Foldseek-Interface reveals a protein interface universe far from complete
लेखक Foldseek-Interface प्रस्तुत करते हैं, जो इंटरैक्टोम स्केल पर प्रोटीन इंटरेक्शन इंटरफेस को क्लस्टर करने के लिए एक अत्यधिक कुशल विधि है, जो बाइंडिंग मोड की एक विशाल, पूर्व में अनिश्चित विविधता को प्रकट करती है और इंटरफेस विकास एवं रोगजनक नकल (pathogen mimicry) को खोजने के लिए एक स्वतंत्र रूप से सुलभ संसाधन प्रदान करती है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। यह एक ऐसे प्रीप्रिंट की AI से तैयार की गई व्याख्या है जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। यह चिकित्सकीय सलाह नहीं है। इस सामग्री के आधार पर स्वास्थ्य संबंधी फैसले न लें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
कोशिका के भीतर जीवन प्रोटीन के बीच एक निरंतर, जटिल बातचीत पर निर्भर करता है। ये अणु जीव विज्ञान के कार्यकर्ता हैं, और किसी भी कार्य को पूरा करने के लिए, उन्हें एक-दूसरे को खोजना और आपस में जुड़ना होता है। कभी-कभी वे कठोर, स्थायी संरचनाएं बनाते हैं, जैसे कि किसी इमारत के बीम। अन्य समय में, वे एक संकेत भेजने के लिए क्षण भर के लिए स्पर्श करते हैं और फिर अलग हो जाते हैं, जैसे कि एक त्वरित हाथ मिलाना। वह विशिष्ट आकार जहाँ दो प्रोटीन मिलते हैं, उसे 'इंटरफेस' (interface) कहा जाता है। उस मिलन बिंदु की अनूठी ज्यामिति ही यह निर्धारित करती है कि क्या संपर्क होगा, वह कितना मजबूत होगा, और उसका परिणाम क्या होगा। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने व्यक्तिगत प्रोटीनों के आकारों का मानचित्रण किया है, और मौजूद आणविक रूपों की विशाल लाइब्रेरी को सूचीबद्ध किया है। लेकिन जबकि हम जानते हैं कि व्यक्तिगत हिस्से कैसे दिखते हैं, हमारे पास इस बात का कोई व्यवस्थित तरीका नहीं था कि वे हिस्से एक साथ कैसे फिट हो सकते हैं। इन मिलन स्थलों के मानचित्र के बिना, यह समझना कठिन है कि कोशिकाएं कैसे कार्य करती हैं, वे कैसे विकसित होती हैं, या बीमारियां इन कनेक्शनों का फायदा कैसे उठा सकती हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब वह लापता मानचित्र तैयार कर लिया है। उन्होंने 'फोल्डसीक-इंटरफेस' (Foldseek-Interface) नामक एक नई विधि विकसित की है, जो प्रोटीन इंटरफेस के त्रि-आयामी आकारों को ऐसे मानती है जैसे कि वे टेक्स्ट की सरल स्ट्रिंग्स (strings) हों। यह चतुर रूपांतरण कंप्यूटरों को पुराने उपकरणों की तुलना में बहुत कम समय में लाखों मिलन बिंदुओं को खोजने और तुलना करने की अनुमति देता है। इस पद्धति को विज्ञान में ज्ञात प्रत्येक प्रोटीन कॉम्प्लेक्स पर लागू करके, टीम ने पाया कि प्रोटीन इंटरफेस का ब्रह्मांड पहले की तुलना में कहीं अधिक बड़ा और विविध है। उन्होंने पाया कि जबकि हम व्यक्तिगत प्रोटीनों के आकारों को सूचीबद्ध करने में व्यस्त थे, उन प्रोटीनों के जुड़ने के तरीके अभी भी काफी हद तक अनछुए क्षेत्र हैं।
शोधकर्ताओं ने शुरुआत में प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित प्रोटीन संरचनाओं की संपूर्ण लाइब्रेरी, जिसे 'प्रोटीन डेटा बैंक' (Protein Data Bank) के रूप में जाना जाता है, का उपयोग किया, जिसमें परस्पर क्रिया करने वाले तीस लाख से अधिक प्रोटीन जोड़े शामिल हैं। अपने नए टूल का उपयोग करके, उन्होंने उन विशिष्ट परमाणुओं को निकाला जहाँ ये प्रोटीन आपस में मिलते हैं और उन आकारों को एक खोजने योग्य प्रारूप में बदल दिया। इसने उन्हें समान इंटरफेस को एक साथ समूहीकृत करने की अनुमति दी, चाहे प्रोटीन स्वयं कितने भी अलग क्यों न दिखें। इसके परिणामस्वरूप रेडंडेंसी (redundancy) में भारी कमी आई: तीन मिलियन जोड़ों को 77,167 विशिष्ट क्लस्टरों में व्यवस्थित किया गया। प्रत्येक क्लस्टर एक अद्वितीय प्रकार के मिलन स्थान का प्रतिनिधित्व करता है, एक आवर्ती टोपोलॉजिकल परिवार (topological family) जिसे प्रकृति ने बार-बार उपयोग किया है। यह संसाधन अब वैज्ञानिकों के लिए स्वतंत्र रूप से उपलब्ध है, जो प्रोटीन संरचनाओं के संपूर्ण ज्ञात ब्रह्मांड में समान इंटरफेस खोजने का एक तरीका प्रदान करता है।
सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह था कि प्रोटीन इंटरैक्शन के प्रति हमारा वर्तमान दृष्टिकोण अत्यधिक झुका हुआ है। डेटाबेस स्थिर, कठोर इंटरफेस द्वारा हावी है जहाँ दोनों प्रोटीन पूरी तरह से फोल्ड और व्यवस्थित होते हैं। हालांकि, शोधकर्ताओं को संदेह है कि यह इस बात का प्रतिबिंब नहीं है कि वास्तविकता क्या है, बल्कि यह इस बात का परिणाम है कि विज्ञान कैसे किया गया है। जीवित कोशिकाओं में, कई अंतःक्रियाओं में ऐसे प्रोटीन शामिल होते हैं जो ढीले या अव्यवस्थित होते हैं, जो संकेतों को नियंत्रित करने के लिए क्षण भर के लिए स्पर्श करते हैं। ये लचीली अंतःक्रियाएं प्रयोगशाला में पकड़ना बहुत कठिन है, इसलिए वे डेटा में कम प्रतिनिधित्व पाती हैं। अध्ययन बताता है कि प्रोटीन इंटरफेस का वास्तविक परिदृश्य संभवतः हमारे वर्तमान मानचित्रों की तुलना में इन अव्यवस्थित, क्षणिक कनेक्शनों में कहीं अधिक समृद्ध है।
टीम ने इस नए मानचित्र का उपयोग यह देखने के लिए भी किया कि ये इंटरफेस कैसे विकसित हुए हैं। उन्होंने पाया कि प्रकृति अक्सर अलग-अलग शुरुआती बिंदुओं से एक ही समाधान तक पहुँचती है। कुछ मामलों में, पूरी तरह से अलग समग्र आकार वाले प्रोटीन एक साथी से जुड़ने के लिए बिल्कुल उसी इंटरफेस ज्यामिति का उपयोग करने के लिए विकसित हुए। 'अभिसारी विकास' (convergent evolution) के रूप में जानी जाने वाली यह घटना बताती है कि कुछ आकार बाइंडिंग समस्या को हल करने का सबसे कुशल तरीका हैं। शोधकर्ताओं ने ऐसे मामले भी पहचाने जहाँ रोगजनकों, जैसे कि बैक्टीरिया और वायरस ने, मानव प्रोटीनों के इंटरफेस की नकल करने के लिए विकास किया है। इन आकारों की नकल करके, हमलावर मानव कोशिकाओं को उनके साथ अंतःक्रिया करने के लिए धोखा दे सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से कोशिका की मशीनरी का अपहरण हो जाता है। नए टूल ने टीम को इन मिमिक्री (mimicry) घटनाओं को उच्च सटीकता के साथ पहचानने में सक्षम बनाया, जिससे पता चला कि वायरस अक्सर मानव इंटरफेस की नकल करने के लिए छोटे, लचीले खंडों का उपयोग करते हैं, जबकि बैक्टीरिया अधिक कठोर, फोल्ड संरचनाओं का उपयोग करते हैं।
अंत में, शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि क्या यह विधि कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) द्वारा उत्पन्न अनुमानित प्रोटीन संरचनाओं के सैलाब को समझने में मदद कर सकती है। उन्होंने यह देखने के लिए अनुमानित मानव प्रोटीन कॉम्प्लेक्स के डेटाबेस की खोज की कि क्या AI ने नए प्रकार के इंटरफेस का आविष्कार किया है जो प्रयोगात्मक रिकॉर्ड में मौजूद नहीं हैं। उन्होंने हजारों अनुमानित इंटरफेस पाए जिनका ज्ञात डेटाबेस में कोई मिलान नहीं था। हालांकि इनमें से कई संभवतः भविष्यवाणी प्रक्रिया की त्रुटियां या आर्टिफैक्ट्स (artifacts) थे, एक सावधानीपूर्वक समीक्षा ने कई आशाजनक उम्मीदवारों का खुलासा किया। इनमें राइबोसोम फंक्शन, सेल सिग्नलिंग और कोशिका के भीतर सामग्री के परिवहन में शामिल संभावित नई अंतःक्रियाएं शामिल थीं। ये निष्कर्ष बताते हैं कि कृत्रिम बुद्धिमत्ता न केवल जो हम पहले से जानते हैं उसकी पुष्टि कर रही है, बल्कि सक्रिय रूप से उन छिपे हुए प्रोटीन इंटरैक्शन की ओर भी इशारा कर रही है जिन्हें प्रयोगात्मक विज्ञान ने अभी तक नहीं खोजा है।
यह कार्य जीवन की आणविक मशीनरी को देखने के लिए एक नया लेंस प्रदान करता है। प्रोटीन के पूरे आकार से हटकर संपर्क के विशिष्ट बिंदु पर ध्यान केंद्रित करके, शोधकर्ताओं ने जैविक अंतःक्रिया की विविधता की एक खिड़की खोल दी है। उन्होंने उल्लेख किया है कि उनके द्वारा बनाया गया मानचित्र पूर्ण नहीं है; प्रयोगात्मक डेटा अभी भी स्थिर संरचनाओं की ओर पक्षपाती है, और इंटरफेस ब्रह्मांड का वास्तविक विस्तार अभी भी पूरी तरह से मानचित्रित किया जाना बाकी है। हालाँकि, उनके द्वारा बनाए गए उपकरण ने इस स्थान में नेविगेट करने का एक शक्तिशाली तरीका प्रदान किया है, जिससे वैज्ञानिकों को आणविक बाइंडिंग की अराजकता में पैटर्न खोजने की अनुमति मिलती है। जैसे-जैसे अधिक अनुमानित संरचनाएं उपलब्ध होंगी, यह पद्धति संभवतः उन छिपे हुए कनेक्शनों को भी प्रकट करेगी जो जीवित प्रणालियों की जटिलता को संचालित करते हैं।
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