Theoretical analysis of forces generated by mitotic spindle

प्रत्येक जीवित कोशिका जो विभाजित होती है, उसे सटीक इंजीनियरिंग का एक कारनामा करना पड़ता है: उसे अपनी आनुवंशिक सामग्री को दो समान सेटों में विभाजित करना होता है और उन्हें कोशिका के विपरीत सिरों की ओर खींचना होता है। यह प्रक्रिया, जिसे माइटोसिस (mitosis) कहा जाता है, स्पिंडल नामक एक अस्थायी संरचना पर निर्भर करती है, जो प्रोटीन तंतुओं से बनी एक सूक्ष्म मशीन है जो एक मचान (scaffold) और एक मोटर दोनों के रूप में कार्य करती है। इस मशीन के भीतर, नन्हे आणविक मोटर इन तंतुओं पर चलते हैं, जिससे वह तनाव उत्पन्न होता है जो गुणसूत्रों (chromosomes) को कोशिका के केंद्र में संरेखित करने के लिए आवश्यक है और बाद में उन्हें अलग करने के लिए आवश्यक शक्तिशाली बल प्रदान करता है। वैज्ञानिक लंबे समय से यह मापने में सक्षम रहे हैं कि संरेखण चरण के दौरान गुणसूत्रों को स्थिर रखने के लिए ये तंतु कितना बल लगाते हैं, लेकिन जब वे अगले चरण को देखते हैं, तो एक पहेली जैसा अंतर उभर कर आता है। जब शोधकर्ताओं ने पृथक्करण चरण के दौरान एक गुणसूत्र को हिलने से रोकने की कोशिश की, तो उन्होंने पाया कि इसे रोकने के लिए उस बल से सैकड़ों गुना अधिक बल की आवश्यकता थी जो पहले इसे स्थिर रखने के लिए आवश्यक था। यह विशाल अंतर वैज्ञानिकों को यह सोचने पर मजबूर कर देता है कि मशीन को रुकने के लिए इतनी अधिक शक्ति उत्पन्न करने के लिए इतने बड़े बल की आवश्यकता क्यों है, और वह शक्ति कहाँ से आती है।

चीनी विज्ञान अकादमी के पिंग ज़ी द्वारा किया गया एक नया सैद्धांतिक अध्ययन यह सुझाव देकर इस रहस्य का स्पष्ट स्पष्टीकरण देता है कि स्पिंडल बल कैसे उत्पन्न करता है। शोध का सुझाव है कि स्पिंडल संरेखण और पृथक्करण चरणों के बीच अपना मौलिक इंजन नहीं बदलता है; बल्कि, एक चलते हुए गुणसूत्र को रोकने के लिए आवश्यक बल का अंतर इस बात का सीधा परिणाम है कि वह गुणसूत्र कितनी तेजी से चलने की कोशिश कर रहा है। शुरुआती चरण में, जब गुणसूत्र संरेखित हो रहे होते हैं, तो तंतु तनाव में होते हैं, लेकिन गति अपेक्षाकृत धीमी होती है। बाद के चरण में, जब गुणसूत्रों को अलग किया जा रहा होता है, तो तंतु अपने सिरों पर विखंडित (depolymerizing) हो रहे होते हैं, जो गुणसूत्रों को ध्रुवों की ओर बहुत उच्च गति से धकेलता है। अध्ययन प्रस्तावित करता है कि किसी गुणसूत्र को रोकने के लिए आवश्यक बल केवल तंतुओं की मजबूती के बारे में नहीं है, बल्कि उस गति के बारे में भी है जिससे वे गुणसूत्र को दूर खींचने की कोशिश कर रहे हैं। एक तेज गति वाली वस्तु को रोकने के लिए, आपको एक धीमी गति वाली वस्तु को रोकने की तुलना में काफी अधिक बल की आवश्यकता होती है, भले ही उन्हें चलाने वाला इंजन एक ही हो।

यह शोध घास के टिड्डे के शुक्राणु कोशिकाओं (grasshopper spermatocytes) के डेटा पर केंद्रित है, जो कोशिका विभाजन के अध्ययन के लिए एक क्लासिक मॉडल है। इन कोशिकाओं में, शोधकर्ताओं ने पहले मापा था कि संरेखण चरण के दौरान एक एकल तंतु को स्थिर रखने के लिए लगभग 7 पिको-न्यूटन (piconewtons) बल की आवश्यकता होती है। हालांकि, जब उन्होंने पृथक्करण चरण के दौरान एक पूरे गुणसूत्र को हिलने से रोकने की कोशिश की, तो उन्होंने पाया कि उन्हें आश्चर्यजनक रूप से 700 पिको-न्यूटन की आवश्यकता थी। चूंकि एक गुणसूत्र लगभग 15 तंतुओं से जुड़ा होता है, इसलिए यह संकेत देता है कि पृथक्करण के दौरान प्रत्येक तंतु लगभग 50 पिको-न्यूटन बल उत्पन्न कर रहा है, जो पहले देखे गए 7 पिको-न्यूटन से बहुत अधिक है। ज़ी का मॉडल यह समझाते हुए इसकी गणना करता है कि पृथक्करण के दौरान अनियंत्रित गुणसूत्रों के केंद्र से दूर जाने की गति, संरेखण के दौरान तंतुओं के हिलने की गति की तुलना में बहुत अधिक है। क्योंकि तंतु गुणसूत्र को इतनी तेज़ी से दूर खींचने की कोशिश कर रहे हैं, इसलिए उस गति को बेअसर करने और उसे स्थिर करने के लिए आवश्यक बल स्वाभाविक रूप से बहुत बड़ा है। मॉडल दिखाता है कि यदि संरेखण के दौरान प्रत्येक तंतु पर खींचने वाला बल लगभग 7.87 पिको-न्यूटन है, तो गणित सटीक रूप से प्रयोगों में देखे गए 700 पिको-न्यूटन स्टाल फोर्स (stall force) की भविष्यवाणी करता है।

अध्ययन इस बात पर भी ध्यान देता है कि क्यों कुछ अन्य प्रयोगों ने गुणसूत्रों को रोकने के लिए बहुत कम बल की सूचना दी है। उन मामलों में, शोधकर्ताओं ने गुणसूत्रों को थामने के लिए लेजर बीम का उपयोग किया था। नया मॉडल सुझाव देता है कि लेजर प्रकाश स्वयं उन आणविक मोटरों को क्षतिग्रस्त या अलग कर सकता है जो तंतुओं को अलग करने के लिए जिम्मेदार हैं, जिससे प्रभावी रूप से गुणसूत्र धीमा हो जाता है। यदि मोटर बाधित होने के कारण गुणसूत्र धीमी गति से चल रहा है, तो इसे रोकने के लिए बहुत कम बल की आवश्यकता होती है। यह बिना यह माने कि कोशिका के पास संरेखण और पृथक्करण के लिए दो अलग-अलग इंजन हैं, इस विसंगति को समझाता है। इसके बजाय, कोशिका एक सुसंगत तंत्र का उपयोग करती है, लेकिन प्रक्रिया की गति ही उस बल को निर्धारित करती है जो रोकने के लिए आवश्यक है।

इसके अलावा, शोध एक विशिष्ट भविष्यवाणी करता है कि क्या होगा यदि वैज्ञानिक केवल एक के बजाय कोशिका के प्रत्येक गुणसूत्र को एक ही समय में रोकने की कोशिश करें। मॉडल का सुझाव है कि सभी गुणसूत्रों को एक साथ रोकने के लिए आवश्यक कुल बल, केवल एक को रोकने के लिए आवश्यक बल से लगभग चार गुना अधिक होगा। इसके विपरीत, उस कुल समूह में प्रत्येक व्यक्तिगत गुणसूत्र को रोकने के लिए आवश्यक बल, अकेले गुणसूत्र को रोकने के लिए आवश्यक बल का केवल 17 प्रतिशत होगा। यह प्रति-सहज (counterintuitive) परिणाम इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि तंतु आपस में जुड़े हुए हैं; प्रणाली के एक हिस्से को रोकने से बाकी हिस्सों की गतिशीलता बदल जाती है। लेखक को उम्मीद है कि भविष्य के प्रयोग इस भविष्यवाणी का परीक्षण कर सकते हैं, जो इस बात की पुष्टि करेगा कि स्पिंडल एक एकीकृत, स्व-नियमित मशीन के रूप में कार्य करता है जहाँ उत्पन्न बल गति के साथ गहराई से जुड़ा होता है।

यह कार्य इस बारे में एक एकीकृत दृष्टिकोण प्रदान करता है कि कोशिकाएं विभाजन के विशाल बलों को कैसे प्रबंधित करती हैं। यह इस पहेली को सुलझाता है कि स्टाल फोर्स इतना अधिक क्यों है, यह दिखाकर कि यह पृथक्करण की उच्च गति का एक स्वाभाविक परिणाम है, न कि आणविक मोटरों की शक्ति में अचानक वृद्धि का। स्पिंडल को गियर बदलने या अपना इंजन बदलने की आवश्यकता नहीं है; यह बस प्रक्रिया की गति के प्रति प्रतिक्रिया करता है। यह समझकर कि चलती हुई वस्तु को रोकने के लिए आवश्यक बल इस बात से निर्धारित होता है कि वह वस्तु कितनी तेजी से चल रही है, वैज्ञानिक जीवन के सबसे मौलिक स्तर पर यांत्रिकी को बेहतर ढंग से समझ सकते हैं। अध्ययन पुष्टि करता है कि स्पिंडल एक मजबूत प्रणाली है जहाँ बल घटकों के वेग द्वारा संतुलित होते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि गुणसूत्रों को जीवन जारी रखने के लिए आवश्यक सटीकता और शक्ति के साथ अलग किया जाए।