A bacterial Rhesus transporter retunes a structurally conserved ammonium pore into a reversible nitrogen valve
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि बैक्टीरियल राइसस ट्रांसपोर्टर NeRh50 एक संरक्षित अमोनियम-कंडक्टिंग पोर को एक उत्क्रमणीय नाइट्रोजन वाल्व में पुनर्गठित करता है, जो विशिष्ट पोर अवशेषों को ट्यून करके विशिष्ट अंतर्वाह ग्रहण और बहिर्वाह निर्वहन तंत्र को सक्षम बनाता है, जिससे यह स्पष्ट होता है कि कैसे न्यूनतम संरचनात्मक संशोधन शारीरिक मांगों को पूरा करने के लिए परिवहन की दिशात्मकता को पुनर्गठित कर सकते हैं।
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पृथ्वी पर जीवन नाइट्रोजन पर निर्भर है, जो उन प्रोटीनों और डीएनए के लिए एक मौलिक निर्माण खंड है जिनसे हर कोशिका बनी होती है। हालांकि हमारे द्वारा ली जाने वाली हवा नाइट्रोजन गैस से भरी है, लेकिन अधिकांश जीव इसका सीधे उपयोग नहीं कर सकते; उन्हें इसे एक सरल, "अपचयित" (reduced) रूप में प्राप्त करना होता है, जो अक्सर अमोनियम के रूप में होता है। जीवित रहने के लिए, कोशिकाओं को अपने सुरक्षात्मक बाहरी झिल्लियों के माध्यम से इस अमोनियम को स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है, लेकिन उन्हें यह अत्यंत सावधानी के साथ करना चाहिए। अमोनियम विकास के लिए आवश्यक है, फिर भी उच्च सांद्रता में, यह विषाक्त हो जाता है और कोशिका के भीतर नाजुक रासायनिक संतुलन को बाधित कर देता है। प्रकृति ने इस समस्या को 'ट्रांसपोर्टर्स' नामक आणविक मशीनों के एक परिवार के साथ हल किया है। ये प्रोटीन कोशिका झिल्ली में अंतर्निहित द्वारपाल के रूप में कार्य करते हैं, जो नाइट्रोजन को गुजरने देते हैं जबकि कोशिका को सुरक्षित रखते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि ये मशीनें एक एकल, अनुमानित तरीके से काम करती हैं: वे बाहर से अमोनियम को पकड़ती हैं, उसे एक हाइड्रोजन परमाणु से मुक्त करके गैस में बदल देती हैं, और फिर उस गैस को कोशिका के भीतर एक शुष्क, संकीकर सुरंग के माध्यम से धकेलती हैं, जहाँ इसे पुनर्गठित किया जाता है। यह प्रक्रिया एक एकतरफा रास्ते के रूप में मानी जाती थी, जो विशेष रूप से पोषक तत्वों के आयात के लिए डिज़ाइन की गई थी।
हालाँकि, एक नया अध्ययन NeRh50 नामक एक विशिष्ट बैक्टीरियल प्रोटीन को देखकर इस कठोर दृष्टिकोण को चुनौती देता है, जो एक ऐसे सूक्ष्मजीव में पाया जाता है जो अमोनिया पर पनपता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रोटीन केवल मानक एकतरफा आयात नियम का पालन नहीं करता है। इसके बजाय, यह प्रसिद्ध आयातकों के समान ही बुनियादी संरचनात्मक खाके का उपयोग करता है, लेकिन इसे एक उत्क्रमणीय वाल्व (reversible valve) के रूप में कार्य करने के लिए "रीट्यून" किया गया है। यह तब अमोनियम को अंदर खींच सकता है जब कोशिका को इसकी आवश्यकता होती है, लेकिन यह इसे बाहर भी धकेल सकता है जब कोशिका में इसकी मात्रा बहुत अधिक हो जाती है, जो एक सुरक्षा रिलीज के रूप में कार्य करता है। यह खोज बताती है कि विकास को हमेशा नई समस्याओं को हल करने के लिए पूरी तरह से नई मशीनों के आविष्कार की आवश्यकता नहीं होती है; कभी-कभी, यह मौजूदा मशीन के सेटिंग्स को बदलकर उसकी दिशा और उद्देश्य को बदलने के लिए बस उसमें थोड़ा बदलाव कर देता है।
स्ट्रैथक्लाइड विश्वविद्यालय और ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय की एक टीम के साथ काम करते हुए, शोधकर्ताओं ने यह समझने की कोशिश की कि NeRh50 इस दोहरे व्यवहार को कैसे प्रबंधित करता है। उन्होंने प्रोटीन के केंद्रीय टनल, या पोर (pore), के भीतर दो विशिष्ट स्थानों पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ अमोनियम यात्रा करता है। एक स्थान प्रवेश द्वार पर स्थित है, और दूसरा गहराई में, हिस्टिडाइन (histidine) के एक जोड़े के पास है जो एक चेकपॉइंट के रूप में कार्य करता है। यह देखने के लिए कि ये स्थान क्या करते हैं, वैज्ञानिकों ने प्रोटीन के उत्परिवर्तित (mutant) संस्करण बनाए, जिसका अर्थ है कि उन्होंने इन महत्वपूर्ण स्थानों पर अमीनो एसिड को अन्यों के साथ बदल दिया, और फिर उन्होंने देखा कि प्रोटीन कैसा व्यवहार करता है। उन्होंने एक ऐसी तकनीक का उपयोग किया जिससे वे प्रोटीन के माध्यम से अमोनियम के गुजरने से उत्पन्न होने वाली सूक्ष्म विद्युत धाराओं को माप सके, और यह देखा कि रासायनिक वातावरण या प्रोटीन की संरचना को बदलने पर प्रवाह में कैसे परिवर्तन आता है।
उन्होंने पाया कि दोनों स्थानों के बीच कार्य का स्पष्ट विभाजन था। प्रवेश द्वार वाला स्थान, जो एक विशिष्ट अमीनो एसिड द्वारा नियंत्रित होता है, कोशिका में अमोनियम लाने के लिए द्वारपाल के रूप में कार्य करता है। जब शोधकर्ताओं ने इस स्थान को अक्षम कर दिया, तो प्रोटीन प्रभावी ढंग से अमोनियम को अंदर खींचने में असमर्थ रहा, भले ही बाकी मशीन बरकरार थी। हालाँकि, यह अक्षम प्रोटीन अमोनियम को बाहर धकेलने में अभी भी सक्षम था। इसके विपरीत, गहरा स्थान, जो हिस्टिडाइन जोड़े द्वारा नियंत्रित होता है, सुरक्षा वाल्व के रूप में कार्य करने की प्रोटीन की क्षमता के लिए आवश्यक था। जब इस स्थान को बदला गया, तो प्रोटीन अमोनियम को अंदर खींचने में सक्षम था, लेकिन इसने बाहर धकेलने या अमोनियम के विषाक्त स्तरों से बचाने की अपनी क्षमता खो दी। इसने सिद्ध किया कि दो कार्य—आयात और निर्यात—एक साथ बंधे हुए नहीं हैं; उन्हें एक ही आणविक संरचना के भीतर स्वतंत्र रूप से अलग और नियंत्रित किया जा सकता है।
इस पृथक्करण के यांत्रिकी को समझने के लिए, टीम ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए जिन्होंने प्रोटीन के टनल के माध्यम से अमोनियम आयनों की गति को ट्रैक किया। उन्होंने पाया कि अमोनियम परिवहन का मानक मॉडल, जो एक शुष्क, निर्जलित (dehydrated) सुरंग पर निर्भर करता है जो अमोनियम को गुजरने से पहले अपना एक हाइड्रोजन परमाणु खोने के लिए मजबूर करती है, केवल कहानी का एक हिस्सा समझाता है। मानक आयात मोड में, प्रोटीन क्लासिक मॉडलों की तरह व्यवहार करता है, प्रोटॉन को स्थानांतरित करने के लिए एक जल-आधारित मार्ग का उपयोग करता है। लेकिन निर्यात या सुरक्षा मोड में, प्रोटीन अलग तरह से व्यवहार करता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि NeRh50 में टनल सख्त आयातकों की तुलना में थोड़ी अधिक खुली और लचीली है। यह मामूली ढीलापन आवेशित अमोनियम आयन को बिना हाइड्रोजन परमाणु खोए गुजरने की अनुमति देता है, बशर्ते कोशिका से एक विद्युत धक्का (electrical push) मिले। यह "D2O-प्रतिरोधी" मार्ग, जो मानक आयातकर्ता के समान 'वॉटर-वायर' तंत्र पर निर्भर नहीं करता है, वही है जो इसे दिशा बदलने और एक वाल्व के रूप में कार्य करने में सक्षम बनाता है।
अध्ययन ने यह भी देखा कि ये प्रोटीन जीवित यीस्ट कोशिकाओं में कैसे व्यवहार करते हैं, जो बैक्टीरिया की मशीनरी के लिए एक परीक्षण स्थल के रूप में कार्य करते हैं। जब यीस्ट कोशिकाओं को अमोनियम के समान एक विषाक्त रसायन के संपर्क में लाया गया, तो सामान्य Ne-Rh50 प्रोटीन ने टॉक्सिन को बाहर पंप करके उनकी रक्षा की। लेकिन वे उत्परिवर्तित संस्करण जिन्होंने निर्यात करने की क्षमता खो दी थी, वे कोशिकाओं की रक्षा करने में विफल रहे, भले ही वे पोषक तत्वों को आयात कर सकते थे। इसने पुष्टि की कि निर्यात कार्य एक विशिष्ट क्षमता है, न कि केवल आयात प्रक्रिया का एक दुष्प्रभाव। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि Ne-Rh50 प्रोटीन केवल एक दोषपूर्ण आयातक या मानक अमोनियम ट्रांसपोर्टर की एक साधारण प्रति नहीं है। यह एक परिष्कृत, दोहरे उद्देश्य वाला मशीन है जिसे अपने मेजबान जीव की विशिष्ट आवश्यकताओं को संभालने के लिए विकसित किया गया है, जो अमोनिया से समृद्ध वातावरण में रहता है।
यह खोज इन आवश्यक प्रोटीनों के विकास के बारे में हमारी समझ को नया रूप देती है। Amt/Mep/Rh सुपरफैमिली, जिसमें Ne-Rh50 और बैक्टीरिया, कवक और मनुष्यों में कई अन्य ट्रांसपोर्टर शामिल हैं, को पहले निश्चित भूमिकाओं वाली मशीनों के संग्रह के रूप में देखा जाता था। कुछ को सख्त आयातक के रूप में देखा जाता था, जबकि कुछ को द्वि-दिशीय चैनलों के रूप में माना जाता था। यह शोध पत्र दिखाता है कि अंतर समग्र वास्तुकला में नहीं है, जो उल्लेखनीय रूप से संरक्षित रहता है, बल्कि कुछ प्रमुख रासायनिक अवशेषों (residues) के सूक्ष्म समायोजन में है। केवल कुछ अमीनो एसिड को बदलकर, विकास एक प्रोटीन को एक-तरफा अंतर्ग्रहण वाल्व से एक उत्क्रमणीय सुरक्षा वाल्व में, या यहाँ तक कि दोनों कार्यों को पूरी तरह से अलग करने में बदल सकता है। यह इस बात का प्रमाण है कि कैसे प्रकृति प्राचीन, विश्वसनीय संरचनाओं का पुन: उपयोग करती है ताकि नई शारीरिक मांगों को पूरा किया जा सके, जिससे एक साधारण सुरंग को एक गतिशील, दो-तरफा नियंत्रण प्रणाली में बदल दिया जाता है जो बदलती दुनिया में कोशिका को जीवित रखती है।
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