A minimal Asgard archaeal ESCRT-III system remodels membranes across scales
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एस्गार्ड आर्किया (Asgard archaea) से न्यूनतम दो-सबयूनिट ESCRT-III/Vps4 प्रणाली, नैनोस्केल और माइक्रोस्केल दोनों आयामों में झिल्ली को विकृत और संकुचित करने के लिए विशिष्ट संयोजन मोड का उपयोग करते हुए, यूकेरियोटिक जैसी झिल्ली पुनर्निर्माण क्षमताओं को दोहराती है।
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प्रत्येक जीवित कोशिका एक पतली, तैलीय त्वचा जिसे झिल्ली (मेम्ब्रेन) कहा जाता है, में लिपटी हुई तरल पदार्थ की एक थैली है। यह त्वचा केवल एक निष्क्रिय दीवार नहीं है; यह एक गतिशील सतह है जिसे कोशिका को विभाजित करने, क्षति की मरम्मत करने या कोशिका के भीतर सामग्री पहुँचाने के लिए लगातार मुड़ना, सिकुड़ना और अपना आकार बदलना पड़ता है। इस त्वचा को बिना फटे इन कार्यों को करने के लिए, कोशिकाएं परिष्कृत प्रोटीन मशीनों पर भरोसा करती हैं। मनुष्यों जैसे जटिल जीवों में, इनमें से एक सबसे महत्वपूर्ण मशीन का नाम ESCRT-III है। यह एक आणविक निर्माण दल की तरह कार्य करता है, जो सर्पिल आकारों में इकट्ठा होकर झिल्ली के संकीर्ण कंठों के चारों ओर कसता जाता है जब तक कि वे उन्हें अलग न कर दें, यह प्रक्रिया कोशिका विभाजन और घिसे-पिटे हिस्सों को हटाने के लिए आवश्यक है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि ऐसी जटिल मशीनरी के लिए काम करने के लिए कई अलग-अलग प्रोटीन भागों की एक बड़ी टीम की आवश्यकता होती है।
हालाँकि, इन मशीनों के विकसित होने की कहानी अधूरी है। जटिल जीवन के सबसे करीबी ज्ञात संबंधी असगार्ड आर्किया (Asgard archaea) नामक प्राचीन एकल-कोशिकीय जीवों का एक समूह है। मनुष्यों के विपरीत, इन जीवों के पास ESCRT प्रणाली का एक बहुत ही संक्षिप्त संस्करण होता है, जिसमें केवल दो प्रकार के मुख्य निर्माण खंड और एक मोटर प्रोटीन होता है। इसने एक मौलिक प्रश्न खड़ा किया: क्या इतनी कम वस्तुओं वाली इतनी न्यूनतम टीम वास्तव में झिल्ली को नया आकार देने का जटिल कार्य कर सकती है? या क्या यह करने के लिए आधुनिक कोशिकाओं में पाई जाने वाली पूर्ण, जटिल मशीनरी की आवश्यकता थी?
मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर बायोकेमिस्ट्री के शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रयोगशाला में शून्य से इस असगार्ड प्रणाली को फिर से बनाकर इसका उत्तर देने का प्रयास किया। उन्होंने लोकीआर्कियम (Lokiarchaeum) नामक असगार्ड परिवार के एक सदस्य से इन दो विशिष्ट प्रोटीनों और एक मोटर प्रोटीन को अलग किया। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे कृत्रिम झिल्लियों के साथ इन प्रोटीनों की परस्पर क्रिया को देखकर, उन्होंने पाया कि यह छोटा, दो-भाग वाला सिस्टम उम्मीद से कहीं अधिक सक्षम है। यह केवल जटिल कोशिकाओं के व्यवहार की नकल नहीं करता है; यह अपनी अनूठी संरचनाएं बनाता है जो वायरस के पैमाने से लेकर एक पूरे सेल के पैमाने तक, विभिन्न श्रेणियों में कार्य करती हैं।
शोधकर्ताओं ने पहले यह जांचा कि दो मुख्य प्रोटीन, जिन्हें उन्होंने ESCRT-IIIA और ESCT-IIIB नाम दिया, अकेले कैसे व्यवहार करते हैं। एक झिल्ली पर रखे जाने पर, पहला प्रोटीन, ESCRT-IIIA, एक लंबी, लचीली रस्सी की तरह कार्य करता था। यह तंतुओं (फिलामेंट्स) में व्यवस्थित हुआ जो आश्चर्यजनक रूप से बड़े थे, कई माइक्रोमीटर तक फैले हुए थे और लगभग एक माइक्रोमीटर व्यास के पूर्ण छल्लों में मुड़ गए थे। ये छल्ले इतने बड़े थे कि उन्हें मानक प्रकाश सूक्ष्मदर्शी से स्पष्ट रूप से देखा जा सकता था। दूसरा प्रोटीन, ESCRT-IIIB, अलग व्यवहार करता था। लंबी रस्सियाँ बनाने के बजाय, इसने खुद को सघन, नैनोस्केल सर्पिल में व्यवस्थित किया, जो एक कुंडलित स्प्रिंग की तरह दिखता था जो केवल कुछ दर्जन नैनोमीटर चौड़ा था।
टीम ने यह देखने के लिए मोटर प्रोटीन, Vps4 को पेश किया कि यह इन संरचनाओं को कैसे नियंत्रित करता है। मोटर प्रोटीन एक नियामक के रूप में कार्य करता था, लेकिन इसने दो अलग-अलग प्रोटीनों के साथ विपरीत व्यवहार किया। जब Vps4 ने ESCRT-IIIA द्वारा बनाए गए लंबे छल्लों और तंतुओं का सामना किया, तो इसने एक विखंडक (डिसमेंटलर) के रूप में कार्य किया। इसने तंतुओं के सिरों को काट दिया और छल्लों को तब तक सिकोड़ा जब तक कि वे गायब नहीं हो गए, प्रभावी रूप से निर्माण खंडों का पुनर्चक्रण किया। इसके विपरीत, जब Vps4 ने ESCRT-IIIB के सघन सर्पिलों से मुलाकात की, तो इसने उन्हें नष्ट नहीं किया। इसके बजाय, इसने उन्हें दबाया, जिससे सर्पिल और अधिक कसकर पैक हो गए और उनके केंद्रीय छेद बंद हो गए। इससे पता चला कि केवल दो प्रकार के निर्माण खंडों के साथ भी, यह प्रणाली विशिष्ट, विशेष कार्यों को करने में सक्षम थी: एक प्रोटीन बड़े स्कैफोल्ड बनाता है जिन्हें अलग किया जा सकता है, जबकि दूसरा सघन संरचनाएं बनाता है जिन्हें कसा और संरक्षित किया जाता है।
सबसे उल्लेखनीय खोज तब हुई जब शोधकर्ताओं ने दोनों प्रोटीनों को मिलाया। उन्होंने पाया कि प्रोटीनों को जोड़ने का क्रम मायने रखता था। जब ESCRT-IIIA के लंबे तंतु पहले बने, तो छोटे ESCT-IIIB सर्पिल उन पर जुड़ गए, जिससे एक नई, हाइब्रिड संरचना बन गई। ये संयुक्त संयोजन लंबे, स्प्रिंग जैसे हेलिक्स की तरह दिखे जो न तो पहले प्रोटीन के सरल छल्ले थे और न ही दूसरे के सघन सर्पिल। वे एक अद्वितीय, उच्च-क्रम की आकृति थे जो नैनोस्केल और माइक्रोस्केल के बीच के अंतर को पाटते थे।
यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह न्यूनतम प्रणाली वास्तव में एक वास्तविक कोशिका झिल्ली को नया आकार दे सकती है, शोधकर्ताओं ने इन प्रोटीनों को लिपिड के विशाल, स्वतंत्र रूप से तैरते बुलबुलों यानी वेसिकल्स (vesicles) पर रखा। परिणाम नाटकीय था। प्रोटीन केवल सतह पर बैठे नहीं रहे; उन्होंने सक्रिय रूप से झिल्ली को खींचा और मरोड़ा। लंबे तंतुओं और सर्पिलों ने मिलकर विशाल वेसिकल्स को संकुचित किया, उन्हें संकरा बनाया और उनके आकार को विकृत किया। इसने सिद्ध किया कि केवल दो ESCRT प्रोटीन और एक मोटर वाला सिस्टम, नैनोस्केल पर कसने वाले छोटे सर्पिल से लेकर पूरे सेल को नया आकार देने वाले बड़े तंतुओं तक, कई पैमानों पर झिल्ली को बदलने के लिए आवश्यक बल उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त है।
ये निष्कर्ष बताते हैं कि मनुष्यों में आज देखी जाने वाली जटिल झिल्ली-पुनर्गठन मशीनरी अचानक प्रकट नहीं हुई। इसके बजाय, यह संभवतः एक सरल, प्राचीन प्रणाली से विकसित हुई जो पहले से ही परिष्कृत कार्य करने में सक्षम थी। असगार्ड आर्किया, अपने न्यूनतम टूलकिट के साथ, यह प्रदर्शित करते हैं कि वस्तुओं की एक छोटी संख्या विविध प्रकार की आकृतियाँ और कार्य उत्पन्न कर सकती है। यह प्रणाली आधुनिक मानव मशीन का एक आदिम, अनाड़ी संस्करण नहीं है; यह एक अत्यधिक कुशल, बहुमुखी उपकरण है जिसे अरबों वर्षों में परिष्कृत किया गया है। यह दिखाकर कि दो प्रोटीन विभिन्न आकारों की एक विस्तृत श्रृंखला में झिल्लियों को बना सकते हैं, नया आकार दे सकते हैं और नियंत्रित कर सकते हैं, यह अध्ययन कोशिकीय विकास के प्रारंभिक चरणों में एक स्पष्ट खिड़की प्रदान करता है, जो यह प्रकट करता है कि जटिल कोशिकाओं के अस्तित्व में आने से बहुत पहले जीवन के बुनियादी सिद्धांत कैसे स्थापित किए गए थे।
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