An in vitro platform for the rapid and scalable biocatalysis of complex polyketides

प्रकृति ने सूक्ष्म बैक्टीरिया के भीतर विज्ञान द्वारा ज्ञात सबसे परिष्कृत रासायनिक कारखानों में से कुछ का निर्माण किया है। ये सूक्ष्म जीव प्रोटीन से बनी लंबी, आणविक असेंबली लाइनों (assembly lines) के स्वामी हैं जो सरल निर्माण खंडों को जटिल, त्रि-आयामी संरचनाओं में जोड़ने के लिए उन्हें आपस में जोड़ सकते हैं। ये संरचनाएं, जिन्हें पॉलीकेटाइड्स (polyketides) कहा जाता है, कई जीवन रक्षक दवाओं का स्रोत हैं, जिनमें संक्रमण से लड़ने वाले एंटीबायोटिक्स और प्रतिरक्षा प्रणाली को शांत करने वाली दवाएं शामिल हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इन प्राकृतिक असेंबली लाइनों को बैक्टीरिया से बाहर निकालकर एक टेस्ट ट्यूब में रखने का सपना देखते रहे हैं। विचार यह था कि इन आणविक मशीनों को एक जीवित कोशिका के अव्यवस्थित हस्तक्षेप के बिना सीधे चलाना, ताकि नई दवाओं को अधिक तेज़ी से और अधिक स्वच्छता से बनाया जा सके। हालाँकि, इसे करने के शुरुआती प्रयास विफल रहे। जब शोधकर्ताओं ने इन असेंबली लाइनों को कोशिका के बाहर चलाने की कोशिश की, तो वे इतनी धीमी गति से चलीं कि प्रक्रिया बेकार लगने लगी, और मशीनरी के काम करना बंद करने से पहले ही उन्होंने लगभग कुछ भी उत्पादित नहीं किया।

द यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्सास एट ऑस्टिन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को उलट दिया है। उन्होंने टेस्ट ट्यूब में इन आणविक असेंबली लाइनों को चलाने का एक नया तरीका विकसित किया है जो तेज़, कुशल और जटिल रसायनों की बड़ी मात्रा बनाने में सक्षम है। असेंबली लाइन के प्रोटीन भागों को सावधानीपूर्वक पुनर्गठित करके और एक ऐसी प्रणाली बनाकर जो मशीनों को आवश्यक ईंधन की निरंतर आपूर्ति करती है, टीम ने इस सुस्त प्रक्रिया को एक तीव्र उत्पादन लाइन में बदल दिया। उन्होंने प्रदर्शित किया कि ये जैविक मशीनें प्रकृति में पाए जाने वाले सबसे कुशल प्राकृतिक कारखानों जितनी ही तेज़ काम कर सकती हैं, और साधारण सामग्रियों को कुछ ही घंटों में जटिल, दवा जैसे अणुओं में परिवर्तित कर सकती हैं। यह सफलता बताती है कि वैज्ञानिक अब प्रयोगशाला सेटिंग में नई, जटिल दवाओं के पुस्तकालय (libraries) बना सकते हैं, जिससे पारंपरिक रासायनिक संश्लेषण की धीमी और महंगी विधियों या बैक्टीरिया को उगाने की अनिश्चित प्रकृति को दरकिनार किया जा सकता है।

यह कहानी एक विशिष्ट प्रकार की आणविक मशीन से शुरू होती है जिसे पॉलीकेटाइड सिंथेज़ (polyketide synthase) कहा जाता है। प्रकृति में, ये मशीनें प्रोटीन से बने विशाल कन्वेयर बेल्ट की तरह होती हैं। वे छोटी, सरल अणुओं को लेती हैं और बड़ी, जटिल संरचनाओं के निर्माण के लिए उन्हें एक सटीक क्रम में जोड़ती हैं। बेल्ट पर हिस्सों का क्रम अंतिम उत्पाद के आकार और कार्य को निर्धारित करता है। वर्षों तक, वैज्ञानिकों ने दवाएं बनाने के लिए जीवित बैक्टीरिया के भीतर इन मशीनों का उपयोग करने की कोशिश की। हालांकि यह काम करता था, लेकिन इसे नियंत्रित करना कठिन था। बैक्टीरिया की अपनी आंतरिक प्रक्रियाएं थीं जो असेंबली लाइन के साथ प्रतिस्पर्धा करती थीं, और यह बताना कठिन था कि कम उत्पादन मशीन में खराबी के कारण था या कोशिका के वातावरण के कारण। इस प्रक्रिया को टेस्ट ट्यूब में ले जाना एक तार्किक समाधान लग रहा था, क्योंकि इससे वैज्ञानिक प्रत्येक चर (variable) को नियंत्रित कर पाते। लेकिन जब उन्होंने पहली बार इसे आज़माया, तो मशीनें अविश्वसनीय रूप से धीमी थीं। एरिथ्रोमाइसिन (erythromycin) नामक एंटीबायोटिक बनाने वाली एक मशीन को चलाने के प्रसिद्ध प्रयास ने दिखाया कि वह कितनी मंद गति से चलती थी, जिससे उत्पाद की बहुत कम मात्रा ही बन पाई और फिर वह रुक गई। इससे यह व्यापक धारणा बन गई कि ये जटिल मशीनें अपने प्राकृतिक घर के बाहर अच्छी तरह से काम नहीं कर सकतीं।

शोधकर्ताओं ने यह साबित करने के लिए हाथ में लिया कि यह धारणा गलत थी। उन्होंने एक अलग मशीन पर ध्यान केंद्रित किया, जो स्वाभाविक रूप से नारबोनोलाइड (narbonolide) नामक एक यौगिक बनाती है, जो पिक्रोमाइसिन (pikromycin) नामक एंटीबायोटिक से संबंधित है। मशीन के प्राकृतिक संस्करण का उपयोग करने के बजाय, जो चार बड़े प्रोटीन स्ट्रैंड्स से बना है, उन्होंने इसे छह छोटे, अधिक प्रबंधनीय टुकड़ों में तोड़ दिया। इस पुनर्गठित डिज़ाइन ने लैब में मशीन को बनाना और उसे सही ढंग से जोड़ना आसान बना दिया। इसके बाद उन्होंने इस नए सेटअप का परीक्षण एक ऐसे घोल में किया जिसमें आवश्यक ईंधन और निर्माण खंड मौजूद थे। शुरुआत में, मशीन ने काम तो किया, लेकिन यह अभी भी व्यावहारिक होने के लिए बहुत धीमी थी, और इसके द्वारा बनाया गया उत्पाद नाजुक था, जो टेस्ट ट्यूब के रासायनिक वातावरण में टूट रहा था। टीम को एहसास हुआ कि मशीन खुद से ही लड़ रही थी। मशीन के कुछ हिस्से अवांछित उप-उत्पाद (side products) बना रहे थे, और ईंधन बर्बाद हो रहा था।

इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने असेंबली लाइन को एक जटिल इंजन की तरह माना जिसे ट्यूनिंग की आवश्यकता थी। उन्होंने मशीन के विशिष्ट हिस्सों को बदला, सामान्य कनेक्टर्स को उन हिस्सों से बदल दिया जो उस विशिष्ट कार्य के लिए बेहतर फिट बैठते थे। उन्होंने प्रोटीनों को पहचानने के लिए उपयोग किए जाने वाले लेबल को स्ट्रैंड्स पर अलग-अलग स्थानों पर स्थानांतरित किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या इससे टुकड़ों का आपस में जुड़ना अधिक कुशल होता है। उन्होंने एक विशेष सफाई एंजाइम (cleaning enzyme) भी जोड़ा जो एक मैकेनिक की तरह कार्य करता था, जो दोषपूर्ण हिस्सों को हटा देता था जो अन्यथा असेंबली लाइन को जाम कर देते। प्रत्येक छोटे बदलाव ने मशीन को तेज़ बनाया। जब तक उन्होंने डिज़ाइन को अनुकूलित (optimize) करना समाप्त किया, तब तक मशीन की गति पुराने एरिथ्रोमाइसिन मशीन की तुलना में सौ गुना तेज़ हो गई थी और प्रकृति में पाए जाने वाले सबसे कुशल फैटी एसिड कारखानों की गति के बराबर थी। यह अब केवल एक सुस्त प्रयोग नहीं था; यह एक उच्च-प्रदर्शन वाला बायोकैटलिस्ट (biocatalyst) था।

पहेली का अंतिम हिस्सा ईंधन प्रणाली था। इन मशीनों को चलते रहने के लिए ऊर्जा और विशिष्ट निर्माण खंडों की निरंतर आपूर्ति की आवश्यकता होती है। एक जीवित कोशिका में, कोशिका स्वतः ही यह ईंधन प्रदान करती है। टेस्ट ट्यूब में, ईंधन जल्दी खत्म हो जाता है। टीम ने एक नया प्लेटफॉर्म विकसित किया, जिसे वे EPK सिस्टम कहते हैं, जो एक स्व-भरने वाले स्टेशन (self-refilling station) के रूप में कार्य करता है। इस प्रणाली में ऐसे एंजाइम शामिल हैं जो साधारण, सस्ते घटकों से ईंधन और निर्माण खंडों को लगातार पुनर्जीवित करते हैं। इस प्रणाली के साथ, शोधकर्ता कमरे के तापमान पर दो घंटे तक एक छोटे बीकर में अभिक्रिया चला सकते थे। उन्होंने मशीन की एक बहुत छोटी मात्रा और साधारण सामग्रियों के साथ शुरुआत की, और मशीन ने उन्हें अंतिम उत्पाद में बदल दिया। मात्र दो घंटों में, उन्होंने नारबोनोलाइड यौगिक की इतनी मात्रा का उत्पादन किया जिससे एक छोटी शीशी भरी जा सके, जो मात्रा पिछले तरीकों के साथ प्राप्त करने में कई दिन या सप्ताहों का समय लेती।

इस प्लेटफॉर्म की सफलता केवल एक यौगिक बनाने तक सीमित नहीं थी। शोधकर्ताओं ने उसी अनुकूलित प्रणाली का उपयोग चार अन्य जटिल अणुओं को बनाने के लिए किया, जिनमें से प्रत्येक का आकार थोड़ा अलग था। चूंकि प्रक्रिया इतनी स्वच्छ और जीवित कोशिका के शोर से मुक्त थी, इसलिए वे इन उत्पादों को शुद्ध रूप में अलग करने में सक्षम थे। इसने उन्हें एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी (X-ray crystallography) का उपयोग करके अणुओं की सटीक त्रि-आयामी संरचना निर्धारित करने की अनुमति दी, जिससे ऐसे विवरण सामने आए जो पहले कभी नहीं देखे गए थे। उनके द्वारा बनाए गए एक अणु की संरचना एक ज्ञात यौगिक की दर्पण छवि (mirror image) थी, एक सूक्ष्म अंतर जो जीवित कोशिकाओं में अक्सर छूट जाता है लेकिन यहाँ स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहा था। शुद्ध रूप में इन जटिल आकारों को बनाने की क्षमता नए रासायनिक संरचनाओं के विशाल पुस्तकालय बनाने का द्वार खोलती है। वैज्ञानिक अब असेंबली लाइनों के विभिन्न हिस्सों को मिला सकते हैं और जोड़ सकते हैं ताकि हजारों नए रूपांतर तैयार किए जा सकें, और बैक्टीरिया को उगाने की बाधाओं के बिना उनकी औषधीय गुणों के लिए जांच की जा सके।

यह कार्य जटिल दवाएं बनाने के परिदृश्य को बदल देता है। यह सिद्ध करता है कि इन आणविक मशीनों की सुस्ती एक मौलिक दोष नहीं थी बल्कि खराब डिज़ाइन और उचित सहायता प्रणालियों की कमी का परिणाम थी। मशीनों को फिर से बनाकर और उन्हें ईंधन की निरंतर धारा प्रदान करके, शोधकर्ताओं ने प्रकृति के सबसे शक्तिशाली सिंथेटिक उपकरणों का उपयोग करने का एक नया तरीका खोल दिया है। प्रक्रिया अब व्यावहारिक होने के लिए पर्याप्त तेज़ और दवा की खोज के लिए उच्च गुणवत्ता वाली सामग्री बनाने के लिए पर्याप्त स्वच्छ है। हालांकि यह तकनीक अभी अपने शुरुआती चरणों में है, परिणाम दिखाते हैं कि जटिल दवाएं बनाने का भविष्य न केवल अधिक बैक्टीरिया उगाने या अधिक रासायनिक संयंत्र बनाने में है, बल्कि उन आणविक असेंबली लाइनों को परिष्कृत करने में है जिन्हें प्रकृति ने पहले ही पूर्ण कर लिया है। अब एक विशाल रासायनिक स्थान (chemical space) को खोजने का द्वार खुल गया है, जिससे उन बीमारियों के इलाज के लिए नई संभावनाएं पैदा हो रही हैं तक पहुंचना लंबे समय से कठिन रहा है।