Megascale recombination generates millions of catalytically competent PETases
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि दस बैक्टीरियल PETase अनुक्रमों का मेगास्केल पुनर्संयोजन (recombination) लाखों विविध, उत्प्रेरक रूप से सक्षम काइमेरिक एंजाइम उत्पन्न कर सकता है, जो यह सिद्ध करता है कि बड़े पैमाने पर अनुक्रम पुनर्संयोजन प्रोटीन इंजीनियरिंग के लिए एक स्केलेबल और प्रभावी रणनीति है जो आधुनिक उच्च-थ्रूपुट स्क्रीनिंग के अनुकूल है।
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प्रोटीन वे सूक्ष्म मशीनें हैं जो जीवन को शक्ति प्रदान करती हैं, जो भोजन को तोड़ने या कोशिकाओं के निर्माण जैसे विशिष्ट कार्यों को करने के लिए जटिल आकृतियों में मुड़ते हैं। दशकों तक, इन मशीनों को बेहतर बनाने की कोशिश कर रहे वैज्ञानिकों ने परीक्षण और त्रुटि (ट्रायल एंड एरर) की एक विधि पर भरोसा किया, जिसमें प्रोटीन के कोड में छोटे, यादृच्छिक बदलाव किए जाते हैं और एक बेहतर संस्करण मिलने की उम्मीद की जाती है। यह दृष्टिकोण छोटे समायोजनों के लिए तो अच्छा काम करता है, लेकिन जब लक्ष्य कुछ पूरी तरह से नया बनाना हो या सभी संभावित प्रोटीन आकृतियों के विशाल परिदृश्य का पता लगाना हो, तो यह संघर्ष करता है। एक अधिक शक्तिशाली रणनीति पुनर्संयोजन (रिकॉम्बिनेशन) है, जहाँ वैज्ञानिक विभिन्न, प्राकृतिक रूप से मौजूद प्रोटीनों के डीएनए के बड़े हिस्सों को काटते और जोड़ते हैं ताकि हाइब्रिड संस्करण बनाए जा सकें। जबकि यह विधि भारी विविधता उत्पन्न कर सकती है, एक अनसुलझा प्रश्न यह बना रहा कि क्या ये फ्रैंकेस्टीन जैसे हाइब्रिड अभी भी कार्य कर सकते हैं। यदि आप विभिन्न स्रोतों से बहुत अधिक हिस्से मिला देते हैं, तो क्या मशीन टूट जाएगी, या क्या वह फिर भी चल सकती है?
ड्यूक यूनिवर्सिटी और यूनिवर्सिटी ऑफ कैलिफोर्निया, बर्कले के शोधकर्ताओं की एक टीम ने पहले कभी न की गई पैमाने पर एंजाइम हाइब्रिड की एक लाइब्रेरी बनाकर इसका उत्तर देने का निर्णय लिया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के प्रोटीन पर ध्यान केंद्रित किया जिसे PETase कहा जाता है, जो स्वाभाविक रूप से प्लास्टिक को खाता है, और इस एंजाइम के दस अलग-अलग बैक्टीरिया संस्करणों के आनुवंशिक अंशों को संयोजित किया। इन दस माता-पिता से प्राप्त डीएनए के दस अलग-अलग ब्लॉकों को आपस में जोड़कर, उन्होंने दस अरब अद्वितीय संयोजनों वाली एक सैद्धांतिक लाइब्रेरी बनाई। मुख्य चुनौती केवल इन अरबों वेरिएंट्स को बनाना नहीं था, बल्कि उन कुछ को खोजना था जो अभी भी काम करते हों। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिकों ने यीस्ट (खमीर) कोशिकाओं को सूक्ष्म कारखानों के रूप में उपयोग किया ताकि उन्हें उनकी सतह पर प्रदर्शित किया जा सके। फिर उन्होंने एक विशेष रासायनिक जांच (प्रोब) पेश की जो केवल एक काम करने वाले एंजाइम के सक्रिय केंद्र से चिपकती है। यदि प्रोब जुड़ गया, तो इसका मतलब था कि हाइब्रिड प्रोटीन सफलतापूर्वक एक कार्यात्मक कार्यशील भाग के साथ एक आकार में मुड़ गया था, भले ही वह दस अलग-अलग पूर्वजों से बना हो।
परिणाम चौंकाने वाले थे। इस तथ्य के बावजूद कि प्रत्येक हाइब्रिड एंजाइम अपने निकटतम प्राकृतिक संबंधी की तुलना में दर्जनों परिवर्तनों से युक्त था, लाइब्रेरी के अरबों वेरिएंट्स में से लगभग दो प्रतिशत ने अभी भी कार्यात्मक होने के संकेत दिखाए। यह छोटा प्रतिशत लाइब्रेरी के भीतर छिपे हुए अनुमानित एक करोड़ (एक सौ मिलियन) कामकाजी एंजाइमों को दर्शाता है। शोधकर्ताओं ने काम करने वाले यीस्ट को गैर-काम करने वाले से अलग करने के लिए एक सॉर्टिंग मशीन का उपयोग किया, जिससे आबादी को एक ही दौर में दो प्रतिशत से बढ़ाकर साठ प्रतिशत से अधिक कर दिया गया। इसने साबित कर दिया कि एंजाइमों को कार्य करने के लिए अपने माता-पिता के लगभग समान होने की आवश्यकता नहीं है; वे मौलिक रूप से भिन्न हो सकते हैं और फिर भी अपना कार्य करने की क्षमता बनाए रख सकते हैं।
यह पुष्टि करने के लिए कि ये निष्कर्ष यीस्ट डिस्प्ले सिस्टम का कोई कृत्रिम प्रभाव (आर्टिफैक्ट) नहीं हैं, टीम ने सबसे आशाजनक हाइब्रिड्स को लिया और उन्हें बैक्टीरिया, जो कि एक अलग प्रकार की कोशिका है, में उत्पादित किया ताकि देखा जा सके कि क्या उन्हें एक मानक लैब सेटिंग में शुद्ध और परीक्षण किया जा सकता है। उन्होंने शीर्ष पचास उम्मीदवारों की जांच एक तरल परीक्षण का उपयोग करके की जो यह मापता है कि एंजाइम प्लास्टिक जैसी पदार्थ को कितनी अच्छी तरह तोड़ता है। हाइब्रिड एंजाइमों में से कई मूल प्राकृतिक एंजाइम के समान या उससे भी बेहतर प्रदर्शन करते हैं। शोधकर्ताओं ने सटीक रूप से उनकी गतिविधि को मापने के लिए सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने वाले तीन को शुद्ध किया। ये शुद्ध किए गए एंजाइम, जो दस अलग-अलग माता-पिता के मोज़ेक थे, सब्सट्रेट को प्रभावी ढंग से तोड़ने की अपनी क्षमता बनाए रखते थे। अध्ययन ने दिखाया कि काम करने वाले एंजाइम केवल एक एकल पूर्ण डिजाइन के क्लोन नहीं थे; बल्कि, वे विभिन्न आनुवंशिक संयोजनों का एक विस्तृत रूप से प्रतिनिधित्व करते थे, जो यह सुझाव देता है कि प्रकृति के पास एक ही समस्या को हल करने के कई अलग-अलग तरीके हैं।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि वैज्ञानिक अब प्रोटीन की ऐसी लाइब्रेरी बना सकते हैं और उनकी जांच कर सकते हैं जो आधुनिक हाई-थ्रूपुट स्क्रीनिंग तकनीक की क्षमताओं से मेल खाने के लिए पर्याप्त बड़ी हो। यह दिखाकर कि विशाल पुनर्संयोजन कार्यक्षमता को नष्ट नहीं करता है, यह अध्ययन प्रोटीन स्थान के उन विशाल क्षेत्रों का पता लगाने का मार्ग खोलता है जो पहले बहुत जोखिम भरे माने जाते थे। यह सुझाव देता है कि नए एंजाइमों की खोज करने या मौजूदा एंजाइमों को बेहतर बनाने का मार्ग शून्य से शुरू करने या छोटे, क्रमिक बदलाव करने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, यह संभव है कि विविध स्रोतों से आनुवंशिक कोड के बड़े टुकड़ों को मिलाया और जोड़ा जाए और फिर भी काम करने वाले समाधान मिलें। यह दृष्टिकोण कंप्यूटर मॉडल को प्रशिक्षित करने के लिए आवश्यक डेटा की विशाल मात्रा को उत्पन्न करने के लिए एक स्केलेबल तरीका प्रदान करता है, जिससे संभावित रूप से ऐसे एंजाइमों की खोज हो सकती है जो कठिन पर्यावरणीय चुनौतियों से निपट सकें या ऐसी नई रासायनिक प्रतिक्रियाएं कर सकें जो प्रकृति ने अभी तक आविष्कार नहीं की हैं।
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