Living Cells Respond to the Interface Tension of Soft Solids

द दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि जीवित कोशिकाएं अपने नीचे की जमीन की कठोरता के प्रति संवेदनशील होती हैं। जिस तरह एक व्यक्ति पक्की सड़क की तुलना में कीचड़ भरे खेत में अलग तरह से चल सकता है, कोशिकाएं भी इस आधार पर अपना आकार, गति और आंतरिक संरचना बदल लेती हैं कि वे एक सख्त सतह पर बैठी हैं या एक नरम सतह पर। यांत्रिक कठोरता को महसूस करने और उस पर प्रतिक्रिया करने की इस क्षमता को 'मैकेनोसेंसिंग' (mechanosensing) कहा जाता है। यह एक मौलिक प्रक्रिया है जो कोशिकाओं को यह तय करने में मदद करती है कि उन्हें बढ़ना चाहिए, विभाजित होना चाहिए, या हिलना-डुलना चाहिए, और यह इस बात में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है कि ऊतक (tissues) कैसे बनते हैं और कैंसर जैसी बीमारियां कैसे फैलती हैं। इसका अध्ययन करने के लिए, शोधकर्ता आमतौर पर कृत्रिम सतहों पर कोशिकाओं को उगाते हैं जो हमारे शरीर के प्राकृतिक वातावरण की नकल करती हैं। इन सतहों के लिए उपयोग किए जाने वाले दो सबसे सामान्य पदार्थ हाइड्रो जैल (hydrogels), जो हमारे शरीर के भीतर के ऊतकों के समान जल-समृद्ध जेल हैं, और इलास्टोमर्स (elastomers), जो रबर जैसे प्लास्टिक होते हैं, हैं।

हालांकि, प्रयोगशाला में एक लंबे समय से चला आ रहा रहस्य बना हुआ है: कोशिकाएं इन दोनों सामग्रियों पर अलग तरह से व्यवहार करती हैं, भले ही उन्हें समान मापी गई कठोरता (stiffness) के साथ बनाया गया हो। एक नरम रबर की सतह पर, कोशिकाएं अक्सर इस तरह व्यवहार करती हैं जैसे कि वह सामग्री वास्तव में जितनी कठोर है, उससे कहीं अधिक सख्त हो। वर्षों तक, वैज्ञानिकों को संदेह था कि सतह की खुरदरापन, सरंध्रता (porosity), या पानी को दूर भगाने वाले गुणों जैसे कारक इसके लिए जिम्मेदार हैं। लेकिन इस विसंगति का वास्तविक कारण छिपा हुआ था, जिससे यह समझ विकसित करने में एक अंतर रह गया कि कोशिकाएं वास्तव में अपनी दुनिया को कैसे देखती हैं।

ट्यूबिंगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पहेली के लापता हिस्से को खोज निकाला है। उन्होंने पाया कि इन प्रयोगों में उपयोग की जाने वाली रबर जैसी सतहों में एक छिपी हुई भौतिक विशेषता होती है जिसे 'इंटरफेस टेंशन' (interface tension) कहा जाता है। यह एक ऐसा बल है जो ठीक उस किनारे पर कार्य करता है जहाँ ठोस सामग्री तरल वातावरण से मिलती है, जो पानी की एक बूंद की सतह पर महसूस होने वाले तनाव के समान है। शोधकर्ताओं ने पाया कि नरम रबर के आधार (substrates) पर, यह इंटरफेस टेंशन आश्चर्यजनक रूप से मजबूत होता है, जो 10 से 20 मिलीन्यूटन प्रति मीटर के बीच होता है। यह बल इतना महत्वपूर्ण है कि यह कोशिका के दृष्टिकोण से सतह को प्रभावी रूप से सख्त कर देता है। जब एक कोशिका नरम रबर की सतह पर दबाव डालने की कोशिश करती है, तो उसे न केवल रबर के कोमलता का सामना करना पड़ता है, बल्कि इस इंटरफेस टेंशन से मिलने वाले अतिरिक्त प्रतिरोध का भी सामना करना पड़ता है। परिणाम यह होता है कि कोशिका एक ऐसी सतह को महसूस करती है जो रबर की वास्तविक कठोरता से बहुत अधिक सख्त है।

इस अदृश्य बल को प्रकट करने के लिए, टीम ने 'स्कैनिंग आयन कंडक्टेंस माइक्रोस्कोपी' नामक एक विशेष इमेजिंग टूल का उपयोग किया। पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी (microscopes) के विपरीत, जो नमूने को दबा सकते हैं या कुचल सकते हैं, यह तकनीक सतह के ठीक ऊपर मंडराती है, और तरल से भरे एक छोटे कांच के सिरे के माध्यम से बिजली के प्रवाह को मापती है। रबर की सतहों को इस विधि से धीरे से जांचकर, शोधकर्ता माप सके कि सूक्ष्म बल के तहत सामग्री कितनी विकृत (deform) हुई। उन्होंने पाया कि जबकि रबर बड़े पैमाने के उपकरणों से मापने पर नरम महसूस होता था, लेकिन सूक्ष्मदर्शी के छोटे सिरे के नीचे यह उल्लेखनीय रूप से सख्त दिखाई देता था। यह विसंगति इसलिए हुई क्योंकि इंटरफेस टेंशन विकृति का विरोध कर रहा था, जिससे नरम रबर एक बहुत अधिक कठोर सामग्री की तरह प्रतीत होने लगा।

शोधकर्ताओं ने फिर यह परीक्षण किया कि क्या इस तनाव को हटाने से कोशिकाओं के व्यवहार में बदलाव आएगा। उन्होंने रबर की सतहों को एक ऐसे पदार्थ से उपचारित किया जिसे 'इमल्सीफायर' (emulsifier) के रूप में जाना जाता है, जिसे सतह के तनाव को कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस उपचार के बाद, इंटरफेस टेंशन काफी गिर गया, जो घटकर लगभग 3 से 4 मिलीन्यूटन प्रति मीटर रह गया। जब उन्होंने इन उपचारित सतहों पर कोशिकाओं को उगाया, तो व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। कोशिकाएं अब ऐसी व्यवहार नहीं करती थीं जैसे कि सतह सख्त हो; इसके बजाय, वे ठीक उसी तरह फैल गईं और व्यवहार किया जैसे वे एक नरम हाइड्रो जेल पर करती हैं। इसने पुष्टि की कि कोशिकाएं रबर की अंतर्निहित कठोरता के प्रति प्रतिक्रिया नहीं कर रही थीं, बल्कि कठोरता और इंटरफेस टेंशन के संयुक्त प्रभाव के प्रति प्रतिक्रिया कर रही थीं।

इन अवलोकनों को जोड़कर, टीम ने इस घटना की व्याख्या करने के लिए एक सरल भौतिक मॉडल विकसित किया। उन्होंने निर्धारित किया कि कोशिकाएं एक "प्रभावी कठोरता" (effective stiffness) को महसूस करती हैं जो सामग्री की वास्तविक कठोरता और इंटरफेस टेंशन से प्राप्त एक मान का योग है। यह संबंध एक विशिष्ट लंबाई के पैमाने (length scale) पर निर्भर करता, जिसे शोधकर्ताओं ने लगभग 3 माइक्रोमीटर की गणना की। यह आकार मोटे तौर पर उन सूक्ष्म लंगर (anchors) के पैमाने के अनुरूप है जिनका उपयोग कोशिकाएं सतहों पर पकड़ बनाने के लिए करती हैं। मॉडल बताता है कि जब भी कोई कोशिका किसी नरम सामग्री के साथ संपर्क करती है, तो वह अनिवार्य रूप से सामग्री की 'बल्क स्टिफनेस' (bulk stiffness) और उसकी सतह के तनाव के संयोजन को महसूस करती है।

यह खोज इस बात को नया रूप देती है कि वैज्ञानिकों को नरम सामग्रियों से जुड़े प्रयोगों की व्याख्या कैसे करनी चाहिए। यह समझाता है कि क्यों रबर के आधारों पर कोशिकाएं ऐतिहासिक रूप से हाइड्रो जैल की तुलना में अलग व्यवहार करती आई हैं, भले ही उन सामग्रियों को समान कठोरता का होने के लिए बनाया गया था। अध्ययन दिखाता है कि इंटरफेस टेंशन एक महत्वपूर्ण, फिर भी अक्सर अनदेखा किया जाने वाला कारक है। शोधकर्ताओं के लिए, इसका अर्थ यह है कि केवल किसी सामग्री की कठोरता का मिलान करना ही पर्याप्त नहीं है; उन्हें सतह पर तनाव का भी ध्यान रखना होगा। इस गुण को समझकर और नियंत्रित करके, वैज्ञानिक मानव शरीर के अधिक सटीक मॉडल बना सकते हैं, जिससे स्वास्थ्य और रोग में कोशिकाओं के कार्य करने के बारे में बेहतर अंतर्दृष्टि प्राप्त हो सकती है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि कोशिकाएं जिस भौतिक दुनिया में रहती हैं, वह केवल कठोरता के एक साधारण माप से कहीं अधिक जटिल है, जिसमें बलों का एक नाजुक संतुलन शामिल है जो सूक्ष्म स्तर पर जीवन को निर्देशित करता है।