Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores

जीवन, अपने सभी रूपों में, सबसे छोटे बैक्टीरिया से लेकर सबसे बड़ी व्हेल तक, एक मौलिक रहस्य साझा करता है: अपने आस-पास सब कुछ बदलने के बावजूद खुद को समान बनाए रखने की क्षमता। इस आंतरिक स्थिरता को होमियोस्टैसिस (homeostasis) कहा जाता है। यही वह कारण है जिससे आपका शरीर मौसम बदलने पर भी अपने तापमान को स्थिर रखता है, या क्यों भोजन के बाद आपके रक्त शर्करा का स्तर संतुलित रहता है। जीवित चीजें ऐसा स्थिर होकर नहीं, बल्कि लगातार अपनी आंतरिक स्थिति को महसूस करके और सूक्ष्म, स्वचालित समायोजन करके करती हैं। वे महसूस करते हैं कि जब कोई रसायन बहुत अधिक हो जाता है तो उसका उत्पादन धीमा कर देते हैं, या जब वह बहुत कम होता है तो उसे तेज कर देते हैं। यह नाजुक संतुलन ही है जो जीवन को बने रहने में सक्षम बनाता है। वैज्ञानिकों के लिए, जो शून्य से कृत्रिम जीवन बनाने की कोशिश कर रहे हैं, एक ऐसा सिस्टम बनाना जो अपने आप ऐसा कर सके, सबसे कठिन चुनौतियों में से एक रहा है। अधिकांश मानव-निर्मित कोशिकाएं बंद कमरों की तरह होती हैं; एक बार जब अंदर के घटक समाप्त हो जाते हैं, तो प्रतिक्रियाएं रुक जाती हैं, और सिस्टम मर जाता है। उनमें बाहरी दुनिया से ताजा ईंधन खींचने और उस अंतर्ग्रहण (intake) को नियंत्रित करने की क्षमता की कमी होती है जो अंदर हो रही गतिविधियों पर आधारित हो।

सर्रे विश्वविद्यालय और यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसी छोटी, कृत्रिम कोशिका बनाई है जो बिल्कुल यही कर सकती है। उन्होंने एक सूक्ष्म बुलबुला बनाया जो अपनी आंतरिक रसायन विज्ञान को महसूस कर सकता है और अपनी गतिविधि को स्थिर रखने के लिए कितना ईंधन अंदर आने देना है, इसे स्वचालित रूप से समायोजित कर सकता है। हाल ही में एक अध्ययन में वर्णित यह प्रणाली, एक स्व-नियामक लूप (self-regulating loop) बनाने के लिए डीएनए संरचनाओं और एंजाइमों के एक चतुर संयोजन का उपयोग करती है। शोधकर्ताओं ने केवल इसे होते हुए देखा नहीं; उन्होंने घटकों का निर्माण किया, उन्हें एक लिपिड बुलबुले के भीतर असेंबल किया, और सिस्टम को सोलह घंटों तक एक स्थिर अवस्था बनाए रखते हुए देखा, जो ऐसे सरल सिंथेटिक निर्माण के लिए एक उल्लेखनीय लंबा समय है।

उन्होंने जो कृत्रal कोशिका बनाई है वह एक 'जायंट यूनिलेमरल वेसिकल' (giant unilamellar vesicle) है, जो अनिवार्य रूप से वसा के अणुओं की एक एकल परत से बना एक बड़ा, खोखला गोला है, जो वास्तविक कोशिका की झिल्ली के समान है। इस बुलबुले के भीतर, शोधकर्ताओं ने आरएनए (RNA) बनाने के लिए आवश्यक मशीनरी रखी, जो एक अणु है जो जैविक प्रणालियों में एक संदेशवाहक और कार्यकर्ता के रूप में कार्य करता है। उन्होंने आरएनए को तोड़ने की एक प्रणाली भी जोड़ी। हालाँकि, महत्वपूर्ण नवाचार बुलबुले की त्वचा (skin) में निहित है। शोधकर्ताओं ने झिल्ली में डीएनए से बनी सूक्ष्म, नली जैसी संरचनाओं को स्थापित किया। ये डीएनए ट्यूब द्वार या छिद्रों के रूप में कार्य करते हैं, जिससे छोटे अणु गुजर सकते हैं। विशेष रूप से, वे राइबोन्यूक्लियोटाइड ट्राइफॉस्फेट्स (rNTPs) को बाहर के वातावरण से बुलबुले के अंदर बहने की अनुमति देते हैं। ये rNTPs वे निर्माण खंड हैं जिनकी कोशिका को आरएनए बनाने के लिए आवश्यकता होती है।

इस डिजाइन की प्रतिभा इस बात में है कि कोशिका इस प्रवाह को कैसे नियंत्रित करती है। डीएनए छिद्र स्थायी रूप से खुले नहीं होते; उन्हें अवरुद्ध किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने सिस्टम को इस तरह प्रोग्राम किया कि जब कोशिका आरएनए बनाती है, तो वह एक विशिष्ट प्रकार का आरएनए स्ट्रैंड भी बनाती है जो एक ब्लॉकर (अवरोधक) के रूप में कार्य करता है। जैसे-जैसे कोशिका अधिक आरएनए बनाती है, ये ब्लॉकर स्ट्रैंड जमा होते जाते हैं और भौतिक रूप से डीएनए छिद्रों को बंद कर देते हैं, जिससे नए rNTPs का प्रवाह रुक जाता है। यह एक नकारात्मक फीडबैक लूप बनाता है: कोशिका जितना अधिक काम करती है, वह अपने स्वयं के ईंधन आपूर्ति को उतना ही अधिक बंद कर देती है। हालाँकि, सिस्टम को बंद रहने के लिए नहीं बनाया गया है। बुलबुले के भीतर, आरनेज़ (RNase) नामक एक एंजाइम धीरे-धीरे आरएनए को खा जाता है। जैसे-जैसे ब्लॉकर्स का क्षरण होता है, छिद्र फिर से खुल जाते हैं, जिससे ताज़ा rNTPs प्रवेश कर पाते हैं और चक्र फिर से शुरू हो जाता है। खुलने, बंद होने और पुनः खुलने का यह निरंतर चक्र कोशिका को आरएनए उत्पादन का एक स्थिर, निरंतर स्तर बनाए रखने की अनुमति देता है, चाहे बाहर कितना भी ईंधन उपलब्ध क्यों न हो।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह प्रणाली काम करती है, शोधकर्ताओं ने पहले डीएनए छिद्रों का अकेले परीक्षण किया। उन्होंने बुलबुलों को एक लाल डाई के साथ लोड किया और उन्हें एक हरे रंग की डाई वाले घोल में रखा। जब छिद्र खुले थे, तो लाल डाई बाहर निकल गई और हरी डाई अंदर आ गई, जिससे पुष्टि हुई कि छिद्र कार्यात्मक थे। इसके बाद उन्होंने दिखाया कि वे ब्लॉकर स्ट्रैंड जोड़कर इस प्रवाह को रोक सकते हैं, प्रभावी रूप से द्वारों को बंद कर सकते हैं। इसके बाद, उन्होंने प्रदर्शित किया कि छिद्र पर्याप्त rNTPs को अंदर आने दे सकते हैं जो आरएनए बनाने के लिए आंतरिक मशीनरी को संचालित कर सके। जब उन्होंने एक फ्लोरोसेंट टैग जोड़ा जो केवल नए बने आरएनए से जुड़ने पर चमकता है, तो खुले छिद्रों वाले बुलबुले चमकीले दिखाई दिए, जबकि बंद छिद्रों वाले अंधेरे रहे।

अंतिम और सबसे महत्वपूर्ण परीक्षण यह देखना था कि क्या पूरा सिस्टम होमियोस्टैसिस बनाए रख सकता है। शोधकर्ताओं ने पूरी तरह से असेंबल की गई कोशिकाओं को rNTPs युक्त घोल में रखा और समय के साथ उन पर नज़र रखी। उन कोशिकाओं में जहाँ छिद्र स्थायी रूप से खुले थे, आरएनए उत्पादन तब तक बढ़ता रहा जब तक कि संसाधन समाप्त नहीं हो गए या अराजक नहीं हो गया। उन कोशिकाओं में जहाँ छिद्र स्थायी रूप से बंद थे, आरएनए उत्पादन लगभग तुरंत ही रुक गया। लेकिन स्व-नियामक डीएनए छिद्रों वाली कोशिकाओं में, आरएनए का स्तर एक विशिष्ट बिंदु तक बढ़ा और फिर वहीं स्थिर और स्थिर रहा, सोलह घंटों तक। सिस्टम ने ईंधन के प्रवाह को उस दर के अनुरूप समायोजित किया जिस दर से आरएनए का क्षरण हो रहा था, जिससे एक आदर्श संतुलन बना।

शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि वे इस संतुलन को ट्यून (समायोजित) कर सकते हैं। एक विशिष्ट डीएनए स्ट्रैंड जोड़कर जो एक "थ्रेशोल्ड" (सीमा) के रूप में कार्य करता है, वे आरएनए ब्लॉकर्स को छिद्रों तक पहुँचने से पहले ही पकड़ सकते हैं। इसका अर्थ यह हुआ कि छिद्र लंबे समय तक खुले रहे, जिससे अधिक ईंधन अंदर आया और आरएनए उत्पादन का एक उच्च स्थिर स्तर प्राप्त हुआ। पूरे सिस्टम को फिर से बनाए बिना गतिविधि के लक्ष्य स्तर को निर्धारित करने की यह क्षमता उच्च स्तर के नियंत्रण का सुझाव देती है। यह अध्ययन दर्शाता है कि परिवहन, जीन अभिव्यक्ति और क्षरण को एक एकल फीडबैक लूप में जोड़कर, एक ऐसी कृत्रिम कोशिका बनाई जा सकती है जो एक जीवित जीव की तरह व्यवहार करती है, जो बदलती दुनिया में अपनी आंतरिक स्थिरता बनाए रखती है। यह कार्य अधिक जटिल, अनुकूलन योग्य सामग्रियों और कृत्रिम कोशिकाओं के निर्माण के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है जो मानवीय हस्तक्षेप के बिना लंबे समय तक संचालित हो सकती हैं।