Arginine tuning of coiled-coil peptides yields single-domain nanocrystals

सामग्री विज्ञान (materials science) की दुनिया में, एक निरंतर चुनौती बनी हुई है: कैसे नरम, लचीले पदार्थों को पूर्ण, त्रि-आयामी क्रिस्टल में व्यवस्थित किया जाए। प्रकृति इस समस्या को प्रतिदिन सहजता से हल करती है। जीवित कोशिकाओं के भीतर, प्रोटीन इतनी सटीकता के साथ मुड़ते और जमा होते हैं कि वे जटिल ढांचे और मशीनें बनाते हैं, जो पूरी तरह से उन विशिष्ट रासायनिक अक्षरों द्वारा संचालित होते हैं जो उनकी संरचना बनाते हैं। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से प्रयोगशाला में इस क्षमता की नकल करने का प्रयास किया है, अमीनो एसिड की छोटी श्रृंखलाओं को डिजाइन किया जिन्हें पेप्टाइड्स कहा जाता है जो स्वयं को व्यवस्थित (self-assemble) कर सकते हैं। हालांकि शोधकर्ताओं ने इन अणुओं को फाइबर, ट्यूब और शीट बनाने के लिए सफलतापूर्वक प्रेरित किया है, लेकिन उन्हें एक कठोर, दोहराव वाले क्रिस्टल लैटिस (lattice) में लॉक करना अत्यंत कठिन बना हुआ है। ये अणु व्यवस्थित होने के बजाय अव्यवस्थित ढेरों में आपस में गुच्छों के रूप में जमा हो जाते हैं। इस स्तर का नियंत्रण प्राप्त करना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को जैविक ऊतकों या खनिजों में देखी जाने वाली संरचनात्मक सटीकता के साथ सॉफ्ट मैटेरियल्स को प्रोग्राम करने की अनुमति देगा, जिससे नए प्रकार के चिकित्सा उपकरणों और प्रतिक्रियाशील सामग्रियों के द्वार खुलेंगे।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इन पेप्टाइड श्रृंखलाओं को उनके रासायनिक मेकअप में एक बहुत ही छोटा, विशिष्ट परिवर्तन करके सिंगल-डोमेन नैनोक्रिस्टल बनाने के लिए निर्देशित करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक पेप्टाइड से शुरुआत की जिसे 'कॉइल्ड-कॉइल' संरचना बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जो अनिवार्य रूप से दो अमीनो एसिड स्ट्रैंड्स हैं जो एक रस्सी की तरह एक दूसरे के चारों ओर लिपटे हुए हैं। यह रस्सी जैसी संरचना स्वाभाविक रूप से दूसरों के साथ जुड़ना चाहती है, लेकिन आमतौर पर, यह लंबे, उलझे हुए फाइबर बनाती है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि इन बंडलों की सतह रासायनिक समूहों से ढकी होती है जो या तो एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं या प्रतिकर्षित करते हैं। अपने डिजाइन में, उन्होंने कुछ मानक बिल्डिंग ब्लॉक्स को 'आर्जिनिन' नामक एक अलग घटक से बदल दिया। यह अणु एक अनूठी आकृति रखता है जो इसे अपने पड़ोसियों के साथ मजबूत, विशिष्ट संबंध बनाने की अनुमति देती है, जो एक आणविक गोंद (molecular glue) की तरह कार्य करता है। हालांकि, टीम ने पाया कि केवल इस गोंद को बढ़ाने से बेहतर परिणाम नहीं मिलता है; इसके बजाय, एक 'स्वीट स्पॉट' होता है। यदि इसमें कोई आर्जिनिन नहीं है, तो अणु अव्यवदित समूहों में जमा हो जाते हैं। यदि इसमें बहुत अधिक है, तो तीव्र आकर्षण उन्हें व्यवस्थित होने से पहले ही जाम कर देता है। लेकिन बिल्कुल सही मात्रा के साथ—विशेष रूप से, चालीस-छह की श्रृंखला में तीन या छह आर्जिनिन अणु—पेप्टाइड्स स्वतः ही चिकने, दीर्घवृत्ताकार (ellipsoidal) क्रिस्टल में व्यवस्थित हो जाते हैं जो सैकड़ों नैनोमीटर लंबे होते हैं।

शोधकर्ताओं ने देखा कि यह प्रक्रिया एक एकल, अचानक चरण में नहीं होती है। इसके बजाय, अणु एक ऐसे पथ का अनुसरण करते हैं जिसमें पहले एक सघन, संघनित तरल जैसी अवस्था बनाना शामिल है। इस भीड़भाड़ वाले वातावरण के भीतर, छोटे, संक्षिप्त फाइबर बनना शुरू होते हैं और फिर वे धीरे-धीरे खुद को संरेखित (align) करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे सैनिक एक फॉर्मेशन में अपनी जगह ढूंढते हैं। एक बार जब ये फाइबर ठीक से लाइन में आ जाते हैं, तो वे एक ठोस, व्यवस्थित क्रिस्टल में विलीन हो जाते हैं। उन्नत इमेजिंग तकनीकों का उपयोग करते हुए जो वैज्ञानिकों को जमे हुए नमूनों के भीतर देखने की अनुमति देती हैं, टीम ने इस परिवर्तन को वास्तविक समय में होते हुए देखा। उन्होंने देखा कि तीन आर्जिनिन अणुओं वाला संस्करण बहुत तेजी से क्रिस्टलीकृत हुआ, जिसने मिनटों के भीतर क्रिस्टल बनाए, जबकि छह आर्जिनिन अणुओं वाले संस्करण को अधिक समय लगा, जिससे फाइबर को बड़े, अधिक पूर्ण आकार में पुनर्गठित होने के लिए अधिक समय मिला। हालांकि, दोनों संस्करणों की आंतरिक संरचना समान रही, जिससे पुष्टि हुई कि आर्जिनिन की मात्रा बिल्डिंग ब्लॉक्स के अंतिम आकार को बदलने के बजाय क्रिस्टल निर्माण की गति और आकार को नियंत्रित करती है।

यह खोज विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करती है कि प्रोटीन क्रिस्टलोग्राफी के एक सिद्धांत को सरल, कृत्रिम डिजाइनों पर लागू किया जा सकता है। वर्षों से, वैज्ञानिक जानते थे कि प्राकृतिक प्रोटीनों के कुछ लचीले हिस्सों को आर्जिनिन से बदलने से अक्सर उन्हें क्रिस्टल बनाने में मदद मिलती है, लेकिन यह स्पष्ट नहीं था कि क्या यह नियम उन छोटे, मानव-निर्मित पेप्टाइड्स पर लागू होता है जो जटिल आकारों में नहीं मुड़ते। यह अध्ययन दिखाता है कि यह लागू होता है। इन आर्जिनिन अणुओं के घनत्व को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने एक अव्यवस्थित मिश्रण को एक अत्यधिक व्यवस्थित, सिंगल-क्रिस्टल सामग्री में बदलने का एक पूर्वानुमानित तरीका बनाया। परिणामी नैनोक्रिस्टल एकसमान (uniform) हैं, जिसका अर्थ है कि वे छोटे क्रिस्टल के पैचवर्क के बजाय एक निरंतर क्रिस्टल टुकड़े से बने हैं। संरचनात्मक अखंडता का यह स्तर सॉफ्ट मैटेरियल्स में दुर्लभ है और यह सुझाव देता है कि इन पेप्टाइड बंडलों की आंतरिक वास्तुकला एक मचान (scaffold) के रूप में कार्य करती है जो आणविक पैमाने से लेकर दृश्य पैमाने तक असेंबली प्रक्रिया को निर्देशित करती है।

टीम ने यह भी पाया कि उनके द्वारा बनाए गए क्रिस्टल की एक विशिष्ट, दोहराव वाली आंतरिक ज्यामिति है। घुमावदार रस्सी जैसे बंडल एक पैटर्न में पैक होते हैं जो एक निकट-षट्कोणीय (near-hexagonal) ग्रिड के समान है, जिसमें प्रत्येक स्ट्रैंड के बीच एक सुसंगत दूरी होती है। इस नियमितता की पुष्टि क्रिस्टल के माध्यम से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों के प्रकीर्णन (scatter) का विश्लेषण करके की गई, जो परमाणुओं के सटीक अंतराल को प्रकट करने वाली एक तकनीक है। तथ्य यह है कि दोनों तेज़-बनने वाले और धीरे-बनने वाले क्रिस्टल एक ही आंतरिक अंतराल साझा करते हैं, यह दर्शाता है कि आर्जिनिन अणु केवल संरचना को थामे नहीं रखते हैं; वे पूरी असेंबली प्रक्रिया को निर्देशित कर रहे हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि आर्जिनिन समूह पर्याप्त दिशात्मक आकर्षण प्रदान करते हैं ताकि फाइबर को संरेखित करने के लिए खींचा जा सके, लेकिन इतने मजबूत नहीं हैं कि वे अणुओं को हिलने और अपनी सही स्थिति खोजने से रोक दें। यह संतुलन सिस्टम को सबसे स्थिर, व्यवस्थित अवस्था खोजने तक विभिन्न व्यवस्थाओं को खोजने की अनुमति देता है।

यह कार्य सॉफ्ट मैटेरियल्स को डिजाइन करने के लिए एक नया ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। अणुओं को व्यवस्थित करने के लिए धातु आयनों जैसे बाहरी ट्रिगर्स या धीमी हीटिंग पर निर्भर रहने के बजाय, वैज्ञानिक अब निर्देश सीधे पेप्टाइड के अनुक्रम (sequence) में ही एनकोड कर सकते हैं। आर्जिनिन अवशेषों की संख्या को समायोजित करके, यह नियंत्रित करना संभव है कि सामग्री एक क्रिस्टल बनाएगी या नहीं, वह कितनी तेजी से बनती है, और क्रिस्टल कितने बड़े होते हैं। यह दृष्टिकोण क्षेत्र को आणविक स्तर पर पदार्थ को प्रोग्राम करने के लक्ष्य के करीब ले जाता है, जहाँ रासायनिक कोड अंतिम भौतिक रूप निर्धारित करता है। हालांकि इस अध्ययन ने एक विशिष्ट प्रकार के पेप्टाइड पर ध्यान केंद्रित किया, लेकिन अंतर्निहित सिद्धांत—कि विशिष्ट रासायनिक समूहों का घनत्व विकार से व्यवस्था की ओर संक्रमण को ट्यून कर सकता है—अन्य सॉफ्ट मैटेरियल्स पर भी लागू किया जा सकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि सही अनुक्रम के साथ, सरल बिल्डिंग ब्लॉक्स भी जटिल, कार्यात्मक संरचनाओं में स्व-व्यवस्थित हो सकते हैं, जो तरल पदार्थों की अराजक दुनिया और क्रिस्टल की सटीक व्यवस्था के बीच के अंतर को पाटते हैं।