Cryo-EM Structure of a Triazole alpha-Conotoxin GI Mimetic Bound to the Muscle-Type Nicotinic Acetylcholine Receptor

मानव शरीर गति को संभव बनाने के लिए तंत्रिका कोशिकाओं और मांसपेशियों के बीच एक निरंतर, तीव्र संवाद पर निर्भर करता है। यह संवाद उन सूक्ष्म जंक्शनों पर होता है जहाँ तंत्रिकाओं द्वारा छोड़े गए रासायनिक संदेशवाहक, मांसपेशी की सतह पर विशिष्ट रिसेप्टर्स से जुड़ते हैं। इनमें से सबसे महत्वपूर्ण रिसेप्टर्स में से एक मांसपेशी-प्रकार का निकोटिनिक एसिटाइलकोलाइन रिसेप्टर है, जो एक आणविक द्वार की तरह है जो संकेतों को गुजरने देने के लिए खुलता है, जिससे मांसपेशी को संकुचित होने का निर्देश मिलता है। जब यह प्रणाली सही ढंग से कार्य करती है, तो हम चल सकते हैं, सांस ले सकते हैं और वस्तुओं को पकड़ सकते हैं। जब यह विफल हो जाती है या विषाक्त पदार्थों द्वारा बाधित होती है, तो गति रुक जाती है। वैज्ञानिक लंबे समय से ऐसे प्राकृतिक यौगिकों का अध्ययन करते रहे हैं जो इन रिसेप्टर्स के साथ अत्यधिक सटीकता से जुड़ सकते हैं, इस उम्मीद में कि वे इनके आकार और कार्य को इतनी अच्छी तरह समझ सकें कि नए उपचार (दवाएं) बना सकें। इनमें सबसे शक्तिशाली प्राकृतिक यौगिकों में से एक कोन स्नेल्स (cone snails) के विष में पाए जाने वाले छोटे पेप्टाइड्स हैं, जो इन रिसेप्टर्स के तालों में फिट होने के लिए डिज़ाइन की गई अत्यधिक विशिष्ट चाबियों की तरह कार्य करते हैं। हालाँकि, ये प्राकृतिक चाबियाँ नाजुक होती हैं; उनकी संरचना दो सल्फर-युक्त अमीनो एसिड के बीच बने रासायनिक पुलों पर निर्भर करती है, जिन्हें तोड़ना आसान होता है, जिससे उन्हें स्टोर करना, संश्लेषित करना या स्थिर दवाओं के रूप में उपयोग करना कठिन हो जाता है।

शोधकर्ताओं ने इन प्राकृतिक चाबियों में से एक को पुन: डिज़ाइन करके इस नाजुकता की समस्या को हल करने का प्रयास किया, जिसे अल्फा-कोनोटॉक्सिन GI (alpha-conotoxin GI) के रूप में जाना जाता है, जो मांसपेशी-प्रकार के रिसेप्टर का एक चयनात्मक अवरोधक है। प्राकृतिक संस्करण इस पेप्टाइड को एक विशिष्ट पुल का उपयोग करके अपने आकार को बनाए रखता है जो दो सल्फर-युक्त अमीनो एसिड के बीच बनता है। अधिक स्थिर संस्करण बनाने के लिए, टीम ने इस सल्फर ब्रिज को एक अलग रासायनिक संरचना से बदल दिया जिसे ट्राइएज़ोल (triazole) कहा जाता है, जो परमाणुओं का एक वलय (ring) है जो मूल ब्रिज के आकार और अंतराल की नकल करता है लेकिन इसे तोड़ना बहुत कठिन है। उन्होंने इन नए अणुओं को पूरी तरह से अपने हाथों से बनाया, रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करके टुकड़ों को एक ठोस आधार पर जोड़ा, जिससे दो मुख्य प्रकार के प्रतिस्थापन तैयार हुए: एक जिसमें परमाणुओं की एक विशिष्ट व्यवस्था जिसे 1,4-डिसबस्टिट्यूटेड (1,4-disubstituted) कहा जाता है, और दूसरा जिसे 1,5-डिसबस्टिट्यूटेड (1,5-disubstituted) कहा जाता है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये कृत्रिम प्रतिस्थापन पेप्टाइड को सही आकार में रख सकते हैं और क्या वे प्राकृतिक विष की तरह ही मजबूती से रिसेप्टर से जुड़ सकते हैं।

जब टीम ने इन नए अणुओं का मानव मांसपेशी रिसेप्टर्स के विरुद्ध परीक्षण किया, तो परिणामों ने दिखाया कि परमाणुओं की व्यवस्था अत्यंत महत्वपूर्ण थी। 1,5-व्यवस्था वाले संस्करण ने उल्लेखनीय प्रदर्शन किया, जो लो-नैनोमोलर (low-nanomolar) रेंज में रिसेप्टर से जुड़ा, जो मूल प्राकृतिक पेप्टाइड की शक्ति के तुलनीय है। इसके विपरीत, दूसरी व्यवस्था उतनी प्रभावी नहीं रही। इसने पुष्टि की कि 1,5-ट्राइएज़ोल रिंग की विशिष्ट ज्यामिति ही सही आकार बनाए रखने की कुंजी थी। यह समझने के लिए कि यह वास्तव में कैसे काम करता है, शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली इमेजिंग तकनीक जिसका नाम क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (cryo-electron microscopy) है, का उपयोग किया ताकि लीड अणु की रिसेप्टर के भीतर बैठी हुई एक प्रत्यक्ष, उच्च-रिज़ॉल्यूशन तस्वीर ली जा सके। इसने एक ऐसे पेप्टाइड का पहला स्पष्ट दृश्य प्रदान किया जो गैर-सल्फर ब्रिज का उपयोग करता है और एक झिल्ली रिसेप्टर (membrane receptor) से जुड़ा हुआ है।

छवियों से पता चला कि कृत्रिम अणु रिसेप्टर में लगभग ठीक उसी तरह फिट बैठता है जैसे प्राकृतिक वाला। ट्राइएज़ोल रिंग ने सफलतापूर्वक पेप्टाइड को उसके मूल फोल्ड (native fold) में बनाए रखा, जिससे दवा के कार्य करने के लिए आवश्यक समग्र आकार सुरक्षित रहा। हालाँकि, संरचना ने कुछ अप्रत्याशित भी दिखाया: ट्राइएज़ोल रिंग स्वयं रिसेप्टर तक पहुँचती है और रिसेप्टर के साथ नए संपर्क बनाती है जो मूल सल्फर ब्रिज नहीं बना सकता था। ये अतिरिक्त संपर्क सुझाव देते हैं कि कृत्रिक अणु कुछ तरीकों से और भी अधिक मजबूती से जुड़ सकता है। इसकी पुष्टि करने के लिए, टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन चलाया जिसने समय के साथ अणुओं की गति को मॉडल किया। इन सिमुलेशन ने दिखाया कि पेप्टाइड और रिसेप्टर के आसपास के पानी के अणु प्राकृतिक और कृत्रिम दोनों संस्करणों के लिए बहुत समान व्यवहार करते हैं, और अणु उसी पैटर्न में डगमगाया और स्थानांतरित हुआ। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि ट्राइएज़ोल सल्फर ब्रिज के प्रभावी विकल्प के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो इन शक्तिशाली पेप्टाइड्स को उनके लक्ष्यों के साथ बातचीत करने की क्षमता खोए बिना स्थिर करने का एक तरीका प्रदान करते हैं, जिससे भविष्य के अधिक स्थिर चिकित्सीय उपचारों को डिजाइन करने के लिए एक ठोस संरचनात्मक आधार मिलता है।