Strong correlation between amino acid frequency and codon degeneracy in genetic codes across all domains of life
यह अध्ययन जीवन के सभी डोमेन और वायरस में अमीनो एसिड की आवृत्ति और कोडन डिजेनेरेसी (codon degeneracy) के बीच एक मजबूत सहसंबंध को प्रकट करता है, जो यह सुझाव देता है कि आनुवंशिक कोड (genetic code) शुरू में अमीनो एसिड की मांगों के अनुरूप विकसित हुआ था, इससे पहले कि बाद के विकासवादी दबावों ने इस पैटर्न से विचलन उत्पन्न किया हो।
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पृथ्वी पर मौजूद हर जीवित चीज़, सबसे छोटे बैक्टीरिया से लेकर सबसे बड़ी व्हेल तक, प्रोटीन बनाने के लिए एक ही मौलिक निर्देश नियमावली (instruction manual) पर निर्भर करती है। यह नियमावली जेनेटिक कोड है, एक सार्वभौमिक प्रणाली जो तीन-अक्षर वाले रासायनिक शब्दों, जिन्हें कोडोन (codons) कहा जाता है, को बीस अलग-अलग निर्माण खंडों में अनुवादित करती है जिन्हें अमीनो एसिड कहा जाता है जो प्रोटीन बनाते हैं। जबकि इस कोड की वर्णमाला निश्चित है, इस बात के नियम कि कितने शब्द प्रत्येक निर्माण खंड के अनुरूप हैं, आश्चर्यजनक रूप से असमान हैं। कुछ अमीनो एसिड को एक एकल तीन-अक्षर वाला शब्द सौंपा जाता है, जबकि अन्य के पास छह अलग-अलग शब्द हो सकते हैं जिनका अर्थ बिल्कुल एक ही होता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात पर विचार कर रहे हैं कि क्या यह असमान वितरण इतिहास का एक यादृच्छिक दुर्घटना है या इसे जीवन की आवश्यकताओं द्वारा सावधानीपूर्वक आकार दिया गया था। विशेष रूप से, उन्होंने पूछा कि क्या किसी अमीनो एसिड को सौंपे गए शब्दों की संख्या उस बात से मेल खाती है कि शरीर के प्रोटीन में उस अमीनो एसिड का उपयोग कितनी बार किया जाता है। यदि प्रकृति को एक निश्चित निर्माण खंड की बहुत आवश्यकता थी, तो क्या उसने उत्पादन को आसान बनाने के लिए स्वाभाविक रूप से उसे अधिक शब्द दिए? या क्या शब्दों की संख्या ने यह तय किया कि उस ब्लॉक का अंतिम उत्पाद में कितना हिस्सा होगा?
फ्रेडरिक शिलर यूनिवर्सिटी जेना के शोधकर्ताओं की एक टीम ने जीवन के पूरे वृक्ष (tree of life) से वास्तविक डेटा को देखकर इस प्रश्न को सुलझाने का प्रयास किया। उन्होंने आर्किया, बैक्टीरिया और यूकेरियोट्स जैसे कोशिकीय जीवन के तीनों प्रमुख डोमेन और वायरस सहित 20,000 से अधिक विभिन्न जीवों से आनुवंशिक जानकारी एकत्र की। अनुमान लगाने या मॉडल बनाने के बजाय, उन्होंने इन जीवों के प्रोटीन में अमीनो एसिड की गिनती की और उन वास्तविक संख्याओं की तुलना जेनेटिक कोड द्वारा अनुमानित सैद्धांतिक संख्याओं से की। अपने परिणामों को सटीक बनाने के लिए, उन्होंने इस तथ्य को ध्यान में रखा कि विभिन्न जीवों में उनके डीएनए की रासायनिक संरचना अलग होती है, जो परिणामों को प्रभावित कर सकती है। उन्होंने प्रत्येक प्रोटीन को समान माना, चाहे वह कोशिका में कितना भी सक्रिय क्यों न हो, ताकि निर्माण खंडों के समग्र उपयोग की एक शुद्ध तस्वीर मिल सके।
अध्ययन ने एक चौंकाने वाला पैटर्न प्रकट किया: शब्दों की संख्या और अमीनों एसिड के उपयोग की आवृत्ति के बीच एक मजबूत, सुसंगत संबंध है। सामान्यतः, जिन अमीनो एसिड के पास अधिक समानार्थी कोडोन होते हैं, वे प्रोटीन में अधिक मात्रा में पाए जाते हैं, जबकि कम शब्दों वाले अमीनो एसिड कम मात्रा में पाए जाते हैं। यह सहसंबंध जीवन के सभी डोमेन में सत्य पाया गया, जो यह सुझाव देता है कि जेनेटिक कोड वास्तव में प्रारंभिक जीवन की मांगों से मेल खाने के लिए आकार दिया गया था। शोधकर्ताओं ने पाया कि सरलतम अमीनो एसिड, जो संभवतः प्रीबायोटिक दुनिया में पहले उपलब्ध थे, उन्हें सबसे अधिक शब्द सौंपे गए और वे आज प्रोटीन में सबसे प्रचुर मात्रा में हैं। इसके विपरीत, जटिल अमीनो एसिड जो विकास के बाद आए, उन्हें कम शब्द दिए गए और वे कम आम बने रहे।
हालाँकि, कहानी पूरी तरह से सरल नहीं है। जबकि समग्र रुझान मजबूत है, शोधकर्ताओं ने विशिष्ट अमीनो एसिड की पहचान की जो लगातार नियमों को तोड़ते हैं। चार अमीनो एसिड—ग्लूटामेट, एस्पार्टेट, लाइसिन और मेथियोनीन—उनके कोडोन की संख्या की तुलना में बहुत अधिक बार उपयोग किए जाते हैं। इसके विपरीत, सिस्टीन, आर्जिनिन, हिस्टिडाइन और प्रोलाइन उम्मीद से कम दिखाई देते हैं। टीम ने प्रस्तावित किया कि ये विचलन यादृच्छिक त्रुटियां नहीं बल्कि बाद के विकासवादी दबावों का परिणाम हैं। उदाहरण के लिए, मेथियोनीन का अत्यधिक उपयोग इसलिए किया जाता है क्योंकि यह प्रत्येक प्रोटीन के निर्माण के लिए आवश्यक शुरुआती संकेत के रूप में कार्य करता है, एक ऐसी भूमिका जो इसकी उच्च चयापचय लागत (metabolic cost) के बावजूद इसकी उपस्थिति की मांग करती है। सिस्टीन, जिसमें सल्फर होता है, का कम उपयोग संभवतः इसलिए किया जाता है क्योंकि वातावरण में सल्फर अक्सर दुर्लभ होता है और क्योंकि बहुत अधिक सिस्टीन प्रोटीन को गलत तरीके से आपस में जोड़ने (clump) का कारण बन सकता है। इसी तरह, प्रोलाइन का सीमित उपयोग किया जाता है क्योंकि इसकी कठोर संरचना प्रोटीन को उन आकारों में मुड़ने (fold) में कठिनाई पैदा कर सकती है जिनकी उन्हें कार्य करने के लिए आवश्यकता होती है।
शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि क्या जेनेटिक कोड एक "फ्रोजन एक्सीडेंट" (frozen accident) था, जो नोबेल पुरस्कार विजेता फ्रांसिस क्रिक द्वारा दिया गया एक शब्द है, जो यह सुझाव देता है कि कोड संयोग से स्थिर हो गया था और बदल नहीं सकता था। उनके निष्कर्ष इस दृष्टिकोण को चुनौती देते हैं। शब्द गणना और उपयोग के बीच का मजबूत सहसंबंध यह सुझाव देता है कि कोड यादृच्छिक नहीं था बल्कि प्रारंभिक जीवन रूपों की जरूरतों को पूरा करने के लिए अनुकूलित (optimized) किया गया था। एक बार जब कोड स्थिर हो गया, तो जीवन विकसित होना जारी रहा। जैसे-जैसे जीवों ने नए वातावरणों के अनुकूल खुद को ढाला और जटिल कार्यों को विकसित किया, प्राकृतिक चयन ने विशिष्ट अमीनो एसिड की प्रचुरता में सूक्ष्म बदलाव किए, जिससे वे मूल संतुलन से विचलित हो गए। जेनेटिक कोड स्वयं स्थिर रहा, लेकिन इसके द्वारा बनाए गए प्रोटीन बदल गए ताकि वे जीव की आवश्यकताओं के अनुरूप हो सकें।
इस अध्ययन का सबसे आश्चर्यजनक पहलू यह है कि यह पैटर्न यूकेरियोट्स में कितनी अच्छी तरह से काम करता है, जिनमें पौधे, जानवर और कवक जैसे जटिल जीव शामिल हैं, जो जेनेटिक कोड स्थापित होने के अरबों साल बाद विकसित हुए थे। विशाल विकासवादी दूरी के बावजूद, कोडोन संख्या और अमीनो एसिड की आवृत्ति के बीच सहसंबंध उल्लेखनीय रूप से मजबूत बना हुआ है। यह सुझाव देता है कि कोड का प्रारंभिक डिज़ाइन इतना प्रभावी था कि यह एक आधारभूत नियम के रूप में बना रहा, भले ही जीवन विविध रूपों में विकसित हुआ हो। अध्ययन ने यह भी नोट किया कि जबकि कुछ अमीनो एसिड का प्रतिनिधित्व अधिक या कम है, प्रोटीनों में सकारात्मक और नकारात्मक आवेशों (charges) का समग्र संतुलन विभिन्न वातावरणों में अपेक्षाकृत स्थिर रहता है, जो यह दर्शाता है कि प्रकृति प्रोटीनों को घुलनशील और कार्यात्मक बनाए रखने के लिए एक नाजुक संतुलन बनाए रखती है।
अंततः, यह व्यापक विश्लेषण इस बात की स्पष्ट तस्वीर पेश करता है कि जीवन की निर्देश नियमावली कैसे लिखी गई थी। यह सुझाव देता है कि जेनेटिक कोड असाइनमेंट का एक यादृच्छिक संग्रह नहीं था, बल्कि जीवन के उदय के समय उपलब्ध निर्माण खंडों की उपलब्धता और लागत के अनुरूप ट्यून किया गया एक तंत्र था। हालांकि बाद के विकासवादी दबावों ने विशिष्ट जैविक आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए विविधताओं को पेश किया है, फिर भी कोड की अंतर्निहित संरचना उन प्राचीन मांगों की स्पष्ट छाप लिए हुए है। शोध इस बात की पुष्टि करता है कि प्रत्येक अमीनो एसिड को सौंपे गए शब्दों की संख्या इस बात का एक शक्तिशाली भविष्यवक्ता है कि उस अमीनो एसिड का कितनी बार उपयोग किया जाता है, जो पहले से मौजूद जीवित प्रणालियों के बाधाओं और विकल्पों की एक दुर्लभ झलक प्रदान करता है।
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