Heimdall SNAREs reveal an ancestral architecture of eukaryotic SNARE complexes
यह अध्ययन प्रकट करता है कि हाइमडालआर्कियोटा (Heimdallarchaeota) से प्राप्त SNARE-जैसे प्रोटीन एक स्थिर होमोटेट्रामेरिक फोर-हेलिक्स बंडल बनाते हैं जो संरचनात्मक रूप से यूकेरियोटिक SNARE परिसरों के समान है, जो यह प्रदर्शित करता है कि इस झिल्ली संलयन मशीनरी की पूर्वज वास्तुकला यूकेरियोटिक कोशिकाओं के उद्भव से भी पुरानी है।
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जैसा कि हम जानते हैं, जीवन दो प्रकार की कोशिकाओं के बीच एक मौलिक विभाजन पर आधारित है। एक प्रकार, जो बैक्टीरिया और आर्किया में पाया जाता है, सरल है और इसमें आंतरिक कक्षों का अभाव है। दूसरा, जो पौधों, जानवरों और कवक में पाया जाता है, जटिल है, जो केंद्रक (न्यूक्लियस) और ऊर्जा पैदा करने वाले माइटोकॉन्ड्रिया जैसे विशिष्ट कमरों से भरा हुआ है। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि यह जटिल कोशिका, जिसमें आंतरिक परिवहन की एक जटिल प्रणाली है, अपने सरल पूर्वज से कैसे उभरी। एक प्रमुख सुराग उस मशीनरी में छिपा है जो इन आंतरिक कमरों के बीच सामग्री को स्थानांतरित करती है। जटिल कोशिकाओं में, वेसिकल्स (vesicles) नामक नन्हे बुलबुले माल को एक स्थान से दूसरे स्थान तक ले जाते हैं, और अपना भार पहुँचाने के लिए लक्षित झिल्लियों (membranes) के साथ जुड़ जाते हैं। यह संलयन (fusion) प्रोटीनों के एक विशिष्ट समूह द्वारा संचालित होता है जो आणविक ज़िपर्स (molecular zippers) की तरह कार्य करते हैं, जो दो झिल्लियों को तब तक खींचते हैं जब तक कि वे आपस में मिल नहीं जातीं। ये प्रोटीन, जिन्हें SNAREs कहा जाता है, जटिल जीवों के लिए आवश्यक हैं, लेकिन उनकी विकासवादी उत्पत्ति एक रहस्य बनी हुई है। क्या यह परिष्कृत मशीनरी पहले जटिल सेल के साथ अचानक प्रकट हुई, या यह हमारे प्राचीन पूर्वजों में मौजूद एक सरल प्रणाली से विकसित हुई थी?
इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं ने असगार्ड आर्किया (Asgard archaea) नामक सूक्ष्मजीवों के एक समूह की ओर ध्यान आकर्षित किया। महासागरीय तलछट के आनुवंशिक विश्लेषण के माध्यम से हाल ही में खोजे गए ये एकल-कोशिकीय जीव, जटिल जीवन के पूर्वजों के सबसे करीबी ज्ञात संबंधी हैं। इस समूह के भीतर कुछ प्रजातियां, विशेष रूप से जिन्हें हीमडालआर्कियोटा (Heimdallarchaeota) कहा जाता है, में ऐसे जीन पाए गए हैं जो आश्चर्यजनक रूप से उन जीनों के समान हैं जिनका उपयोग जटिल कोशिकाएं आंतरिक परिवहन के लिए करती हैं। इन जीनों में उन प्रोटीनों को बनाने के निर्देश शामिल हैं जो SNARE ज़िपर्स के समान दिखते हैं। हालाँकि, आनुवंशिक ब्लूप्रिंट होने का मतलब यह सिद्ध करना नहीं है कि मशीन काम करती है। महत्वपूर्ण प्रश्न यह था कि क्या ये प्राचीन प्रोटीन वास्तव में झिल्लियों को जोड़ने के लिए आवश्यक स्थिर, चार-तंतुओं वाले बंडलों में व्यवस्थित हो सकते हैं, या वे केवल एक ऐसी प्रणाली के टूटे हुए अवशेष थे जो आज की तरह कभी कार्य नहीं कर सकी।
एक टीम ने प्रयोगशाला में इन हीमडाल SNARE प्रोटीनों को अलग करके और अध्ययन करके इसका परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रोटीन पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे उन्होंने हीमडालआर्कियोटा जीव में पाया गया HPS1 नाम दिया। सबसे पहले, उन्होंने प्रोटीन को शुद्ध किया और इसके भौतिक गुणों का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि यह प्रोटीन अविश्वसनीय रूप से स्थिर था, जो अधिकांश अन्य प्रोटीनों को नष्ट कर देने वाली गर्मी और रासायनिक तनाव का भी प्रतिरोध कर सकता था। जब उन्होंने विलय (solution) में इसके आकार का विश्लेषण किया, तो प्रोटीन एक एकल स्ट्रैंड के रूप में नहीं तैर रहा था; इसके बजाय, यह अपने तीन समान प्रतियों के साथ स्वतः ही एक घने, चार-तंतुओं वाले बंडल के रूप में समूह बना रहा था। यह एक महत्वपूर्ण खोज थी क्योंकि, जटिल कोशिकाओं में, कार्यात्मक बंडल चार अलग-अलग प्रकार के प्रोटीनों द्वारा मिलकर बनाया जाता है जो एक साथ काम करते हैं। प्राचीन संस्करण का चार समान प्रतियों का उपयोग करके एक स्थिर बंडल बनाने की क्षमता ने यह सुझाव दिया कि यह एक सरल, पूर्वज मशीनरी का संस्करण था।
यह देखने के लिए कि इस बंडल का निर्माण ठीक कैसे हुआ, शोधकर्ताओं ने प्रोटीन के क्रिस्टल उगाए और परमाणु संरचना का मानचित्रण करने के लिए एक्स-रे का उपयोग किया। परिणामी छवि चार समान हेलिक्स (helices) से बनी एक लंबी, घुमावदार रस्सी जैसी थी जो एक दूसरे के चारों ओर लिपटी हुई थी। इस बंडल के बिल्कुल केंद्र में एक विशिष्ट परत थी जहाँ चार समान रासायनिक समूह, जो ग्लूटामाइन (glutamine) अमीनो एसिड से बने थे, आपस में मिलते थे। जटिल कोशिकाओं में, यह केंद्रीय परत आमतौर पर विभिन्न रासायनिक समूहों का मिश्रण होती है, जो एक असममित (asymmetric) संरचना बनाती है जो संलयन प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण है। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्राचीन बंडल पूरी तरह से सममित (symmetrical) था, जिसमें चारों पक्ष बिल्कुल एक जैसे थे। इस समरूपता के बावजूद, बंडल का कोर मानव कोशिकाओं में पाए जाने वाले जटिल संस्करणों की तरह ही सघन और सुरक्षित रूप से पैक था। यह इंगित करता कि SNARE बंडल की मौलिक वास्तुकला जटिल कोशिकाएं विकसित होने से बहुत पहले अस्तित्व में थी, जिसकी उत्पत्ति एक सजातीय (homogenous), चार-समान-भागों वाली प्रणाली से हुई थी।
शोधकर्ताओं ने यह पता लगाने के लिए कि यह प्राचीन बंडल आधुनिक संस्करण की तुलना में कैसे व्यवहार करता है, कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने परीक्षण किया कि क्या आधुनिक कोशिकाओं में देखे जाने वाले चार समान ग्लूटामाइन समूहों में से एक को किसी अन्य रासायनिक समूह से बदलने मात्र से वह असममित संरचना तुरंत बन जाएगी। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह सरल बदलाव काम नहीं आया; बंडल स्वतः ही जटिल, असममित आकार में पुनर्गठित नहीं हुआ। इसके बजाय, प्राचीन सममित डिज़ाइन स्थिर रहा। यह सुझाव देता है कि सरल, समान चार-भागों वाली प्रणाली से जटिल, विशिष्ट चार-भागों वाली प्रणाली में संक्रमण एक त्वरित या आकस्मिक परिवर्तन नहीं था। इसके लिए एक लंबी विकासवादी प्रक्रिया की आवश्यकता रही होगी जहाँ प्रोटीन धीरे-धीरे बदले और विशिष्ट होते गए।
आगे के प्रयोगों ने दिखाया कि जब शोधकर्ताओं ने इस प्राचीन प्रोटीन के पूर्ण-लंबाई वाले संस्करण को मानव कोशिकाओं में डाला, तो इसने सफलतापूर्वक कोशिका की आंतरिक झिल्ली प्रणाली, विशेष रूप से एंडोप्लाज्मिक रेटिकुलम (endoplasmic reticulum) तक की यात्रा की। इसने प्रदर्शित किया कि प्राचीन प्रोटीन जटिल जीवन की कोशिकीय मशीनरी के साथ संगत था, जो झिल्लियों में खुद को सम्मिलित करने और सही स्थान तक पहुँचने में सक्षम था। अध्ययन ने इन प्रोटीनों के आनुवंशिक इतिहास की भी जांच की, जिससे पता चला कि वे विभिन्न हीमडालआर्कियोटा प्रजातियों में मौजूद हैं लेकिन अन्य संबंधित समूहों में अनुपस्थित हैं। यह वितरण इस विचार का समर्थन करता है कि जटिल जीवन के पूर्वज के पास संभवतः इस विशिष्ट प्रकार का SNARE प्रोटीन था, इससे पहले कि वह अपने आर्कियाल चचेरे भाइयों से अलग हुआ।
ये निष्कर्ष एक स्पष्ट तस्वीर पेश करते हैं कि कोशिकीय जटिलता कैसे उत्पन्न हुई होगी। कोशिका के भीतर सामग्री को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक मशीनरी जटिल कोशिका के पहले अस्तित्व में नहीं आई। इसके बजाय, यह एक प्राचीन आर्कियल पूर्वज में मौजूद एक पूर्व-विद्यमान प्रणाली से विकसित हुई थी। इस पूर्वज के पास एक सरल, सममित प्रोटीन बंडल था जो स्थिर संरचनाएं बना सकता था। लाखों वर्षों में, इस बुनियादी टूलकिट को दोहराया गया और संशोधित किया गया, जिससे अंततः आधुनिक पौधों और जानवरों के जटिल आंतरिक परिवहन तंत्र को चलाने वाले विविध और विशिष्ट प्रोटीनों का जन्म हुआ। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि हमारी कोशिकीय जटिलता की गहरी जड़ें आर्किया की प्राचीन, सममित दुनिया में निहित हैं, जहाँ जटिल कोशिका के अस्तित्व में आने से बहुत पहले ही जीवन की जटिल मशीनरी की ओर पहले कदम उठाए गए थे।
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