Nanoscale identification of organic pigments in biogenic calcite by atom probe tomography
यह अध्ययन एटम प्रोब टोमोग्राफी के माध्यम से, नवीन डेटा फ़िल्टरिंग तकनीकों द्वारा प्राप्त की गई सफलता के माध्यम से, बायोजेनिक कैल्साइट सी अर्चिन स्पाइन्स (समुद्री अर्चिन के कांटों) के भीतर कार्बनिक पिगमेंट (विशेष रूप से स्पिनोक्रोम ए) की नैनोस्केल पहचान और 3D स्थानिक मानचित्रण को प्रदर्शित करता है, जो बायोमॉलिक्यूलर फ्रैगमेंटेशन की व्याख्या करने में पिछली चुनौतियों पर विजय प्राप्त करता है।
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समुद्री जीवों के खोलों और समुद्री अर्चिन (sea urchins) के कांटों के भीतर जटिल इंजीनियरिंग की एक ऐसी दुनिया बसी है जिसे मानवीय आँखें नहीं देख सकतीं। ये प्राकृतिक संरचनाएं, जिन्हें बायोमिनरल्स (biominerals) कहा जाता है, केवल साधारण पत्थर नहीं हैं; वे जटिल सम्मिश्र (composites) हैं जहाँ कठोर, अकार्बनिक क्रिस्टल, प्रोटीन और पिगमेंट जैसे नरम, कार्बनिक अणुओं के साथ मिलकर बढ़ते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि ये कार्बनिक घटक एक प्रकार के आंतरिक आर्किटेक्चर के रूप में कार्य करते हैं, जो यह निर्देशित करते हैं कि क्रिस्टल कैसे बनते हैं और उन्हें उनकी अनूठी मजबूती और रंग प्रदान करते हैं। हालाँकि, हमारे ज्ञान में एक महत्वपूर्ण कमी बनी हुई थी: जबकि हम इन सामग्रियों की बड़े पैमाने की संरचना को देख सकते हैं, हम नैनोमीटर स्तर पर क्रिस्टल लैटिस के भीतर सूक्ष्म कार्बनिक अणु वास्तव में कहाँ स्थित होते हैं, इसका सटीक मानचित्र बनाने में संघर्ष करते रहे हैं। इस त्रि-आयामी मानचित्र के बिना, इन जीवित जीवों और उनके द्वारा निर्मित खनिज के बीच का सटीक संबंध एक रहस्य बना हुआ है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब 'एटम प्रोब टॉमोग्राफी' नामक एक शक्तिशाली इमेजिंग टूल का उपयोग करके समुद्री अर्चिन के बैंगनी कांटों के भीतर झाँककर इस अंतर को भरने की दिशा में एक बड़ा कदम उठाया है। Sphaerechinus granularis नामक इस प्रजाति के कांटे सिरों पर सफेद होते हैं लेकिन आधार पर गहरे बैंगनी हो जाते हैं। यह रंग स्पिनोक्रोम्स (spinochromes) नामक विशिष्ट कार्बनिक अणुओं के कारण आता है, जो बढ़ते क्रिस्टल के भीतर फंस जाते हैं। वैज्ञानिक यह पता लगाना चाहते थे कि ये पिगमेंट अणु क्रिस्टल के भीतर ठीक कैसे व्यवस्थित हैं और वे आसपास के परमाणुओं के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। ऐसा करने के लिए, उन्हें एक बड़ी बाधा को पार करना था: जब इन कार्बनिक अणुओं को विश्लेषण के लिए आवश्यक तीव्र विद्युत क्षेत्रों के अधीन किया जाता है, तो वे छोटे-छोटे टुकड़ों में टूट जाते हैं, जिससे मूल अणु की पहचान करना कठिन हो जाता है।
इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले एक नियंत्रित परीक्षण वातावरण बनाया। उन्होंने कैल्शियम कार्बोनेट के कृत्रिम क्रिस्टल उगाए, जो समुद्री अर्चिन के कांटों के समान सामग्री है, और उनमें जानबूझकर बैंगनी पिगमेंट अणुओं को मिला दिया। वास्तविक समुद्री अर्चिन के कांटों के साथ इन कृत्रमिक नमूनों का विश्लेषण करके, वे परिणामों की तुलना कर सके और यह पहचान सके कि कौन से संकेत पिगमेंट से आए और कौन से स्वयं खनिज से। उन्होंने पाया कि समुद्री अर्चिन में बैंगनी रंग वास्तव में स्पिनोक्रोम ए (spinochrome A) नामक एक विशिष्ट अणु के कारण होता है। जब उन्होंने वास्तविक कांटों का विश्लेषण किया, तो उन्होंने पाया कि यह अणु अलग-थलग स्थानों में गुच्छे बनाने के बजाय, बैंगनी क्षेत्रों में समान रूप से वितरित है।
हालाँकि, सबसे महत्वपूर्ण खोज इस बात से संबंधित है कि इन पिगमेंट अणुओं को कैसे थामे रखा जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि स्पिनोक्रोम ए अणु क्रिस्टल के भीतर केवल बेतरतीब ढंग से तैर नहीं रहे हैं; वे मैग्नीशियम परमाणुओं के साथ मजबूती से जुड़े हुए हैं, जो समुद्री अर्चिन के कांटों में स्वाभाविक रूप से मौजूद एक अन्य तत्व है। एक ही समय में और एक-दूसरे के निकट पता लगाए गए आयनों को ट्रैक करने वाली डेटा विश्लेषण की एक नई पद्धति का उपयोग करके, टीम ने दिखाया कि पिगमेंट अणु के टुकड़े और मैग्नीशियम परमाणु संयोग से होने वाली संभावना की तुलना में बहुत अधिक बार एक साथ दिखाई देते हैं। यह सुझाव देता है कि पिगमेंट क्रिस्टल संरचना के भीतर मैग्नीशियम से सीधे बंध जाता है। इसके विपरीत, कांटों में पाए जाने वाले अन्य तत्व, जैसे कि लिथियम, इस तरह का संबंध नहीं दिखाते हैं और वास्तव में अलग-अलग क्षेत्रों में पाए जाते हैं, जो मुख्य रूप से कांटों के सफेद, बिना पिगमेंट वाले सिरों में होते हैं।
यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक कठोर खनिज के भीतर विशिष्ट कार्बनिक अणुओं की पहचान करना और उनके स्थान का त्रि-आयामी मानचित्र बनाना संभव है, भले ही वे अणु विश्लेषण के दौरान टूट जाएं। डेटा को फ़िल्टर करने और यह देखने के पैटर्न को खोजने के नए तरीके विकसित करके कि उनके टुकड़े एक साथ कैसे दिखाई देते हैं, शोधकर्ता पिगमेंट की उपस्थिति और खनिज के निर्माण खंडों के साथ उनके संबंध को पुनर्गठित करने में सक्षम रहे। यह दृष्टिकोण यह समझने का एक नया तरीका प्रदान करता है कि जीवित प्राणी अपने कठोर अंगों का निर्माण कैसे करते हैं, जो कार्बनिक अणुओं और अकार्बनिक क्रिस्टल के बीच छिपी रासायनिक बातचीत को उजागर करता है जो प्राकृतिक दुनिया को आकार देती है।
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