन उसकी मोटाई में अधिक परिवर्तन नहीं हुआ। जब उन्होंने मध्यम लंबाई के पुलों को सक्रिय किया, तो त्वचा मोटी हो गई, और यह मोटा होना मायोसिन मोटर्स की गतिविधि में वृद्धि के कारण हुआ। हालाँकि, सबसे लंबे पुलों ने पूरी तरह से एक अलग प्रभाव डाला: उन्होंने त्वचा को काफी मोटा और विरूपण (deformation) के प्रति प्रतिरोधी बना दिया। महत्वपूर्ण रूप से, ये यांत्रिक परिवर्तन केवल निष्क्रिय प्रतिक्रियाएं नहीं थे; पुल की लंबाई ने यह निर्धारित किया कि नेटवर्क तनाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है। छोटे पुलों ने नेटवर्क को दबाने पर अत्यधिक सख्त कर दिया, जिसे स्ट्रेस-स्टिफनिंग (stress-stiffening) कहा जाता है, जबकि लंबे पुलों ने अधिक रैखिक और स्थिर प्रतिक्रिया दिखाई।
जब शोधकर्ताओं ने प्रकाश-सक्रिय पुलों को लंबे समय तक काम करने दिया, तो लंबाई के अंतर के कारण कोशिका के लिए दो पूरी तरह से विपरीत परिणाम निकले। छोटे या मध्यम लंबाई के पुलों वाली कोशिकाओं में, झिल्ली के नीचे का एक्टिन नेटवर्क सतह से अलग होने लगा, जिसे डेलैमिनेशन (delamination) कहा जाता है। त्वचा अनिवार्य रूप से अंदर की ओर ढह गई, जिससे बाहरी सीमा के साथ उसका संबंध टूट गया। इसके बिल्कुल विपरीत, जब लंबे पुलों को सक्रिय किया गया, तो कोशिका ढही नहीं। इसके बजाय, एक्टिन नेटवर्क कोशिका के एक तरफ एक एकल, घने धब्बे में एकत्र हो गया, जिससे कोशिका की समरूपता (symmetry) टूट गई और एक स्पष्ट अग्र भाग (front) और पश्च भाग (back) बन गया। यह ध्रुवीकरण (polarization) पहला कदम है जो एक कोशिका एक विशिष्ट दिशा में चलने का निर्णय लेती है।
अध्ययन से पता चला कि डेलैमिनेशन और ध्रुवीकरण के बीच यह स्विच यादृच्छिक नहीं था बल्कि क्रॉसलिंकर की लंबाई और मायोसिन मोटर्स की गतिविधि द्वारा कड़ाई से नियंत्रित था। जब शोधकर्ताओं ने ड्रग (दवा) के माध्यम से मायोसिन मोटर्स को अवरुद्ध किया, तो लंबे पुल कोशिका को ध्रुवीकृत करने में सक्षम नहीं थे, और कोशिकाएं गोल और सममित बनी रहीं। इसने सिद्ध किया कि लंबे पुलों के माध्यम से कोशिका को व्यवस्थित करने के लिए मायोसिन मोटर्स आवश्यक थे। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने पाया कि वे मध्यम लंबाई के पुलों के प्राकृतिक व्यवहार को भी बदल सकते हैं। सामान्यतः, ये पुल कोशिका को डेलैमिनेशन की ओर ले जाते थे, लेकिन जब शोधकर्ताओं ने दवा का उपयोग करके एक्टिन धागों के प्राकृतिक टर्नओवर को थोड़ा धीमा कर दिया, तो मध्यम लंबाई के पुल अचानक ध्रुवीकरण को प्रेरित करने लगे। इससे पता चला कि कोशिका का आगे बढ़ने या ढह जाने का निर्णय नेटवर्क की भौतिक वास्तुकला और उसके घटकों के पुनर्चक्रण (recycling) की गति के बीच एक नाजुक संतुलन है।
अंत में, टीम ने दिखाया कि इस आणविक विकल्प के कोशिका की गति पर वास्तविक दुनिया के परिणाम होते हैं। जब उन्होंने लंबे पुलों द्वारा ध्रुवीकृत की गई कोशिकाओं को एक निश्चित स्थान से मुक्त किया, तो कोशिकाएं फैल गईं और एक निर्देशित रेखा में आगे बढ़ीं, उस पथ का अनुसरण करते हुए जो ध्रुवीकरण द्वारा स्थापित किया गया था। छोटे पुलों वाली कोशिकाएं, जो डेलैमिनेट हो गई थीं, उनमें यह निर्देशित गति नहीं देखी गई। निष्कर्ष दर्शाते हैं कि कोशिका को कैसे चलना है यह तय करने के लिए अपनी आंतरिक रसायन विज्ञान को लगातार पुनर्गठित करने की आवश्यकता नहीं है; इसके बजाय, उसकी त्वचा में प्रोटीन पुलों की भौतिक लंबाई एक अंतर्निहित डायल (dial) के रूप में कार्य करती है। केवल इन क्रॉसलिंकर्स की लंबाई को समायोजित करके, एक कोशिका अपने संपूर्ण यांत्रिक अवस्था को बदल सकती है, जिससे वह अपनी संरचना को सुदृढ़ करने, ढहने या आगे बढ़ने के लिए तैयार होने के बीच चयन कर सकती है। यह एक मौलिक सिद्धांत को प्रकट करता है जहाँ किसी सामग्री की भौतिक वास्तुकला सीधे उस जीवित प्रणाली के व्यवहार को कोड करती है जिसका वह समर्थन करती है।
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