Living hydrogels with catalytic function grown from engineered yeast co-cultures
यह शोध पत्र एक इंजीनियर जीवित सामग्री प्रणाली प्रस्तुत करता है जो सह-संवर्धित (co-cultured) यीस्ट उपभेदों और सेलुलोज नैनोफाइब्रिल्स का उपयोग करके सीधे उत्प्रेरक, प्रोटीन-आधारित हाइड्रोजेल को बेहतर विस्कोइलास्टिक गुणों के साथ विकसित करती है, जिससे जटिल रासायनिक निर्माण के स्थान पर एक सरल जैविक विकास प्रक्रिया स्थापित होती है।
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कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ हम चिकित्सा उपकरणों, सॉफ्ट रोबोट या यहाँ तक कि भोजन के निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियाँ भारी मशीनरी और जहरीले रसायनों वाले कारखानों में नहीं बनाती हैं, बल्कि उन्हें एक बगीचे की तरह उगाया जाता है। यह 'इंजीनियरड लिविंग मैटेरियल्स' (अभियंत्रित जीवित सामग्रियों) का वादा है, एक ऐसा क्षेत्र जहाँ वैज्ञानिक सूक्ष्म जीवों को उनके लिए संरचनाएँ बनाने के लिए प्रोग्राम करते हैं। इस कहानी के केंद्र में हाइड्रो जैल (hydrogels) हैं, जो मुख्य रूप से पानी से बने नरम, जेली जैसे नेटवर्क हैं जो जीवित कोशिकाओं को धारण कर सकते हैं और जीवन का समर्थन कर सकते हैं। ये सामग्रियाँ कृत्रिम त्वचा, घाव के ड्रेसिंग और ऊतक मचान (tissue scaffolds) जैसी चीजों के लिए आवश्यक हैं। हालाँकि, उन्हें बनाना पारंपरिक रूप से एक कठिन और अक्सर हानिकारक प्रक्रिया रही है। तरल प्रोटीन को ठोस जेल में बदलने के लिए, निर्माताओं को आमतौर पर कठोर रासायनिक क्रॉसलिंकर्स या महंगे, शुद्ध एंजाइमों को मिलाना पड़ता है। ये रसायन उन कोशिकाओं के लिए जहरीले हो सकते हैं जिन्हें यह जेल बचाने के लिए बनाया गया है, और शुद्धिकरण के चरण ऊर्जा-गहन और उबाऊ होते हैं। हालाँकि, प्रकृति ने इस समस्या को अरबों वर्षों से हल किया है। हमारे अपने शरीर में और प्राकृतिक दुनिया में जीवित कोशिकाएं, बिना किसी जहरीले योजकों के, प्रोटीन को आपस में जोड़कर जेल जैसी संरचनाओं का निर्माण और मरम्मत लगातार करती रहती हैं। शोधकर्ता यह सवाल पूछ रहे थे कि क्या हम सूक्ष्मजीवों को यही करने के लिए सिखा सकते हैं, यानी इन उपयोगी सामग्रियों को केवल एक तरल कल्चर में उगाकर बना सकते हैं।
एल्टो यूनिवर्सिटी और इंपीरियल कॉलेज लंदन के वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब इस प्रश्न का जोरदार जवाब 'हाँ' के साथ दिया है। उन्होंने एक ऐसी प्रणाली विकसित की है जहाँ इंजीनियर की गई यीस्ट कोशिकाएं सीधे एक तरल ब्रॉथ (broth) से एक मजबूत, कार्यात्मक हाइड्रो जेल उगाती हैं, जिससे बाहरी रसायनों या जटिल विनिर्माण चरणों की आवश्यकता पूरी तरह से समाप्त हो जाती है। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार के एंजाइम, जिसे ट्रांसग्लूटामिनेज (transglutaminase) कहा जाता है, की जांच से शुरुआत की, जो एक आणविक गोंद की तरह कार्य करता है और प्रोटीन श्रृंखलाओं को एक ठोस नेटवर्क बनाने के लिए जोड़ने में सक्षम है। हालाँकि प्रकृति में इस एंजाइम के कुछ संस्करण मौजूद हैं, टीम ने बैक्टीरिया के संस्करणों का उपयोग करना चुना क्योंकि वे मजबूत हैं और उन्हें काम करने के लिए अतिरिक्त सहायक अणुओं की आवश्यकता नहीं होती है। उन्होंने चार अलग-अलग बैक्टीरिया एंजाइमों को लिया और यीस्ट कोशिकाओं को उन्हें उत्पादित करने के लिए प्रोग्राम किया। सबसे अच्छे उम्मीदवार को खोजने के लिए, उन्होंने इन एंजाइमों को यीस्ट कोशिकाओं की सतह पर प्रदर्शित किया और एक छंटनी प्रक्रिया का उपयोग किया जिससे यह पहचाना जा सके कि यीस्ट उन्हें सबसे प्रभावी ढंग से कैसे बना सकता है। उन्होंने पाया कि 'स्ट्रैप्टोमाइसेस मोबाराएंसिस' (Streptomyces mobaraensis) नामक बैक्टीरिया का एक एंजाइम स्पष्ट विजेता था।
अगली चुनौती यीस्ट को इस एंजाइम को तरल में स्रावित करने के लिए तैयार करना था ताकि यह आसपास के वातावरण में मौजूद प्रोटीनों पर काम कर सके। शोधकर्ताओं ने यीस्ट को इस तरह इंजीनियर किया कि वह एंजाइम को स्वतंत्र रूप से ब्रॉथ में छोड़ सके। उन्होंने तरल कल्चर में 'केसीन' (casein) नामक एक विशिष्ट प्रोटीन मिलाया, जो उन निर्माण खंडों से समृद्ध है जिनकी एंजाइम को कार्य करने के लिए आवश्यकता होती है। जब यीस्ट को एक शांत, निर्बाध कंटेनर में बढ़ने के लिए छोड़ा गया, तो उन्होंने एंजाइम का स्राव करना शुरू कर दिया। इस एंजाइम ने केसीन प्रोटीनों को आपस में जोड़ना शुरू कर दिया। हालाँकि, एक समस्या उत्पन्न हुई: यीस्ट कोशिकाएं बहुत भारी होती हैं इसलिए वे तैर नहीं पातीं और नीचे बैठ जाती हैं। परिणामस्वरूप, एंजाइम केवल नीचे की ओर उत्पादित हुआ, और जेल केवल वहां एक मोटी परत के रूप में बना, जिससे बाकी तरल अपरिवर्तित रह गया। सामग्री एक समान नहीं थी, और यह प्रक्रिया अक्षम थी।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सुराग के लिए प्रकृति की ओर देखा। जंगली अवस्था में यीस्ट कोशिकाएं अक्सर पौधों के अवशेषों, जैसे कि सड़ते हुए फल या पेड़ की छाल से चिपकी रहती हैं, जो सेलुलोज से भरपूर होते हैं। टीम ने सोचा कि क्या वे यीस्ट कोशिकाओं को तरल में निलंबित रखने के लिए सेलुलोज के सूक्ष्म तंतुओं, जिन्हें नैनोफाइब्रिल्स (nanofibrils) कहा जाता है, का उपयोग कर सकते हैं। उन्होंने कल्चर में इन नैनोफाइब्रिल्स की एक छोटी मात्रा मिलाई। इन रेशों ने एक कोमल, अदृश्य मचान (scaffold) की तरह कार्य किया, जिसने पूरे तरल आयतन में यीस्ट कोशिकाओं को अपनी जगह बनाए रखने में मदद की। कोशिकाओं के अब समान रूप से वितरित होने के साथ, उनके द्वारा उत्पादित एंजाइम पूरे कंटेनर में केसीन प्रोटीनों तक पहुँच सका। परिणाम एक परिवर्तन था: पूरा तरल कुछ ही दिनों के भीतर एक समान, स्व-खड़े (self-standing) हाइड्रो जेल में बदल गया। यह जेल केवल एक साधारण मिश्रण नहीं था; इसमें एक अनूठी दोहरी संरचना थी। नेटवर्क का एक हिस्सा सेलुलोज फाइबर के भौतिक रूप से उलझे हुए होने से बना था, और दूसरा हिस्सा प्रोटीन का था जो यीस्ट के एंजाइम द्वारा रासायनिक रूप से चिपकाया गया था। इस संयोजन ने सामग्री को उल्लेखनीय रूप से मजबूत और लचीला बना दिया, जो इसे दबाने के बाद भी अपना आकार बनाए रखने में सक्षम बनाता है, जबकि यह 94 प्रतिशत पानी से बना है।
हालाँकि, इस जीवित प्रणाली की वास्तविक शक्ति केवल एक जेल बनाने की इसकी क्षमता में नहीं है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि वे एक ऐसा जेल उगा सकते हैं जो एक विशिष्ट रासायनिक कार्य भी करता है। उन्होंने जेल बनाने वाली यीस्ट के साथ एक दूसरी प्रकार की यीस्ट को सह-संवर्धित (co-cultivate) किया, जिसे एंटीबायोटिक दवाओं को तोड़ने वाले एंजाइम का उत्पादन करने के लिए इंजीनियर किया गया था। चूंकि दोनों प्रकार की यीस्ट एक ही तरल में एक साथ बढ़ रही थीं, इसलिए परिणामी हाइड्रो जेल में संरचनात्मक प्रोटीन और एंटीबायोटिक-तोड़ने वाला एंजाइम दोनों शामिल थे। जब उन्होंने जेल का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह एक रासायनिक संकेतक (indicator) के रंग को सफलतापूर्वक बदल सकता है, जो यह सिद्ध करता है कि जीवित सामग्री सक्रिय रूप से एक उत्प्रेरक (catalytic) कार्य कर रही थी। इसका अर्थ है कि उन्होंने एक ही चरण में, एक ऐसी सामग्री विकसित की जो एक संरचनात्मक जेल और एक कार्यात्मक उपकरण दोनों थी।
यह कार्य इस बारे में हमारी सोच में एक मौलिक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है कि हम सामग्रियों का निर्माण कैसे कर सकते हैं। रसायनों को एक बर्तन में प्रतिक्रिया करने के लिए मजबूर करने के बजाय, वैज्ञानिकों ने सामग्री को स्वयं बढ़ने दिया, जिसका मार्गदर्शन जीवित कोशिकाओं के भीतर मौजूद आनुवंशिक निर्देशों द्वारा किया गया। यह प्रक्रिया सरल है, जिसमें केवल तरल माध्यम में यीस्ट का संवर्धन आवश्यक है, और यह पूरी तरह से जहरीले क्रॉसलिंकर्स के उपयोग से बचती है। परिणामी हाइड्रो जैल मजबूत, लचीले हैं और उन्हें विशिष्ट कार्यों को करने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है, जैसे कि हानिकारक पदार्थों को तोड़ना। चूंकि उपयोग की जाने वाली यीस्ट को आम तौर पर सुरक्षित माना जाता है और एंजाइम पहले से ही खाद्य उद्योग में उपयोग किए जाते हैं, इसलिए यह दृष्टिकोण चिकित्सा, भोजन और उन्नत तकनीक के लिए नए प्रकार की बायोडिग्रेडेबल (जैव-अपघटनीय) सामग्रियाँ बनाने का मार्ग प्रशस्त करता है। यह अध्ययन दिखाता है कि जीवित कोशिकाओं की प्राकृतिक क्षमताओं के साथ काम करके, हम जटिल, उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्रियाँ उगा सकते जो पहले कठोर औद्योगिक प्रक्रियाओं के बिना बनाना असंभव था।
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