Large-scale in-silico bacterial cryptochrome/photolyase screening identifies an extremophile radical-pair candidate with expanded flavin–tryptophan wiring
22,000 से अधिक जीवाणु क्रिप्टोक्रोम/फोटोलाइज़ प्रोटीन की एक बड़े पैमाने पर इन-सिलिको स्क्रीनिंग के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने एक थर्मोफिलिक उम्मीदवार, A0A6M1RS91, की पहचान की है, जो एक विस्तारित फ्लेविन-ट्रिप्टोफैन इलेक्ट्रॉन-ट्रांसफर नेटवर्क रखता है, जो इसे रेडिकल-पेयर फोटोकैमिस्ट्री और चुंबकीय-क्षेत्र संवेदनशीलता की जांच के लिए एक आशाजनक नए लक्ष्य के रूप में बनाता है।
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एक बैक्टीरिया के भीतर की सूक्ष्म दुनिया की कल्पना कीजिए जो एक हलचल भरे, उच्च-तकनीकी शहर की तरह है। इस शहर में, विशेष रूप से काम करने वाले छोटे कार्यकर्ता हैं जिन्हें प्रोटीन कहा जाता है। इनमें से कुछ कार्यकर्ता मास्टर इलेक्ट्रीशियन की तरह हैं, जिनका काम सूरज की तेज़ रोशनी से टूटे हुए तारों (DNA) को ठीक करना है। अपना काम करने के लिए, वे एक विशिष्ट उपकरण पर निर्भर करते हैं: एक चमकता हुआ नीला लाइट स्विच जिसे FAD नामक अणु कहा जाता है। जब इस स्विच को प्रकाश द्वारा चालू किया जाता है, तो यह ऊर्जा की एक चिंगारी को अन्य अणुओं की एक श्रृंखला के माध्यम से दौड़ने के लिए भेजता है, ठीक वैसे ही जैसे आग बुझाने के लिए पानी पास करने वाली बाल्टी की कतार (बकेट ब्रिगेड)। यह "चिंगारी" एक रेडिकल पेयर (radical pair) है, जो एक क्षणिक समय है जहाँ इलेक्ट्रॉन गतिशील होते हैं, और वैज्ञानिक इससे इसलिए मंत्रमुग्ध हैं क्योंकि ये नन्ही चिंगारियाँ चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति संवेदनशील हो सकती हैं, जो एक जैविक कंपास की तरह कार्य करती हैं। हालांकि हम जानते हैं कि E. coli बैक्टीरिया में एक प्रसिद्ध इलेक्ट्रीशियन यह काम कैसे करता है, लेकिन हम सोच रहे थे: क्या विशाल बैक्टीरिया की दुनिया में अन्य, शायद और भी अधिक कुशल इलेक्ट्रीशियन छिपे हुए हैं जिनसे हम अभी तक नहीं मिले हैं?
यह शोध पत्र उन छिपे हुए इलेक्ट्रीशियनों को खोजने के लिए डिज़ाइन की गई एक विशाल डिजिटल खजाने की खोज (डिजिटल ट्रेजर हंट) की तरह है। जॉर्जियोस मिलीटिस के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया उगाने के लिए लैब में जाने के बजाय, जेनेटिक ब्लूप्रिंट के एक विशाल डेटाबेस के माध्यम से एक "वर्चुअल सफारी" की। उन्होंने 22,000 से अधिक बैक्टीरियल प्रोटीन को स्कैन किया, और प्रकाश-संवेदी कार्यकर्ताओं के उस विशिष्ट परिवार की तलाश की जिसे क्रिप्टोक्रोम (cryptochromes) और फोटोलिएज (photolyases) के रूप में जाना जाता है। उनका लक्ष्य एक ऐसा प्रोटीन खोजना था जिसमें उसके लाइट स्विच के आसपास सुगंधित अणुओं (विशेष रूप से ट्रिप्टोफैन) का एक विशेष रूप से घना और जटिल "वायरिंग सिस्टम" हो। यह क्यों मायने रखता है? क्योंकि प्रसिद्ध E. coli मॉडल में, इलेक्ट्रॉन को इन अणुओं के एक छोटे पुल के माध्यम से कूदना पड़ता है। यदि किसी प्रोटीन में इन पुलों का बहुत बड़ा, अधिक जटिल नेटवर्क है, तो वह इन इलेक्ट्रॉन चिंगारियों के लिए एक सुपर-कंडक्टर हो सकता है, जो इसे यह अध्ययन करने के लिए एक बेहतर उम्मीदवार बना सकता है कि जीवन चुंबकीय क्षेत्रों को कैसे महसूस करता है या DNA क्षति की मरम्मत कैसे करता है।
हजारों उम्मीदवारों की छंटनी करने और डुप्लिकेट्स को हटाने के बाद, टीम ने अपनी सूची को लगभग 5,000 आशाजनक प्रोटीनों तक सीमित कर दिया। फिर उन्होंने कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके इन प्रोटीनों की 3D संरचनाएं बनाने के लिए किया, जो अनिवार्य रूप से डिजिटल ब्लूप्रिंट बनाने जैसा था ताकि देखा जा सके कि अणु कैसे व्यवस्थित हैं। उन्होंने इन नए ब्लूप्रिंट की तुलना प्रसिद्ध E. coli बेंचमार्क से की। इस खोज ने एक स्पष्ट विजेता दिया: एक गर्मी-प्रेमी बैक्टीरिया से प्राप्त एक प्रोटीन, जिसे Limisphaera ngatamarikiensis के रूप में पहचाना गया, जिसका कोड A0A6M1RS91 है।
परिणाम आश्चर्यजनक थे। जबकि मानक E. coli प्रोटीन के टूलकिट में 15 ट्रिप्टोफैन अणु होते हैं, इस नए उम्मीदवार (जो गर्म झरनों में रहता है) में 31 हैं—दोगुने से भी अधिक! लेकिन यह केवल अधिक भाग होने के बारे में नहीं था; यह इस बारे में था कि वे कैसे जुड़े हुए थे। E. coli मॉडल में, इलेक्ट्रॉन के यात्रा करने के लिए 33 संभावित पथ हैं। Limisphaera उम्मीदवार में, कंप्यूटर सिमुलेशन ने 73 अलग-अलग पथों की भविष्यवाणी की। इस नए प्रोटीन में पाया गया सबसे कुशल मार्ग एक सुपर-हाइवे की तरह दिखता है: लाइट स्विच से शुरू होकर, एक फेनिलएलनिन (phenylalanine) अणु के माध्यम से कूदना, और फिर एक विशिष्ट क्रम में तीन अलग-अलग ट्रिप्टोफैन अणुओं के माध्यम से आगे बढ़ना। यह सुझाव देता है कि इस नए प्रोटीन में यात्रा करने के लिए एक बहुत ही समृद्ध, अधिक विस्तृत "एरोमैटिक नेटवर्क" है।
शोध पत्र सावधानीपूर्वक यह नोट करता है कि ये निष्कर्ष कंप्यूटर सिमुलेशन और संरचनात्मक मॉडलों से आए हैं, न कि टेस्ट ट्यूब में भौतिक प्रयोगों से। शोधकर्ताओं ने अभी तक यह साबित नहीं किया है कि यह प्रोटीन वास्तव में वास्तविक जीवन में इन इलेक्ट्रॉन स्थानांतरणों को करता है या चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया करता है; उन्होंने केवल इसके डिज़ाइन के आधार पर इसे सबसे मजबूत उम्मीदवार के रूप में पहचाना है। हालाँकि, तर्क ठोस है: क्योंकि यह प्रोटीन एक गर्म, चरम वातावरण में रहता है जहाँ DNA क्षति आम है, इसलिए इसके पास एक मजबूत, उच्च-क्षमता वाली मरम्मत प्रणाली होना जैविक रूप से तर्कसंगत लगता है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि A0A6M1RS91 भविष्य के वैज्ञानिकों के लिए एक आदर्श लक्ष्य है ताकि वे इसे कंप्यूटर से निकालकर लैब में ले जा सकें, जहाँ वे परीक्षण कर सकें कि क्या यह विस्तारित वायरिंग वास्तव में एक अधिक संवेदनशील या कुशल चुंबकीय कंपास या DNA मरम्मत उपकरण बनाती है।
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