Structure of an RNA polymerase ribozyme replication complex
यह शोध पत्र एक आरएनए पॉलीमरेज़ राइबोजाइम प्रतिकृति कॉम्प्लेक्स (RNA polymerase ribozyme replication complex) की संरचना प्रस्तुत करता है, जो यह प्रकट करता है कि कैसे निर्देशित विकास (directed evolution) ने एक संरक्षित उत्प्रेरक कोर को प्रोटीन पॉलीमरेज़ के समान एक "दाहिने हाथ" (right hand) की विन्यास में आकार दिया ताकि आनुवंशिक सामग्री की प्रतिलिपि बनाने की सुविधा मिल सके।
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जीवन की शुरुआत एक ऐसे अणु से हुई थी जो अपनी प्रतिलिपि (कॉपी) बना सकता था। कोशिकाओं से पहले, प्रोटीन से पहले, और आधुनिक जीव विज्ञान की जटिल मशीनरी से पहले, संभवतः एक ऐसी दुनिया थी जो पूरी तरह से आरएनए (RNA) से बनी थी। इस प्राचीन युग में, आरएनए दोहरी भूमिका निभाता था: यह आज के डीएनए की तरह आनुवंशिक निर्देश ले जाता था, और रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए एक उत्प्रेरक (कैटालिस्ट) के रूप में भी कार्य करता था, जो एक ऐसा काम है जिसे अब मुख्य रूप से प्रोटीन द्वारा संभाला जाता है। इस प्रारंभिक जीवन के लिए सबसे महत्वपूर्ण कार्य प्रतिकृति बनाना (रेप्लिकेशन) था। जीवित रहने और विकसित होने के लिए, एक आरएनए अणु को एक टेम्पलेट स्ट्रैंड को पढ़ने और पानी में तैरते छोटे निर्माण खंडों (building blocks) का उपयोग करके एक मिलान करने वाली प्रति बनाने में सक्षम होना आवश्यक था। वैज्ञानिक लंबे समय से संदेह करते रहे हैं कि एक विशिष्ट प्रकार के आरएनए एंजाइम, जिसे राइबोजाइम (ribozyme) कहा जाता है, ने यह कार्य किया होगा। हालांकि, दशकों तक यह विचार केवल एक परिकल्पना ही बना रहा क्योंकि किसी ने भी ऐसी मशीन की संरचना को कार्य करते हुए नहीं देखा था।
वर्षों तक, शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला में इस प्राचीन प्रक्रिया को फिर से बनाने का प्रयास किया। उन्होंने यादृच्छिक (random) आरएनए अनुक्रमों का एक समूह लिया और 'डायरेक्टेड इवोल्यूशन' (निर्देशित विकास) नामक एक विधि का उपयोग किया ताकि उन अनुक्रमों को चुना जा सके जो एक विशिष्ट कार्य कर सकें, ठीक वैसे ही जैसे कुत्तों को एक विशेष गुण के लिए पाला जाता है लेकिन इसे टेस्ट ट्यूब में किया गया। कई पीढ़ियों के बाद, उन्होंने एक सरल आरएनए लाइगेज (ligase) को विकसित किया, जो एक ऐसा एंजाइम है जो आरएनए के दो टुकड़ों को आपस में जोड़ता है, और उसे एक अधिक जटिल मशीन में बदल दिया जो आरएनए स्ट्रैंड्स की नकल करने में सक्षम है। यह नई मशीन, जिसे पॉलीमरेज़ राइबोजाइम कहा जाता है, बढ़ते हुए चेन में एक-एक करके न्यूक्लियोटाइड्स जोड़ सकती है। इस मशीन का नवीनतम संस्करण, जिसका नाम 85h34 है, अब तक का सबसे उन्नत संस्करण है, जो उच्च सटीकता के साथ लंबे और जटिल आरएनए अनुक्रमों की नकल करने में सक्षम है। लेकिन यह वास्तव में कैसे काम करता है, यह देखने के लिए केवल इसके कार्य को देखना पर्याप्त नहीं था; वैज्ञानिकों को इसे समय में स्थिर करना था और अपने औजारों को थामे हुए इसकी आंतरिक संरचना की तस्वीर लेनी थी।
साल्क इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब बिल्कुल यही किया है। उन्होंने अपने आरएनए टेम्पलेट, एक प्राइमर स्ट्रैंड और एक आने वाले निर्माण खंड (building block) से बंधे हुए 85h34 पॉलीमरेज़ राइबोजाइम की एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवि कैप्चर की है। 'क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी' नामक एक शक्तिशाली इमेजिंग तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने 2.8 एंगस्ट्रॉम के रिज़ॉल्यूशन पर इस जटिल संरचना को देखा, जो इतना सूक्ष्म स्तर है कि व्यक्तिगत परमाणुओं को भी देखा जा सके। परिणामी संरचना यह प्रकट करती है कि यह आरएनए मशीन कैसे बनी है और यह आनुवंशिक कोड की नकल करने के नाजुक कार्य को करने के लिए अपने हिस्सों को कैसे थामे रखती है। छवि दिखाती है कि राइबोजाइम स्ट्रैंड्स का कोई यादृच्छिक उलझा हुआ ढेर नहीं है, बल्कि एक अत्यधिक संगठित संरचना है जिसके अलग-अलग हिस्से एक सुव्यवस्थित मशीन की तरह मिलकर काम करते हैं।
संरचना दर्शाती है कि राइबोजाइम एक संरक्षित कोर (conserved core) के चारों ओर निर्मित है, जो एक केंद्रीय इंजन है जो अपने पूर्वज, क्लास I लाइगेज से काफी हद तक अपरिवर्तित रहा है। यह कोर वह सक्रिय स्थल (active site) बनाता है जहाँ रासायनिक प्रतिक्रिया होती है। इस कोर के चारोंกัน नए विकसित हुए खंड हैं जो कार्यात्मक मॉड्यूल के रूप में कार्य करते हैं। एक खंड, जिसे एक्सेसरी डोमेन (accessory domain) कहा जाता है, कोर के ऊपर से ढका हुआ है और आने वाले निर्माण खंड को पकड़ने के लिए नीचे तक पहुँचता है। एक अन्य हेलिकल विस्तार, जिसे P8 स्यूडोनॉट (pseudoknot) कहा जाता है, एक डॉकिंग प्लेटफॉर्म के रूप में कार्य करता है जो टेम्पलेट और प्राइमर स्ट्रैंड्स को मजबूती से थामे रखता है। ये अतिरिक्त हिस्से केवल सजावटी नहीं हैं; वे मशीन के कुशलतापूर्वक कार्य करने के लिए आवश्यक हैं। इनके बिना, राइबोजिम उन स्ट्रैंड्स को पकड़ने के लिए संघर्ष करेगा जिन्हें उसे कॉपी करना है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि इस आरएनए मशीन का संगठन आधुनिक कोशिकाओं में प्रोटीन-आधारित पॉलीमरेज़ के काम करने के तरीके के आश्चर्यजनक रूप से समान है। प्रोटीन एंजाइमों में, वैज्ञानिक अक्सर इसकी आकृति को एक 'दाहिने हाथ' के रूप में वर्णित करते हैं, जिसमें एक हथेली (palm) होती है जो सक्रिय स्थल को पकड़ती है, उंगलियां (fingers) होती हैं जो आने वाले निर्माण खंड को पकड़ती हैं, और एक अंगूठा (thumb) होता है जो टेम्पलेट स्ट्रैंड को स्थिर करता है। 85h34 राइबोजाइम इसी सटीक व्यवस्था की नकल करता है। राइबोजाइम का प्राचीन कोर हथेली का काम करता है। एक्सेसरी डोमेन उंगलियों के रूप में कार्य करता है, जो आने वाले निर्माण खंड को सटीक रूप से टेम्पलेट के ऊपर स्थित करता है। P8 स्यूडोनॉट और अन्य संरचनात्मक तत्व अंगूठे के रूप में कार्य करते हैं, जो टेम्पलेट और प्राइमर को स्थिर रखने के लिए उन्हें जकड़ लेते हैं। यह समानता बताती है कि आनुवंशिक सामग्री की नकल करने के लिए "दाहिने हाथ" की आकृति एक मौलिक समाधान है, जिसे विकास (evolution) ने आरएनए और प्रोटीन दोनों दुनियाओं में स्वतंत्र रूप से प्राप्त किया है।
सक्रिय स्थल के भीतर, राइबोजाइम आने वाले निर्माण खंड को व्यवस्थित करने के लिए "एडेनिन स्टैक" (adenine stack) नामक एक अद्वितीय संरचनात्मक विशेषता का उपयोग करता है। यह स्टैक एडेनिन बेस (एक प्रकार का न्यूक्लियोटाइड) की एक श्रृंखला द्वारा बनाया गया है, जो एक मीनार की तरह एक के ऊपर एक व्यवस्थित हैं। यह मीनार आने वाले निर्माण खंड को इस तरह उन्मुख करने में मदद करती है ताकि वह टेम्पलेट स्ट्रैंड के साथ पूरी तरह से मेल खा सके। संरचना यह भी दिखाती है कि राइबोजाइम सटीकता की जांच कैसे करता है। मशीन के विशिष्ट हिस्से कॉपी साइट से ठीक आगे टेम्पलेट स्ट्रैंड के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता कि प्रतिक्रिया आगे बढ़ने से पहले निर्माण खंड सही ढंग से फिट हो जाए। यदि निर्माण खंड टेम्पलेट से मेल नहीं खाता है, तो मशीन रुक जाती है, जिससे त्रुटियों को कॉपी होने से रोका जा सके। आनुवंशिक कोड की शुद्धता बनाए रखने के लिए यह तंत्र अत्यंत महत्वपूर्ण है, जो यह सुनिश्चित करता है कि कॉपी की गई जानकारी सटीक बनी रहे।
यह अध्ययन इस बात पर भी प्रकाश डालता है कि निर्देशित विकास (directed evolution) ने इस अणु को कैसे आकार दिया। आधुनिक 85h34 राइबोजाइम की संरचना की तुलना अपने पूर्वजों से करके, शोधकर्ता देख सके कि परिवर्तन कहाँ हुए। उन्होंने पाया कि कोर इंजन स्थिर रहा, जबकि आसपास के हिस्सों को मशीन के अपने सबस्ट्रेट्स को पकड़ने के तरीके और सही निर्माण खंडों के चयन में सुधार करने के लिए विकसित किया गया। वे उत्परिवर्तन (mutations) जिन्होंने मशीन की टेम्पलेट और निर्माण खंड को बांधने की क्षमता में सुधार किया, कई पीढ़ियों में संचित होते गए, जिससे संरचना एक अत्यधिक कुशल कॉपी करने वाली मशीन में परिष्कृत हो गई। उदाहरण के लिए, P8 स्यूडोनॉट के विकास ने राइबोजाइम को टेम्पलेट को बहुत उच्च आकर्षण (affinity) के साथ बांधने की अनुमति दी, जिससे पिछले संस्करणों की एक बड़ी सीमा हल हो गई।
यह कार्य उस अणु की कार्यप्रणाली की एक दुर्लभ झलक प्रदान करता है जो पृथ्वी पर पहला एंजाइम रहा होगा। यह प्रदर्शित करता है कि आरएनए, प्रोटीन की सहायता के बिना, लंबी स्ट्रैंड्स की नकल करने जैसे जटिल कार्य करने के लिए विकसित हो सकता है। संरचना इस बात की पुष्टि करती है कि आणविक पहचान और उत्प्रेरण (catalysis) के सिद्धांत सार्वभौमिक हैं, जो दोनों आरएनए और प्रोटीन उत्प्रेरकों पर लागू होते हैं। हालाँकि शोधकर्ता अभी यह साबित नहीं कर सकते कि यह सटीक अणु दूर के अतीत में मौजूद था, लेकिन संरचना दिखाती है कि एक आरएनए अणु के लिए स्वयं की प्रतिकृति बनाना भौतिक रूप से संभव है। यह जीवन की शुरुआत के लिए एक ठोस मॉडल प्रस्तुत करता है, जो दिखाता है कि सरल रसायन विज्ञान से जटिल जीव विज्ञान तक का संक्रमण उन आरएनए अणुओं के प्राकृतिक चयन द्वारा संचालित हो सकता था जो खुद की नकल करने में बेहतर थे।
इन निष्कर्षों के जीवन की उत्पत्ति के बारे में हमारी समझ पर भी प्रभाव हैं। तथ्य यह है कि एक आरएनए एंजाइम प्रोटीन एंजाइमों की संरचना और कार्य की नकल करने के लिए विकसित हो सकता है, यह सुझाव देता है कि "दाहिने हाथ" का विन्यास पॉलीमराइजेशन के लिए एक मजबूत समाधान है। इसका तात्पर्य यह है कि यदि जीवन की शुरुआत आरएनए के साथ हुई थी, तो इसने संभवतः प्रयोगशाला में देखे गए मार्ग के समान ही पथ का अनुसरण किया होगा, जहाँ सरल अणु प्राकृतिक चयन के माध्यम से धीरे-धीरे जटिल मशीनों में विकसित हुए। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने जीवन के पहले क्षण को फिर से बनाया है, लेकिन यह एक संभावित मार्ग दिखाता है कि कैसे एक स्व-प्रतिकृति प्रणाली उभर सकती थी और विकसित हो सकती थी।
अंततः, 85h34 राइबोजाइम की संरचना विकास की शक्ति का प्रमाण है। यह दिखाता है कि कैसे एक सरल शुरुआती बिंदु, आरएनए अनुक्रमों का एक यादृच्छिक समूह, चयनात्मक दबाव (selective pressure) द्वारा एक परिष्कृत मशीन के रूप में आकार दिया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने न केवल एक स्थिर चित्र देखा है; उन्होंने उन हिस्सों की गतिशील अंतःक्रिया को भी देखा है जो इस अणु को आनुवंशिक जानकारी को पढ़ने, कॉपी करने और संरक्षित करने की अनुमति देता है। यह कार्य सैद्धांतिक 'आरएनए वर्ल्ड' और आणविक संरचनाओं की मूर्त वास्तविकता के बीच के अंतर को पाटता है, जो एक स्पष्ट दृश्य प्रदान करता है कि जीवन की शुरुआत कैसे एक एकल, स्व-प्रतिलिपि बनाने वाले अणु के साथ हुई होगी।
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