Discovery and Characterization of Novel Fluorescent Proteins and Chromoproteins from the Intertidal Sea Anemone Anthopleura dowii Verrill 1869

महासागर की गहराइयों में, जहाँ सूर्य का प्रकाश नीले और हरे रंग के बदलते हुए रंगों में छनकर नीचे आता है, कई जीवों ने चमकने की क्षमता विकसित कर ली है। यह घटना फ्लोरोसेंट प्रोटीन नामक अणुओं के एक विशेष वर्ग पर निर्भर करती है। इन प्रोटीनों को छोटे, आत्मनिर्भर बल्बों के रूप में सोचें जिन्हें ऑक्सीजन द्वारा चालू किया जा सकता है। जब वे प्रकाश को अवशोषित करते हैं, तो वे इसे एक अलग रंग में पुन: उत्सर्जित करते हैं, जिससे एक जीवंत चमक पैदा होती है जो चमकीले हरे से लेकर गहरे लाल रंग तक होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से इन प्राकृतिक प्रकाश स्रोतों का उपयोग कोशिकाओं के काम करने के तरीके को देखने के लिए, जीवित जीवों के भीतर अणुओं की गति को ट्रैक करने के लिए एक उपकरण के रूप में करते आए हैं। दशकों तक, शोधकर्ताओं का मानना था कि ये चमकते प्रोटीन मुख्य रूप से उन जीवों में पाए जाते हैं जो अपना स्वयं का प्रकाश उत्पन्न करते हैं, जैसे कि कुछ जेलीफ़िश। हालाँकि, बाद में यह पता चला कि कई गैर-चमकने वाले समुद्री जीवों, जैसे कि मूंगे (कोरल) और सी एनीमोन में भी ये प्रोटीन होते हैं। इन जानवरों में, ये प्रोटीन केवल दिखावे के लिए नहीं हैं; ऐसा प्रतीत होता है कि वे कोशिकाओं को तनाव से बचाने और पर्यावरण के प्रति प्रतिक्रिया देने में भूमिका निभाते हैं। फिर भी, एक रहस्य बना हुआ है: क्यों एक ही प्रजाति के कुछ सी एनीमोन रंग में पूरी तरह से अलग दिखते हैं? एक चमकीला पीला हो सकता है, जबकि उसका पड़ोसी गहरा नीला या हरा हो सकता है, भले ही वे एक ही आनुवंशिक ब्लूप्रिंट साझा करते हों।

राष्ट्रीय स्वायत्त विश्वविद्यालय मैक्सिको के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एन्थोपलेरा डोवी (Anthopleura dowii) नामक एक विशिष्ट सी एनीमोन का अध्ययन करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया, जो मैक्सिको के बाजा कैलिफोर्निया के चट्टानी इंटरटाइडल क्षेत्रों में पाया जाता है। ये एनीमोन अपने आकर्षक रंग परिवर्तनों के लिए जाने जाते हैं, लेकिन इन रंगों के लिए जिम्मेदार विशिष्ट प्रोटीनों की पहचान या लक्षण वर्णन कभी पूरी तरह से नहीं किया गया था। वैज्ञानिकों ने एनीमोन के आनुवंशिक निर्देशों, या ट्रांसक्रिप्टोम को देखना शुरू किया, जिसे वर्षों पहले उनके विष (venom) का अध्ययन करने के लिए अनुक्रमित (sequence) किया गया था। इस आनुवंशिक डेटा की अन्य समुद्री जीवों के ज्ञात फ्लोरोसेंट प्रोटीनों के साथ तुलना करके, उन्हें तीन संभावित उम्मीदवार मिले। इन प्रोटीनों को वास्तव में क्या करते हैं, यह समझने के लिए, टीम ने सी एनीमोन द्वारा स्वाभाविक रूप से उन्हें उत्पन्न करने की प्रतीक्षा नहीं की। इसके बजाय, उन्होंने उन प्रोटीनों को कोड करने वाले जीन के सिंथेटिक संस्करण बनाए और उन्हें बैक्टीरिया, विशेष रूप से ई. कोलाई (E. coli) में डाला, जो प्रोटीन बनाने की अपनी तीव्र क्षमता के लिए प्रसिद्ध हैं।

शोधकर्ताओं ने इन बैक्टीरिया को दो अलग-अलग तापमानों, तीस डिग्री सेल्सियस और सैंतीस डिग्री सेल्सियस पर उगाया, यह देखने के लिए कि पर्यावरण प्रोटीन के उत्पादन को कैसे प्रभावित करता है। परिणाम आश्चर्यजनक थे और उन्होंने एनीमोन के रंग और तापमान के बीच एक स्पष्ट संबंध प्रकट किया। जब बैक्टीरिया को तीस डिग्री के ठंडे तापमान पर उगाया गया, तो उन्होंने एक चमकीला पीला फ्लोरोसेंट प्रोटीन और एक हरा फ्लोरोसेंट प्रोटीन सफलतापूर्वक उत्पादित किया। हालाँकि, सैंतीस डिग्री के गर्म तापमान पर, बैक्टीरिया इन दो प्रोटीनों को उपयोगी रूप में नहीं बना सके; वे आपस में जुड़कर निष्क्रिय हो गए। इसके बजाय, गर्म तापमान ने एक तीसरे प्रोटीन, एक गहरे नीले, गैर-फ्लोरोसेंट अणु को प्रेरित किया जिसे क्रोमोप्रोटीन (chromoprotein) कहा जाता है। यह क्रोमोप्रोटीन केवल तभी दिखाई दिया जब बैक्टीरिया गर्म थे, और यह चमकता बिल्कुल नहीं था, भले ही यह चमकने वाले प्रोटीनों का करीबी संबंधी था।

यह तापमान-निर्भर व्यवहार वन्य जीवन में देखे जाने वाले रंग परिवर्तनों के लिए एक सम्मोहक स्पष्टीकरण प्रदान करता है। अध्ययन बताता है कि एक अकेला सी एनीमोन पानी के तापमान के आधार पर विभिन्न रंग उत्पन्न कर सकता है। ठंडी स्थितियों में, जीव पीले और हरे प्रोटीनों को व्यक्त कर सकता है, जिससे वह एक चमकीला रूप प्राप्त करता है। गर्म मौसम में, वह गहरे नीले क्रोमोप्रोटीन का उत्पादन करने की ओर स्विच कर सकता है, जिससे उसका पूरा रूप बदल जाता है। शोधकर्ताओं ने प्रोटीनों को शुद्ध करके और उनके रासायनिक गुणों का विश्लेषण करके इसकी पुष्टि की। उन्होंने पाया कि पीले और हरे प्रोटीन चमकने में अत्यधिक कुशल थे, जिसमें पीला संस्करण विशेष रूप से चमकीला था। नीला प्रोटीन, चमकने के बावजूद, स्थिर और विशिष्ट था। बैक्टीरिया द्वारा उत्पादित प्रत्येक प्रोटीन की मात्रा को मापकर, टीम ने गणना की कि पीले प्रोटीन का निर्माण ठंडे तापमान पर बहुत बड़ी मात्रा में किया गया था, जबकि नीले प्रोटीन का निर्माण केवल उच्च तापमान पर हुआ था।

इस कार्य ने यह भी पता लगाया कि ये प्रोटीन कैसे बने हैं। टीम ने पाया कि पीले और हरे प्रोटीन चार के समूहों में बनते हैं, जो सी एनीमोन में एक सामान्य संरचना है, जबकि नीला प्रोटीन भी समान समूहों में बनता है। उन्होंने आगे यह जांचा कि प्रोटीन अलग-अलग तापमान पर अलग व्यवहार क्यों करते हैं, यह पाते हुए कि जिस गति से बैक्टीरिया आनुवंशिक निर्देशों को पढ़ता है और जिस गति से प्रोटीन अपने अंतिम आकार में मुड़ता (fold) है, वही निर्णायक कारक था। उच्च तापमान पर, प्रोटीन उत्पादन के साथ तालमेल बिठाने के लिए बहुत धीरे मुड़ते थे, जिससे वे गुच्छों में बदल गए। कम तापमान पर, वे सही ढंग से मुड़ गए। शोधकर्ताओं ने अपने आनुवंशिक कोड में एक छोटा सा परिवर्तन करके पीले प्रोटीन के उत्पादन में सुधार भी किया, जिससे उत्पादित मात्रा में दस गुना वृद्धि हुई। यह सफलता इन प्राकृतिक प्रोटीनों के नए उपयोगों, जैसे कि सेंसर जो पर्यावरणीय स्थितियों के आधार पर रंग बदलते हैं, के लिए इंजीनियरिंग करने की क्षमता को उजागर करती है।

अंततः, यह शोध एक सी एनीमोन के जीन, उसके समुद्री घर के तापमान और उसके जीवंत रंगों के बीच के संबंधों को जोड़ता है। यह दिखाता है कि एक ही जीव मौसम के आधार पर प्रोटीनों के अलग-अलग "पोशाक" पहन सकता है, जिसे पॉलीफेनिज्म (polyphenism) कहा जाता है। इन तीन विशिष्ट प्रोटीनों की पहचान और लक्षण वर्णन करके, वैज्ञानिकों ने इस बात की स्पष्ट तस्वीर प्रदान की है कि प्रकृति बदलते वातावरण के अनुकूल होने के लिए आणविक उपकरणों का उपयोग कैसे करती है। इन वेरिएंट्स की खोज, विशेष रूप से उनकी उत्पादन की तापमान-संवेदनशील प्रकृति, समुद्री जीवन के बारे में हमारी समझ को गहरा करती है कि वे इंटरटाइडल ज़ोन की उतार-चढ़ाव वाली स्थितियों में कैसे जीवित रहते हैं। यह भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए भी द्वार खोलता है, क्योंकि इन प्रोटीनों को नई जैव प्रौद्योगिकी उपकरणों में इंजीनियर किया जा सकता है, जिससे वैज्ञानिक जैविक प्रक्रियाओं को देख सकेंगे या पर्यावरण में परिवर्तनों का अधिक सटीकता से पता लगा सकेंगे। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि महासागर में जीवन की विविधता केवल विभिन्न प्रजातियों की बात नहीं है, बल्कि इस बारे में भी है कि कैसे एक ही प्रजाति दुनिया के प्रति लचीले ढंग से प्रतिक्रिया कर सकती है।