An intramolecular energy metabolism fueling the chain elongation-translocation cycle in hyaluronic acid synthesis

जीवित कोशिकाओं की सूक्ष्म दुनिया के भीतर, एक निरंतर, शांत निर्माण कार्य चल रहा है। कोशिकाएं पॉलीसैकेराइड नामक लंबी, श्रृंखला जैसी अणुओं का निर्माण करती हैं, जो जीवन के लिए संरचनात्मक मचान और संकेतन नेटवर्क के रूप में कार्य करते हैं। ये श्रृंखलाएं, जो दोहराए जाने वाले शर्करा इकाइयों से बनी होती हैं, हमारी त्वचा के लचीलेपन से लेकर कुछ बैक्टीरिया के चारों ओर सुरक्षात्मक कैप्सूल तक, सब कुछ के लिए आवश्यक हैं। इन अणुओं के कार्य करने में एक महत्वपूर्ण कारक उनकी लंबाई है। जिस तरह एक छोटी रस्सी एक लंबी रस्सी के समान कार्य नहीं कर सकती, उसी तरह इन शर्करा श्रृंखलाओं का आकार यह निर्धारित करता है कि वे सूजन को शांत करती हैं या उसे बढ़ाती हैं, या क्या वे ऊतक को ठीक करने में मदद करती हैं या ट्यूमर को बढ़ने देती हैं। इन श्रृंखलाओं के निर्माण के लिए जिम्मेदार मशीनें, जिन्हें सिंथेस (synthases) कहा जाता है, को न केवल शर्करा के टुकड़ों को आपस में जोड़ना होता है, बल्कि बढ़ती हुई श्रृंखला को फैक्ट्री फ्लोर से बाहर धकेलकर कोशिका के बाहरी वातावरण में भी भेजना होता है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि ये मशीनें कच्चे माल को कैसे पकड़ती हैं और उन्हें एक साथ जोड़ती हैं, लेकिन वह तंत्र जो श्रृंखला की भौतिक गति को शक्ति देता है—कि कैसे मशीन कोशिका झिल्ली के एक संकीर्ण सुरंग के माध्यम से बढ़ती हुई रस्सी को धकेलती है—एक रहस्य बना हुआ था।

त्सिंहुआ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस छिपे हुए प्रक्रम पर प्रकाश डाला है, जिससे यह पता चला है कि मशीन स्वयं श्रृंखला को आगे धकेलने के लिए आवश्यक ऊर्जा उत्पन्न करती है। उन्होंने उस एंजाइम पर ध्यान केंद्रित किया जो हयालूरोनिक एसिड (hyaluronic acid) बनाता है, जो मानव संयोजी ऊतकों और कुछ बैक्टीरिया के कैप्सूल में पाया जाने वाला एक महत्वपूर्ण शर्करा श्रृंखला है। उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन और प्रयोगशाला प्रयोगों के संयोजन का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिकों ने पाया कि एंजाइम श्रृंखला को चलाने के लिए किसी अलग ईंधन स्रोत पर निर्भर नहीं करता है। इसके बजाय, यह उस रासायनिक प्रतिक्रिया से ऊर्जा प्राप्त करता है जो श्रृंखला का निर्माण करती है। जब एंजाइम एक नई शर्करा इकाई को जोड़ता है, तो यह एक छोटा रासायनिक उपोत्पाद (byproduct) मुक्त करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस उपोत्पाद का टूटना एंजाइम में एक आकार परिवर्तन को प्रेरित करता है, जो एक यांत्रिक लीवर की तरह कार्य करता है ताकि बढ़ती हुई श्रृंखला को कोशिका झ膜 (membrane) की सुरंग के माध्यम से आगे धकेला जा सके।

अध्ययन की शुरुआत एंजाइम को एक सिम्युलेटेड वातावरण में देखने से हुई, जिसमें यह देखा गया कि एक नई शर्करा इकाई जोड़े जाने के बाद श्रृंखला कैसा व्यवहार करती है। सिमुलेशन ने दिखाया कि बिना किसी अतिरिक्त धक्के के, श्रृंखला केवल अपनी जगह पर हिलती रहेगी, और इतनी दूर तक नहीं जा पाएगी कि अगले टुकड़े के लिए जगह बन सके। श्रृंखला प्रभावी रूप से फंस गई थी, जो बचे हुए रासायनिक उपोत्पाद द्वारा थाम ली गई थी। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि श्रृंखला के हिलने के लिए, इस उपोत्पाद को हटाया जाना आवश्यक था। उन्होंने देखा कि एक बार उपोत्पाद के टूट जाने के बाद, श्रृंखला स्वाभाविक रूप से एक नैनोमीटर के बहुत छोटे अंश तक आगे बढ़ जाती है। यही छोटा सा संचलन कुंजी था। इसने एक बड़े तंत्र को खोल दिया जहाँ एंजाइम की आंतरिक सुरंग, जो पहले एक चिकना सिलेंडर थी, अचानक बीच में संकुचित होकर एक 'आवरग्लास' (hourglass) के आकार की बन गई। इस संकुचन ने श्रृंखला को पकड़ा, उसे थोड़ा घुमाया, और उसे और बाहर खींचा, जिससे अगले निर्माण दौर के लिए रास्ता साफ हो गया।

इस तंत्र की पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सिस्टम को अतिरिक्त ऊर्जा प्रदान करने का तरीका खोजा, यह परिकल्पना करते हुए कि यदि श्रृंखला ऊर्जा की कमी के कारण रुकी हुई है, तो एक सार्वभौमिक कोशिकीय ईंधन जोड़ने से मदद मिल सकती है। उन्होंने अपने टेस्ट ट्यूबों में, जिनमें एंजाइम मौजूद था, एडिनोसिन ट्राइफेस्फेट (ATP), या एटीपी, पेश किया, जो एक ऐसा अणु है जिसका उपयोग कोशिकाएं ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए करती हैं। उन्होंने पाया कि एटीपी की एक विशिष्ट मात्रा जोड़ने से एंजाइम सामान्य से बहुत लंबी श्रृंखलाएं बनाने में सक्षम हुआ। एंजाइम इस ATP को तोड़ने और श्रृंखला की गति को शक्ति देने के लिए इससे निकलने वाली ऊर्जा का उपयोग करने में सक्षम था, जिससे मशीन को वास्तव में 'दूसरी सांस' मिल गई। यह खोज महत्वपूर्ण थी क्योंकि इसने दिखाया कि एंजाइम अपनी निर्माण सामग्री से प्राप्त ऊर्जा और बाहरी ऊर्जा, दोनों का उपयोग कर सकता है, जो कोशिका में उपलब्ध ऊर्जा के स्तर पर निर्भर करता है। शोधकर्ताओं ने एंजाइम पर दो विशिष्ट स्थानों की पहचान की जहाँ यह ऊर्जा-विखंडन हो सकता है: एक मुख्य निर्माण स्थल पर और दूसरा एंजाइम की सतह पर, जिससे यह कोशिका में ऊर्जा के विभिन्न स्तरों के अनुकूल हो सके।

इस खोज के निहितार्थ केवल हयालूरोनिक एसिड तक ही सीमित नहीं हैं। शोधकर्ताओं ने पौधों में सेलुलोज और कीटों के कवच में काइटिन (chitin) बनाने वाली अन्य प्रकार की शर्करा-श्रृंखला बनाने वाली मशीनों के विरुद्ध अपने सिद्धांत का परीक्षण किया। उनके विश्लेषण ने सुझाव दिया कि भौतिक गति को संचालित करने के लिए आंतरिक रासायनिक ऊर्जा का उपयोग करने की यह विधि एक सार्वभौमिक रणनीति है जिसका उपयोग प्रकृति इन लंबी, जटिल अणुओं के निर्माण के लिए करती है। अध्ययन बताता है कि इन श्रृंखलाओं का आकार केवल कितने टुकड़े जोड़े गए इस पर निर्भर नहीं है, बल्कि श्रृंखला को बाहर धकेलने के लिए उपलब्ध ऊर्जा और बढ़ते समय श्रृंखला द्वारा सामना किए जाने वाले प्रतिरोध के बीच के संतुलन पर निर्भर है। यदि प्रतिरोध बहुत अधिक हो जाता है, तो श्रृंखला का बढ़ना रुक जाता है। यदि एंजाइम अतिरिक्त ऊर्जा तक पहुँच सकता है, जैसे कि उन्होंने पेश किया गया ATP, तो वह उस प्रतिरोध को पार कर सकता है और लंबी, अधिक कार्यात्मक श्रृंखलाएं बना सकता है।

यह कार्य इस बात की नई समझ प्रदान करता है कि कोशिकाएं अपनी संरचनाओं के निर्माण के भौतिक कार्य को कैसे प्रबंधित करती हैं। यह प्रकट करता है कि यह प्रक्रिया केवल एक निष्क्रिय असेंबली लाइन नहीं है, बल्कि एक गतिशील, ऊर्जा-कटाई चक्र है जहाँ निर्माण का कार्य गति के कार्य से अटूट रूप से जुड़ा हुआ है। यह उजागर करके कि एंजाइम किस विशिष्ट चरण में आकार बदलता है और भौतिक कार्य करने के लिए रासायनिक ऊर्जा का उपयोग करता है, शोधकर्ताओं ने जीवन की मौलिक यांत्रिकी की एक खिड़की खोल दी है। यह ज्ञान अंततः वैज्ञानिकों को चिकित्सा उपयोग के लिए इन अणुओं के उत्पादन के बेहतर तरीके विकसित करने या यह समझने में मदद कर सकता है कि जब यह नाजुक ऊर्जा संतुलन बाधित होता है तो बीमारियां कैसे उत्पन्न होती हैं। अध्ययन पुष्टि करता है कि जीवन की मशीनरी केवल एक स्थिर ब्लूप्रिंट नहीं है, बल्कि एक स्व-ईंधन इंजन है, जो लगातार रासायनिक संकेतों को जीवित जीवों की जटिल संरचनाओं को बनाए रखने के लिए आवश्यक भौतिक गति में परिवर्तित करती रहती है।