Defined extracellular matrices uncover gravity-dependent switching in adhesion-migration behavior

कोशिकाएं निर्वात में अस्तित्व में नहीं रहती हैं; वे एक भीड़भाड़ वाली, त्रि-आयामी दुनिया में रहती हैं जो एक नरम, जेली जैसे पदार्थ से बनी होती है जिसे बाह्यकोशिकीय मैट्रिक्स (एक्स्ट्रासेलुलर मैट्रिक्स) कहा जाता है। यह पदार्थ एक मचान (स्कैफोल्ड) और संचार नेटवर्क दोनों के रूप में कार्य करता है, जो कोशिकाओं को बताती है कि कब चलना है, कब रुकना है, और कैसे एक साथ चिपकना है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि कोशिकाएं इस सामग्री की कठोरता और इसके द्वारा ले जाए जाने वाले रासायनिक संकेतों को महसूस कर सकती हैं, और उसी के अनुसार अपने व्यवहार को समायोजित करती हैं। हालांकि, एक मौलिक बल है जो पृथ्वी पर प्रत्येक कोशिका पर कार्य करता है, फिर भी जिसका अकेले अध्ययन करना लगभग असंभव है: गुरुत्वाकर्षण। चूंकि गुरुत्वाकर्षण हमेशा मौजूद रहता है, इसलिए कोशिकाओं द्वारा अनुभव किए जाने वाले अन्य भौतिक संकेतों से इसके प्रभावों को अलग करना कठिन है। यह समझने के लिए कि कोशिकाएं वास्तव में तब कैसे प्रतिक्रिया देती हैं जब इस निरंतर खिंचाव को हटा दिया जाता है, शोधकर्ताओं को एक कृत्रिम भारहीनता की स्थिति का अनुकरण करना चाहिए, लेकिन ऐसा करते समय कोशिका के तत्काल वातावरण पर अपना नियंत्रण खोए बिना करना एक बड़ी बाधा रही है।

न्यू साउथ वेल्स विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक सटीक रूप से इंजीनियर किए गए, सिंथेटिक जेल के साथ एक सिम्युलेटेड भारहीन वातावरण को जोड़कर इस अंतर को पाट दिया है। उन्होंने इस अद्वितीय सेटअप का उपयोग ग्लियोब्लास्टोमा (glioblastoma) का अध्ययन करने के लिए किया, जो एक आक्रामक प्रकार का मस्तिष्क ट्यूमर है जो अपने आसपास के ऊतकों में घुसपैठ करने की क्षमता के लिए जाना जाता है। इन ट्यूमर कोशिकाओं को एक कस्टम-मेड, मस्तिष्क जैसे जेल के भीतर रखने और फिर उन्हें एक ऐसी मशीन में घुमाने के बाद जो गुरुत्वाकर्षण के खिंचाव को रद्द कर देती है, वैज्ञानिकों ने यह पाया कि कोशिकाएं अपने परिवेश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, इसमें एक आश्चर्यजनक मोड़ आया। उन्होंने पाया कि जब गुरुत्वाकर्षण बल को हटा दिया जाता है, तो वे तंत्र जो आमतौर पर कोशिकाओं को हिलने-डुलने में मदद करते हैं, वास्तव में उन्हें पीछे खींचने लगते हैं। यह खोज प्रकट करती है कि कोशिका गति को नियंत्रित करने वाले नियम स्थिर नहीं हैं; वे भौतिक संदर्भ के आधार पर बदलते हैं, एक ऐसा सूक्ष्म अंतर जो सामान्य पृथ्वी की स्थितियों में छिपा रह जाता।

इसकी जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं को पहले एक ऐसा मंच बनाना था जो पूरी तरह से नियंत्रित हो। प्राकृतिक सामग्रियों का उपयोग करने के बजाय, जो बैच से बैच में भिन्न होती हैं, उन्होंने हयालूरोनिक एसिड (hyaluronic acid) पर आधारित एक सिंथेटिक हाइड्रो जेल बनाया, जो मस्तिष्क में स्वाभाविक रूप से पाया जाने वाला पदार्थ है। उन्होंने इस जेल को इस तरह से इंजीनियर किया कि वे इसकी चिपचिपाहट और कोशिकाओं द्वारा इसे तोड़े जाने की क्षमता को स्वतंत्र रूप से समायोजित कर सकें। एक संस्करण में, जेल चिपचिपा और आसानी से चबाने योग्य था, जो उस मार्ग की नकल करता था जिसमें ट्यूमर कोशिकाएं आसानी से आक्रमण कर सकती थीं। अन्य संस्करणों में, उन्होंने चिपचिपाहट को हटा दिया या जेल को तोड़ना असंभव बना दिया, जिससे वे बाधाएं पैदा हुईं जो सामान्यतः कोशिकाओं के प्रसार को रोकती हैं। इस सटीकता ने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि अन्य चरों को स्थिर रखते हुए कोशिकाएं गुरुत्वाकर्षण के प्रति वास्तव में कैसे प्रतिक्रिया करती हैं।

जब शोधकर्ताओं ने सामान्य पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण के तहत चिपचिपे, टूटने योग्य जेल में ट्यूमर कोशिकाओं को रखा, तो कोशिकाएं अपेक्षित व्यवहार करती थीं। वे अपने केंद्रीय समूह से अलग हो गईं, लंबी, उंगली जैसी संरचनाएं फैला दीं, और आसपास के जेल में घुसपैठ की, ठीक उसी तरह जैसे मानव शरीर में ट्यूमर फैलता है। हालांकि, जब उसी सेटअप को एक मशीन में रखा गया जो सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण (माइक्रोग्रैविटी) का अनुकरण करती है, तो व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। कोशिकाओं ने आक्रमण करना बंद कर दिया। अलग होने और व्यक्तिगत रूप से चलने के बजाय, वे एक तंग, एकजुट गेंद के रूप में एक साथ सिमट गईं। उन्होंने अपनी हिलने की क्षमता पूरी तरह से नहीं खोई थी; बल्कि, ऐसा लगा जैसे उन्होंने अपना आक्रमण कार्यक्रम बंद कर दिया है और एक साथ चिपकने का कार्यक्रम चालू कर दिया है।

आगे की जांच से पता चला कि यह परिवर्तन CD44 नामक एक विशिष्ट प्रोटीन द्वारा संचालित था, जो हयालूरोनिक एसिड के लिए एक रिसेप्टर के रूप में कार्य करता है। सामान्य गुरुत्वाकर्षण के तहत, यह प्रोटीन कोशिकाओं को जेल को पकड़ने और खुद को आगे खींचने में मदद करता है। लेकिन सिम्युलेटेड भारहीनता में, कोशिकाएं इस प्रोटीन का बहुत अधिक उत्पादन करने लगीं, और यह विपरीत तरीके से कार्य करने लगा। हिलने-डुलने में मदद करने के बजाय, बढ़े हुए CD44 ने कोशिकाओं को उनके पड़ोसियों और आसपास के जेल से बहुत कसकर चिपका दिया, जिससे वे प्रभावी रूप से एक जगह फंस गईं। शोधकर्ताओं ने दवा के माध्यम से CD44 प्रोटीन को रोककर इसकी पुष्टि की। सामान्य गुरुत्वाकर्षण में, इसे रोकने से कोशिकाओं के हिलने में बाधा आई, जैसा कि अपेक्षित था। लेकिन भारहीन वातावरण में, प्रोटीन को रोकने से कोशिकाएं मुक्त हो गईं, जिससे वे फिर से आक्रमण करने में सक्षम हो गईं। इसने सिद्ध किया कि प्रोटीन ने अपना कार्य बदल लिया था: यह गति के इंजन से बदलकर एक ब्रेक बन गया था।

अध्ययन ने अन्य आसंजन अणुओं (adhesion molecules) की भी जांच की, जैसे कि इंटीग्रिन्स (integrins) और एन-कैडेरिन (N-cadherin), जो कोशिकाओं को अपने वातावरण और एक-दूसरे से चिपकने में मदद करते हैं। परिणाम सभी मामलों में सुसंगत थे। सामान्य परिस्थितियों में, ये अणु कोशिकाओं के प्रवास (migration) के लिए आवश्यक हैं। हालांकि, सिम्युलेटेड माइक्रोग्रैविटी के तहत, वे कोशिकाओं को एक साथ थामने में इतने प्रभावी हो गए कि उन्होंने गति को रोक दिया। शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं के भीतर प्रोटीन का विश्लेषण करने के लिए प्रोटिओमिक्स (proteomics) नामक तकनीक का उपयोग किया और पाया कि कोशिकाएं इस नए, स्थिर अवस्था का समर्थन करने के लिए अपनी आंतरिक संरचना को पुनर्गठित कर रही थीं। वे एक-दूसरे के साथ अपने संबंधों को मजबूत कर रही थीं और अपने आंतरिक कंकाल की व्यवस्था को बदल रही थीं, जो अन्वेषण के मोड से सामूहिकता (cohesion) के मोड में स्थानांतरित हो रहा था।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह भारहीनता की एक विशिष्ट प्रतिक्रिया है न कि केवल एक रैंडम गड़बड़ी, शोधकर्ताओं ने पूछा कि क्या वे सामान्य गुरुत्वाकर्षण के तहत अपने वातावरण को अधिक प्रतिबंधात्मक बनाकर इस "फंसी हुई" व्यवहार को फिर से बना सकते हैं। उन्होंने अपने सिंथेटिक जेल में अतिरिक्त, गैर-अपघटनीय (non-degradable) धागे जोड़े ताकि कोशिकाओं के लिए हिलना-डुलना शारीरिक रूप से कठिन हो जाए, बिना गुरुत्वाकर्षण को बदले। इस भौतिक भीड़भाड़ ने वास्तव में कोशिकाओं के आक्रमण को कम किया और CD44 प्रोटीन का अधिक उत्पादन किया, जो माइक्रोग्रैविटी की स्थिति के समान था। हालांकि, सामान्य गुरुत्वाकर्षण में यह प्रभाव सिम्युलेटेड माइक्रोग्रैविटी में देखे गए प्रभाव की तुलना में बहुत कमजोर था। यह सुझाव देता है कि जबकि भौतिक भीड़भाड़ एक समान प्रतिक्रिया को ट्रिगर कर सकती है, गुरुत्वाकर्षण को हटाने से यह प्रभाव काफी बढ़ जाता है, जो कोशिका व्यवहार की एक छिपी हुई परत को उजागर करता है जिसे पृथ्वी पर पहचानना कठिन है।

निष्कर्ष बताते हैं कि आसंजन (adhesion) और गति के बीच का संबंध एक सरल, एकतरफा रास्ता नहीं है। इसके बजाय, यह एक गतिशील संतुलन है जो भौतिक संदर्भ पर बहुत अधिक निर्भर करता है। एक अनुकूल वातावरण में, परिवेश से चिपकना एक कोशिका को खुद को आगे खींचने में मदद करता है। लेकिन जब वातावरण प्रतिबंधात्मक हो जाता है, या जब गुरुत्वाकर्षण का निरंतर खिंचाव हटा दिया जाता है, तो वही चिपकाने की शक्ति एक बाधा बन सकती है, जो कोशिका को एक जगह फंसा देती है। यह संदर्भ-निर्भर स्विच समझाता है कि कोशिकाएं अंतरिक्ष में पृथ्वी की तुलना में इतनी अलग तरह से क्यों व्यवहार कर सकती हैं। यह यह भी रेखांकित करता है कि जटिल अंतःक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए नियंत्रित, सिंथेटिक वातावरण का उपयोग करना कितना महत्वपूर्ण है, क्योंकि पारंपरिक तरीके अक्सर व्यवहार के इन सूक्ष्म लेकिन महत्वपूर्ण बदलावों को 놓 देते हैं।

एक परिभाषित सिंथेटिक मैट्रिक्स के साथ सिम्युलेटेड माइक्रोग्रैविटी को जोड़कर, शोधकर्ता गुरुत्वाकर्षण के कोशिका यांत्रिकी (cell mechanics) पर विशिष्ट प्रभावों को अलग करने में सक्षम रहे। उन्होंने प्रदर्शित किया कि मैकेनिकल अनलोडिंग केवल कोशिकाओं की गति को नहीं रोकती है; यह मौलिक रूप से उन आणविक मशीनों को बदल देती है जिनका उपयोग वे अपनी दुनिया के साथ बातचीत करने के लिए करती हैं। यह अध्ययन कोशिका व्यवहार के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है, यह दिखाते हुए कि गति के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण ही वे चीजें बन सकते हैं जो उन्हें पीछे खींच लेती हैं जब वातावरण के नियम बदल जाते हैं। यह कार्य अंतरिक्ष में कोशिकाएं कैसे व्यवहार कर सकती हैं, इसे समझने के द्वार खोलता है, लेकिन यह हमें यह समझने के लिए भी एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है कि पृथ्वी पर भौतिक बाधाएं कोशिका व्यवहार को कैसे प्रभावित कर सकती हैं, जिसे हम अभी तक पूरी तरह से समझ नहीं पाए हैं।