Noncanonical catalytic-relay geometry and PET-oligomer accommodation in a CheB-like α/β-hydrolase from Pseudomonas marincola

प्लास्टिक की बोतलें और सिंथेटिक फाइबर अपनी स्थायित्व के लिए एक ऐसी रासायनिक संरचना के ऋणी हैं जो टूटने का विरोध करती है, जो उन्हें पैकेजिंग के लिए आदर्श लेकिन पुनर्चक्रण (रिसाइकिल) के लिए कठिन बनाती है। दशकों से, वैज्ञानिक प्रकृति के समाधान की तलाश कर रहे हैं: एक ऐसा एंजाइम जो आणविक कैंची की तरह कार्य कर सके और इन कठिन प्लास्टिक श्रृंखलाओं को उनके मूल निर्माण खंडों में वापस काट सके। ऐसे एंजाइम का सबसे प्रसिद्ध उदाहरण जापान में एक रीसाइक्लिंग प्लांट के पास पाए गए एक बैक्टीरिया में खोजा गया था, जिसने यह सिद्ध किया कि जीव विज्ञान वास्तव में प्लास्टिक को खा सकता है। हालांकि, एक नया एंजाइम खोजना केवल विशिष्ट सामग्रियों के एक सेट को खोजने जितना सरल नहीं है। कई एंजाइम एक सामान्य संरचनात्मक ब्लूप्रिंट साझा करते हैं, जिसमें तीन रासायनिक घटक शामिल होते हैं जो आमतौर पर बंधों (बॉन्ड्स) को काटने के लिए मिलकर काम करते हैं। केवल इसलिए कि एक एंजाइम में यह तिकड़ी मौजूद है, यह गारंटी नहीं देता कि वह प्लास्टिक से निपटने के लिए तैयार है; घटकों को एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से व्यवस्थित होना चाहिए, और एंजाइम के पास प्लास्टिक की श्रृंखला को काटने के दौरान उसे थामने के लिए पर्याप्त बड़ा पॉकेट होना चाहिए।

शोधकर्ताओं ने हाल ही में अपना ध्यान 'स्यूडोमोनास मैरिनकोला' (Pseudomonas marinola) नामक समुद्री बैक्टीरिया से पहचाने गए एक नए एंजाइम की ओर केंद्रित किया है। यह एंजाइम, जिसे A0AًS2BEP2 के रूप में जाना जाता है, प्रोटीन के एक ऐसे परिवार से संबंधित है जो आमतौर पर बैक्टीरिया को उनके वातावरण को समझने में मदद करते हैं, लेकिन इसकी संरचना ने यह संकेत दिया कि इसमें पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट (PET), यानी पानी की बोतलों में इस्तेमाल होने वाले प्लास्टिक को तोड़ने की क्षमता भी हो सकती है। प्रयोगशाला प्रयोगों में वर्षों प्रतीक्षा किए बिना इस संभावना का परीक्षण करने के लिए, टीम ने एंजाइम का एक 3D मॉडल बनाने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया और फिर वर्चुअली प्लास्टिक के छोटे टुकड़ों को इसके सक्रिय स्थल (एक्टिव साइट) में रखा। वे एक बहुत ही विशिष्ट परिणाम की तलाश में थे: क्या प्लास्टिक सही स्थिति में बैठेगा, जो एंजाइम के काटने वाले उपकरण के इतना करीब हो कि रासायनिक प्रतिक्रिया हो सके?

अध्ययन की शुरुआत एंजाइम के दो अलग-अलग कंप्यूटर मॉडल बनाकर हुई ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि परिणाम केवल एक विशिष्ट सॉफ्टवेयर प्रोग्राम का संयोग नहीं है। एक मॉडल को ज्ञात प्रोटीन संरचनाओं पर प्रशिक्षित एक आधुनिक आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस सिस्टम का उपयोग करके बनाया गया था, जबकि दूसरे को एंजाइम के अनुक्रम (सीक्वेंस) की तुलना एक समान प्रोटीन की ज्ञात प्रयोगात्मक संरचना से करके बनाया गया था। दोनों मॉडल एंजाइम के मुख्य भाग (कोर) के समग्र आकार पर सहमत थे, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए जिम्मेदार होता है। हालांकि, जब शोधकर्ताओं ने एंजाइम के भीतर तीन प्रमुख रासायनिक घटकों की व्यवस्था की जांच की, तो उन्हें कुछ अप्रत्याशित मिला। उन एंजाइमों में जो सफलतापूर्वक प्लास्टिक को काटते हैं जाने जाते हैं, ये घटक एक सटीक क्रम में व्यवस्थित होते हैं जो उन्हें एक रिले बैटन की तरह रासायनिक आवेश (चार्ज) को आगे बढ़ाने की अनुमति देता है। इस समुद्री एंजाइम में, क्रम उल्टा था। जो घटक आवेश प्राप्त करने वाला होना चाहिए था, वह इसके बजाय आवेश देने की स्थिति में था, और इसके विपरीत। इस "नॉनकैनोनिकल" (गैर-मानक) व्यवस्था का अर्थ था कि यह एंजाइम एक काम करने वाली प्लास्टिक खाने वाली मशीन की तरह काम करने के लिए पूर्व-संगठित नहीं था।

यह देखने के लिए कि क्या यह एंजाइम इस अजीब व्यवस्था के बावजूद कार्य कर सकता है, टीम ने एक वर्चुअल डॉकिंग प्रयोग किया। उन्होंने प्लास्टिक की श्रृंखला के टूटे हुए सिरों का प्रतिनिधित्व करने वाले प्लास्टिक के दो छोटे टुकड़ों को लिया और उन्हें एंजाइम के सक्रिय स्थल में फिट करने का प्रयास किया। उन्होंने सिमुलेशन को बारह बार चलाया, जिससे प्लास्टिक के अणुओं के सैकड़ों संभावित स्थान उत्पन्न हुए। कंप्यूटर ने प्रत्येक स्थिति को इस आधार पर स्कोर किया कि प्लास्टिक कितनी अच्छी तरह फिट हुआ और वह एंजाइम से कितनी मजबूती से चिपका। हालांकि कंप्यूटर ने कई ऐसी स्थितियां पाईं जहां प्लास्टिक अच्छी तरह से चिपका, लेकिन उनमें से बहुत कम ही ऐसी थीं जो काटने के लिए सही स्थान पर थीं। 120 अलग-अलग डॉकिंग प्रयासों में से, केवल पांच स्थितियों ने प्लास्टिक को एंजाइम के काटने वाले उपकरण के इतने करीब और सही कोण पर रखा कि वह संभावित रूप से प्रतिक्रिया कर सके। इससे भी अधिक स्पष्ट बात यह थी कि सबसे अच्छे स्थान, जहाँ प्लास्टिक सबसे मजबूती से चिपका था, वास्तव में काटने वाले उपकरण से दूर, एक पास की खांच (ग्रूव) में स्थित थे।

शोधकर्ताओं ने अपने परिणामों की तुलना एक ज्ञात प्लास्टिक खाने वाले एंजाइम से की जिसका प्रयोगशाला में अध्ययन किया गया था। जब उन्होंने उसी वर्चुअल टेस्ट को उस ज्ञात एंजाइम पर चलाया, तो कंप्यूटर भी किसी भी ऐसी स्थिति को खोजने में विफल रहा जहां प्लास्टिक काटने के लिए पर्याप्त करीब हो, जिससे यह पुष्टि हुई कि सिमुलेशन वास्तविक व्यवहार कर रहा था और केवल परिणाम गढ़ नहीं रहा था। इस तथ्य ने कि नए समुद्री एंजाइम ने कुछ आशाजनक स्थितियां दिखाईं, यह सुझाव देता है कि यह प्लास्टिक के एक टुकड़े को पकड़ने में सक्षम हो सकता है, लेकिन इसके आंतरिक घटकों की उलटी व्यवस्था और सही स्थान पर शीर्ष-स्कोरिंग स्थितियों की कमी यह दर्शाती है कि यह एक बना-बनाया प्लास्टिक खाने वाला यंत्र नहीं है। अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि हालांकि इस एंजाइम के पास एक ऐसी मशीन का बुनियादी आकार है जो प्लास्टिक को काट सकती है, लेकिन यह वर्तमान में कुशलतापूर्वक ऐसा करने के लिए तैयार नहीं है। इसे एक प्रभावी उपकरण बनने से पहले अपनी संरचना या अपने आंतरिक रासायनिक विन्यास में महत्वपूर्ण बदलावों की आवश्यकता हो सकती है।

यह कार्य नए प्लास्टिक खाने वाले एंजाइमों की खोज के लिए एक महत्वपूर्ण सबक को उजागर करता है: सही पुर्जों को ढूंढना ही पर्याप्त नहीं है। पुर्जों को बिल्कुल सही विन्यास में असेंबल किया जाना चाहिए, और मशीन को प्लास्टिक को सही तरीके से पकड़ने में सक्षम होना चाहिए। यहाँ अध्ययन किया गया समुद्री एंजाइम एक अनुस्मारक के रूप में कार्य करता है कि प्रकृति की विविधता में ऐसे कई प्रोटीन शामिल हैं जो ऐसा दिख सकते हैं कि वे कोई काम कर सकते हैं, लेकिन वे पूरी तरह से तैयार नहीं हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि भविष्य का कार्य इस एंजाइम का वास्तविक लैब में परीक्षण करने पर केंद्रित होना चाहिए, शायद इसके आकार को बदलने या रासायनिक स्थितियों को बदलने के माध्यम से इसे काम करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। तब तक, कंप्यूटर सिमुलेशन एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करते हैं कि क्या संभव है और क्या नहीं, जो वैज्ञानिकों को मृत अंतों (डेड एंड्स) से दूर और उन एंजाइमों की ओर ले जाते हैं जो वास्तव में प्लास्टिक की समस्या को हल कर सकते हैं।