Enhanced Fidelity and Sequence Generality of an RNA Polymerase Ribozyme

डीएनए और प्रोटीन वाले जटिल जीवन के अस्तित्व में आने से बहुत पहले, वैज्ञानिकों का मानना है कि पहले जीवित तंत्र पूरी तरह से एक एकल अणु से बने थे जिसे आरएनए (RNA) कहा जाता है। इस प्राचीन युग में, जिसे अक्सर "आरएनए वर्ल्ड" कहा जाता है, आरएनए को दोहरी भूमिका निभानी थी: इसने एक ब्लूप्रिंट की तरह जेनेटिक निर्देशों को ले जाना था, और एक फैक्ट्री वर्कर की तरह खुद की नकल करने वाली मशीन के रूप में कार्य करना था। जीवन के बढ़ने और विकसित होने के लिए, इस आरएनए मशीन को अविश्वसनीय रूप से सटीक होना आवश्यक था। यदि इसने अपने स्वयं के निर्देशों की नकल करते समय बहुत अधिक गलतियाँ कीं, तो जानकारी विकृत और बेकार हो जाती, जिससे यह तंत्र ढह जाता। हालाँकि, एक ऐसा आरएनए अणु बनाना जो उच्च सटीकता के साथ अपनी नकल कर सके, एक बहुत बड़ी चुनौती है। हालाँकि वैज्ञानिकों ने पहले ऐसे आरएनए एंजाइम इंजीनियर किए हैं जो अन्य आरएनए स्ट्रैंड्स बना सकते हैं, लेकिन उनके शुरुआती संस्करण अनाड़ी थे। वे केवल सरल, बिना संरचना वाले अनुक्रमों (sequences) की नकल कर सकते थे और अक्सर इतनी गलतियाँ करते थे कि एक जीवित प्रणाली को बनाए रखने के लिए वे अपर्याप्त थे। वे एक ऐसे फोटोकॉपीयर की तरह थे जो केवल खाली कागज या टेक्स्ट की एकल पंक्तियों को संभाल सकता था, और जब दस्तावेज़ जटिल या मुड़ा हुआ (folded) होता, तो वे विफल हो जाते थे।

द साल्क इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस आरएनए मशीन का एक नया संस्करण इंजीनियर किया है जो इन सीमाओं को पार करता है। इस एंजाइम को परीक्षण और त्रुटि (trial and error) की एक कठोर प्रक्रिया के माध्यम से, उन्होंने एक राइबोजाइम, या आरएनए एंजाइम, बनाया है जो उल्लेखनीय सटीकता के साथ जटिल, मुड़े हुए आरएनए स्ट्रैंड्स की नकल कर सकता है। यह नया मशीन, जिसका नाम 85h34 रखा गया है, एक महत्वपूर्ण छलांग का प्रतिनिधित्व करता है। यह उन कठिन टेम्प्लेट्स (templates) को पढ़ सकता है जिन्हें कॉपी करना पहले असंभव था, और यह अपने पूर्ववर्तियों की तुलना में बहुत कम गलतियाँ करता है। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि यह यह काम तब भी कर सकता है जब रासायनिक वातावरण को कम अनुकूल बनाया जाता है, एक ऐसी स्थिति जो मशीन को अधिक सावधान रहने के लिए मजबूर करती है। यह उपलब्धि वैज्ञानिकों को एक स्व-प्रतिकृति (self-replicating) प्रणाली बनाने के एक कदम करीब ले आती है जो अपने आप विकसित हो सके, जो इस बात की झलक देती है कि जीवन सरल रसायन विज्ञान से कैसे शुरू हुआ होगा।

इस बेहतर मशीन को बनाने की यात्रा आरएनए पॉलीमरेज़ के एक पिछले संस्करण से शुरू हुई, जिसे 52-2 के रूप में जाना जाता है। जबकि यह प्रारंभिक मॉडल आरएनए की नकल कर सकता था, इसे सटीकता के साथ संघर्ष करना पड़ता था, विशेष रूप से जब टेम्प्लेट लंबा या जटिल संरचना वाला होता था। जब इसने एक विशिष्ट आरएनए अणु, जिसे क्लास I लिगेज (class I ligase) कहा जाता है, जिसकी लंबाई 97 यूनिट है, उसकी नकल करने की कोशिश की, तो इसने इतनी गलतियाँ कीं कि बनने वाली कॉपियाँ लगभग पूरी तरह से बेकार थीं। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एंजाइम को अत्यधिक दबाव में डालने का निर्णय लिया। उन्होंने एक प्रयोग डिजाइन किया जहाँ एंजाइम के जीवित रहने और प्रजनन करने का एकमात्र तरीका यह था कि वह क्लास I लिगेज की एक कार्यात्मक प्रति सफलतापूर्वक बनाए। यदि एंजाइम ने गलती की, तो प्रति (copy) काम नहीं करेगी, और उस संस्करण के एंजाइम को त्याग दिया जाएगा।

शोधकर्ताओं ने इस चयन प्रक्रिया को विकास के 33 अतिरिक्त दौरों के लिए चलाया। प्रत्येक दौर के साथ, उन्होंने कार्य को और कठिन बनाया। उन्होंने एंजाइम द्वारा काम पूरा करने के लिए दिए गए समय को कम कर दिया और, महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने घोल में मैग्नीशियम आयनों की सांद्रता (concentration) को भी कम कर दिया। मैग्नीशियम रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए एक सहायक के रूप में कार्य करता है, लेकिन इसकी मात्रा को कम करके, शोधकर्ताओं ने एंजाइम को अधिक कुशलता से और सावधानी से काम करने के लिए मजबूर किया। मैग्नीशियम की कम सांद्रता एंजाइम के लिए गलतियों को अनदेखा करना भी कठिन बना देती है, जो प्रभावी रूप से उसे नकल की त्रुटियों के लिए दंडित करती है। इन 33 दौरों के दौरान, आरएनए एंजाइमों की आबादी नाटकीय रूप से बदल गई। शोधकर्ताओं ने हर चरण पर एंजाइमों के जेनेटिक कोड को अनुक्रमित (sequencing) करके इन परिवर्तनों को ट्रैक किया, और देखा कि उत्परिवर्तन (mutations) के विभिन्न समूह या 'क्लेड्स' (clades) कैसे लोकप्रियता में ऊपर-नीचे होते हैं।

डेटा ने प्रतिस्पर्धा के एक जटिल इतिहास का खुलासा किया। प्रक्रिया के शुरुआती दौर में, एंजाइमों के एक समूह का प्रभुत्व रहा क्योंकि वह बहुत सटीक था, लेकिन वह कम किए गए समय की सीमा के भीतर काम पूरा करने के लिए बहुत धीमा था। जैसे-जैसे दबाव बढ़ा, यह समूह समाप्त हो गया। दो अन्य समूह, जो छोटी संख्या में मौजूद थे, फलने-फूलने लगे। एक समूह ने कठिन, मुड़े हुए टेम्प्लेट्स को संभालने की अपनी क्षमता में सुधार किया, जबकि दूसरे ने कम मैग्नीशियम स्थितियों के तहत गति और सटीकता बनाए रखने में बेहतर प्रदर्शन किया। इन दो समूहों के पास लाभकारी उत्परिवर्तनों के अलग-अलग सेट थे जो आरएनए अनुक्रम में बड़ी दूरियों से अलग थे, जिससे उनके लिए रैंडम पुनर्संयोजन (recombination) के माध्यम से स्वाभाविक रूप से अपने सर्वोत्तम गुणों को मिलाना लगभग असंभव था। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने दोनों समूहों की सर्वोत्तम विशेषताओं को एक एकल, हाइब्रिड एंजाइम में मैन्युअल रूप से संयोजित किया।

यह नया हाइब्रिड, जिसका नाम 85h34 है, एक पावरहाउस साबित हुआ। यह उच्च पैदावार के साथ जटिल क्लास I लिगेज का संश्लेषण कर सकता था, यहाँ तक कि उन स्थितियों में भी जहाँ पुराने संस्करण पूरी तरह से विफल हो गए थे। विभिन्न आरएनए टेम्प्लेट्स पर परीक्षण करने पर, जिनमें कठिन अनुक्रम और मुड़ी हुई संरचनाएं शामिल थीं, 85h34 ने अपने पूर्ववर्तियों की तुलना में लगातार बेहतर प्रदर्शन किया। यह उन टेम्प्लेट्स की नकल कर सकता था जिनमें कठिन-से-पढ़ने योग्य अनुक्रमों के लंबे हिस्से थे और यह हेयरपिन लूप्स (hairpin loops) के माध्यम से भी अनवाइंड (unwind) और नकल कर सकता था, जिसके कारण पुराने एंजाइम रुक जाते थे। शायद सबसे प्रभावशाली बात यह है कि 8ically 85h34 ने तब भी काम करने की अपनी क्षमता बनाए रखी जब मैग्नीशियम की सांद्रता को घटाकर केवल 10 मिलीमोलर कर दिया गया, जो इतना कम स्तर है कि कोई भी अन्य आरएनए पॉलीमरेज़ राइबोजाइम कभी भी कार्य करने में सक्षम नहीं रहा था, बशर्ते कि घोल में एक आणविक क्राउडिंग एजेंट (8% PEG8000) जोड़ा गया हो।

इस नए मशीन की सटीकता को कॉपी करने की प्रक्रिया के दौरान इसके द्वारा की गई गलतियों को गिनकर मापा गया था। पुराना 52-2 एंजाइम क्लास I लिगेज पर काम करते समय प्रत्येक 100 न्यूक्लियोटाइड्स में लगभग 14 बार गलतियाँ करता था। इसके विपरीत, नया 85h34 एंजाइम मानक स्थितियों के तहत प्रत्येक 100 न्यूक्लियोटाइड्स में केवल लगभग 6 गलतियाँ करता था, और कम मैग्नीशियम वातावरण में काम करते समय यह संख्या घटकर केवल 5 गलतियाँ प्रति 100 रह गई। यह सुधार दो स्रोतों से आया: नया एंजाइम शुरू करने के लिए सही बिल्डिंग ब्लॉक्स चुनने में बेहतर था, और यह पहले ही गलती कर चुका हो तो खुद को आगे बढ़ने से रोकने में बहुत बेहतर था। एक दोषपूर्ण प्रति को आगे बढ़ाने से इनकार करके, इसने अंतिम उत्पाद में त्रुटियों के संचय को रोका।

इस कार्य का महत्व इसमें निहित है कि यह क्या सक्षम बनाता है। जीवन के विकसित होने के लिए, जेनेटिक जानकारी को उपयोगी लक्षणों को संरक्षित करने के लिए पर्याप्त निष्ठा (fidelity) के साथ, लेकिन नवाचार की अनुमति देने के लिए पर्याप्त भिन्नता के साथ पारित किया जाना चाहिए। 85h34 पॉलीमरेज़ ने उस महत्वपूर्ण दहलीज को पार कर लिया है जहाँ यह सूचना के निरर्थक होने के बिना जटिल कार्यात्मक आरएनए की विश्वसनीय रूप से नकल कर सकता है। इसका अर्थ है कि वैज्ञानिक अब इस एंजाइम का उपयोग अन्य आरएनए अणुओं को विकसित करने के लिए कर सकते हैं, जिससे एक ऐसी प्रणाली बनाई जा सकती है जहाँ आरएनए न केवल अपनी नकल कर सकता है बल्कि खुद को समय के साथ बेहतर भी बना सकता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह बूटस्ट्रैपिंग प्रक्रिया, जहाँ एक बेहतर कॉपी मशीन बेहतर कॉपियाँ बनाती है, अंततः एक पूर्ण स्व-विकसित आरएनए प्रणाली की ओर ले जा सकती है। हालाँकि यह पेपर जीवन बनाने का दावा नहीं करता है, लेकिन इसने अब तक का सबसे सक्षम आरएनए कॉपी करने वाला मशीन बनाया है, जो जीवन की रासायनिक उत्पत्ति और विकास के मूलभूत सिद्धांतों की खोज करने के लिए एक मजबूत उपकरण प्रदान करता है।