Fixing cells with light and DNA-binding fluorophores

कोशिका जीव विज्ञान की दुनिया में, वैज्ञानिकों को अक्सर समय को रोकना पड़ता है। एक जीवित कोशिका कैसे काम करती है, इसे समझने के लिए शोधकर्ता अक्सर रासायनिक संरक्षकों (preservatives) का उपयोग करते हैं ताकि कोशिका को उसके स्थान पर जमा दिया जाए, जिससे उसकी आंतरिक संरचनाओं को लॉक किया जा सके ताकि उन्हें सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे बिना कोशिका के हिले-डुले या बदले अध्ययन किया जा सके। स्थिरीकरण (fixation) की यह प्रक्रिया, जो आमतौर पर कोशिकाओं के एक पूरे समूह को फॉर्मलडिहाइड जैसे तरल में डुबोकर की जाती है, प्रभावी तो है, लेकिन इसमें एक बड़ी खामी है: यह नमूने की हर कोशिका के साथ एक जैसा व्यवहार करती है। यह केवल एक विशिष्ट कोशिका को अध्ययन के लिए चुन नहीं सकती जबकि उसके पड़ोसियों को जीवित और गतिशील छोड़ सके। इसके अलावा, उपयोग किए जाने वाले रसायन कभी-कभी उन्हीं संरचनाओं को विकृत कर सकते हैं जिन्हें वैज्ञानिक देखना चाहते हैं, विशेष रूप से कोशिका के केंद्रक (nucleus) के भीतर की नाजुक वास्तुकला को। दशकों से, बिना रसायनों के और आसपास के वातावरण को नष्ट किए, एक जीवित कोशिका को उसकी प्राकृतिक अवस्था में तुरंत फ्रीज करने की क्षमता पहुंच से बाहर रही है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब प्रकाश और एक सामान्य डाई का उपयोग करके इसे प्राप्त करने का एक तरीका खोज लिया है। कोशिकाओं को 'पल्मेटाइन' (palmatine) नामक एक प्राकृतिक यौगिक से उपचारित करने के बाद उन पर एक विशिष्ट प्रकाश किरण डालने से, वे एक एकल कोशिका या कोशिकाओं के एक छोटे समूह को तुरंत और स्थायी रूप से फ्रीज कर सकते हैं। इस प्रक्रिया को, जिसे वे "ऑप्टोफिक्सेशन" (optofixation) कहते हैं, होने में कुछ ही सेकंड लगते हैं। प्रकाश कोशिका के भीतर एक रासायनिक प्रतिक्रिया को सक्रिय करता है जो उसकी आंतरिक मशीनरी को सख्त कर देता है, जिससे सारी गति रुक जाती है और उसका आकार सुरक्षित रहता है। उल्लेखनीय रूप से, कोशिका उस अराजक तरीके से नहीं मरती है जो प्रकाश क्षति के दौरान सामान्य होता है; इसके बजाय, यह एक स्थिर, लेबल वाली नमूना बन जाती है जो अपना मूल रूप बनाए रखती है, जिससे वैज्ञानिक इसे अपने जीवित पड़ोसियों के साथ अध्ययन कर सकते हैं।

यह खोज तब शुरू हुई जब शोधकर्ता विभिन्न प्राकृतिक रंगों (dyes) का परीक्षण कर रहे थे कि वे मानव कोशिकाओं के भीतर कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने पल्मेटाइन का उपयोग किया, जो पौधों से प्राप्त एक यौगिक है और जो डीएनए (DNA) से मजबूती से जुड़ने के लिए जाना जाता है। जब उन्होंने इन उपचारित कोशिकाओं को दृश्य प्रकाश (visible light) के संपर्क में लाया, तो उन्होंने एक अप्रत्याशित चीज़ देखी। केवल चमकने के बजाय, कोशिकाएं पूरी तरह से हिलना बंद कर गईं। कोशिका के भीतर, वसा की छोटी बूंदें और अन्य अंग (organelles) जो आमतौर पर नदी में नावों की तरह तैरते रहते हैं, अचानक एक जगह अटक गए। शोधकर्ताओं ने कोशिका के आंतरिक भाग की कठोरता को मापा और पाया कि यह नाटकीय रूप से बढ़ गई, जिससे कोमल, तरल साइटोप्लाज्म कुछ ही सेकंड में एक ठोस जैसी अवस्था में बदल गया। यह परिवर्तन अपरिवर्तनीय था; एक बार जब प्रकाश बंद हो गया, तो कोशिकाएं कई दिनों, यहाँ तक कि हफ्तों तक उसी अवस्था में जमी रहीं, जबकि आसपास की अनुपचारित कोशिकाएं सामान्य रूप से जीवित और गतिशील रहीं।

इस घटना को जो चीज़ इतनी सटीक बनाती है वह यह है कि यह केवल वहीं होती है जहाँ प्रकाश पड़ता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि वे एक भीड़भाड़ वाली डिश के भीतर एक एकल कोशिका को लक्षित कर सकते हैं और उसे फ्रीज कर सकते हैं, बिना उसके निकटतम पड़ोसियों को प्रभावित किए। वे कोशिकाओं के एक छोटे समूह को भी लक्षित कर सकते थे, जिससे बाकी आबादी अप्रभावित रही। नियंत्रण का यह स्तर पारंपरिक तरीकों से एक महत्वपूर्ण विचलन है, जिनमें पूरे नमूने का उपचार करना आवश्यक होता है। यह प्रक्रिया इसलिए काम करती है क्योंकि पल्मेटाइन डाई, एक बार डीएनए से जुड़ जाने के बाद, प्रकाश पड़ने पर एक उत्प्रेरक (catalyst) के रूप में कार्य करती है। यह एक विशिष्ट प्रकार का रिएक्टिव ऑक्सीजन उत्पन्न करती है जो कोशिका झिल्ली के भीतर के वसा को एक रासायनिक परिवर्तन से गुजरने के लिए प्रेरित करता है। यह परिवर्तन प्राकृतिक एल्डिहाइड (aldehydes) पैदा करता है, जो उन्हीं प्रकार के अणु हैं जिनका उपयोग रासायनिक फिक्सेटिव प्रोटीन को क्रॉस-लिंक करने और संरचनाओं को लॉक करने के लिए करते हैं। इस नई विधि में, कोशिका प्रकाश द्वारा ट्रिगर होकर अपने भीतर से अपना स्वयं का फिक्सेटिव बनाती है।

शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह प्रक्रिया केवल कोशिका मृत्यु या धीमी क्षय का एक रूप नहीं है। उन्होंने फ्रीज की गई कोशिकाओं की एपोप्टोसिस (apoptosis), जो एक प्रोग्राम्ड सेल डेथ प्रक्रिया है और जिसके कारण कोशिकाएं सिकुड़ जाती हैं और टूट जाती हैं, के संकेतों की जांच की और कोई संकेत नहीं पाया। कोशिकाओं ने अपना सामान्य आकार और आकृति बनाए रखी, और उनके केंद्रक (nuclei) बिल्कुल वैसे ही दिखे जैसे प्रकाश लगाने से पहले थे। वास्तव में, केंद्रक की संरचना का संरक्षण पारंपरिक रासायनिक स्थिरीकरण की तुलना में बेहतर प्रतीत हुआ, जो अक्सर केंद्रक को सिकोड़ देता है और विकृत कर देता है। सफलतापूर्वक फ्रीज की गई कोशिकाएं चमक भी रही थीं, जिससे एक अंतर्निहित लेबल प्राप्त हुआ जिसने उन्हें सूक्ष्मदर्शी के नीचे पहचानना आसान बना दिया। यह चमक डाई के डीएनए से जुड़ने का सीधा परिणाम थी, जो कोशिका के स्थिर होने पर स्वाभाविक रूप से होता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह एक सामान्य घटना है और केवल एक विशिष्ट डाई तक सीमित नहीं है, टीम ने प्रयोगशालाओं में उपयोग की जाने वाली कई अन्य सामान्य डीएनए-स्टेनिंग डाई का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि प्रकाश के साथ कोशिकाओं को फ्रीज करने की क्षमता डीएनए से जुड़ने वाली कई अलग-अलग डाई के बीच एक साझा विशेषता है, जो पराबैंगनी (ultraviolet) से लेकर फार-रेड (far-red) प्रकाश तक की एक विस्तृत श्रृंखला में काम करती है। हालांकि, यह प्रभाव पूरी तरह से डाई की डीएनए से जुड़ने की क्षमता पर निर्भर था। वे डाई जो कोशिका के अन्य हिस्सों को रंगती थीं, या जो जीवित कोशिका के केंद्रक में प्रवेश नहीं कर सकती थीं, वे काम नहीं करती थीं। इसने पुष्टि की कि तंत्र प्रकाश, डाई और डीएनए के बीच परस्पर क्रिया पर निर्भर करता है जो आंतरिक रासायनिक कैस्केड को ट्रिगर करता है।

इस खोज के निहितार्थ जटिल जैविक प्रणालियों के अध्ययन के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं। चूंकि यह विधि एकल कोशिका पर काम करती है, यह वैज्ञानिकों के लिए पूरे ऊतक (tissue) को नष्ट किए बिना एक जीवित ऊतक के भीतर व्यक्तिगत कोशिकाओं के बीच होने वाली अंतःक्रियाओं का अध्ययन करने का द्वार खोलती है। शोधकर्ता अब एक विशिष्ट कोशिका को फ्रीज कर सकते हैं ताकि यह देख सकें कि इसमें कौन से प्रोटीन मौजूद हैं या इसका डीएनए कैसे व्यवस्थित है, जबकि शेष ऊतक कार्य करना जारी रखता है। यह क्षमता ऑर्गेनोइड्स (organoids) या विकसित हो रहे भ्रूणों जैसे त्रि-आयामी संरचनाओं के अध्ययन के लिए विशेष रूप से उपयोगी है, जहाँ कोशिकाओं की भौतिक व्यवस्था को संरक्षित करना महत्वपूर्ण है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि इस विधि को मानव कैंसर कोशिकाओं, सामान्य कोशिकाओं और यहाँ तक कि जेब्राफिश भ्रूणों सहित विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं पर लागू किया जा सकता है, जो इसे जीव विज्ञान के कई क्षेत्रों के लिए एक मजबूत उपकरण बनाता है।

हालांकि इस प्रक्रिया में प्रकाश शामिल है, जो कभी-कभी कोशिकाओं को नुकसान पहुँचा सकता है, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि परिणाम काफी हद तक एक्सपोज़र की तीव्रता और अवधि पर निर्भर करता है। यदि प्रकाश बहुत कमजोर है या डाई मौजूद नहीं है, तो कोशिकाएं केवल मर सकती हैं या इस तरह से क्षतिग्रस्त हो सकती हैं जो उनकी संरचना को खराब कर दे। लेकिन पल्मेटाइन और प्रकाश के सही संयोजन के साथ, कोशिकाएं सुचारू रूप से एक स्थिर अवस्था में परिवर्तित हो जाती हैं जो उनकी जैविक अखंडता को बनाए रखती है। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि प्रक्रिया को कुछ रासायनिक स्कैवेंजर्स (scavengers) द्वारा रोका या धीमा किया जा सकता है जो रिएक्टिव अणुओं को पकड़ लेते हैं, जिससे शामिल विशिष्ट रासायनिक मार्ग की पुष्टि होती है। नियंत्रण का यह स्तर बताता है कि यह एक यादृच्छिक दुर्घटना नहीं है बल्कि एक पुनरुत्पादक भौतिक घटना है जिसे सटीक वैज्ञानिक जांच के लिए उपयोग किया जा सकता है।

यह नया दृष्टिकोण जीवित प्रक्रियाओं को देखने और स्थिर संरचनाओं का विश्लेषण करने के बीच के अंतर को पाटने का एक तरीका प्रदान करता है। वर्षों से, वैज्ञानिकों को कोशिका को चलते हुए देखने और उसके फ्रीज किए गए घटकों का अध्ययन करने के बीच चुनाव करना पड़ता था, और वे शायद ही कभी एक ही प्रयोग में दोनों कर पाते थे। ऑप्टोफिक्सेशन के साथ, जीवन से संरक्षित अवस्था में संक्रमण पलक झपकते ही, शोधकर्ता द्वारा चुने गए एक विशिष्ट स्थान पर हो सकता है। फ्रीज की गई कोशिकाएं इस अर्थ में व्यवहार्य रहती हैं कि वे विघटित नहीं होती हैं, और उन्हें पारंपरिक रूप से स्थिर की गई कोशिकाओं की तरह विशिष्ट प्रोटीन के लिए स्टेनिंग जैसे आगे के विश्लेषण के लिए उपयोग किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एंटीबॉडीज इन ऑप्टोफिक्स्ड कोशिकाओं के भीतर प्रोटीन से जुड़ सकते हैं, जिससे कठोर रासायनिक उपचारों की आवश्यकता के बिना विस्तृत आणविक मानचित्रण संभव हो जाता है।

यह अध्ययन प्रकाश के जैविक नमूनों पर सूक्ष्म प्रभावों को समझने के महत्व पर भी प्रकाश डालता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि कोशिकाओं को देखने के लिए चमकीले प्रकाश का उपयोग करने से कभी-कभी अनपेक्षित परिवर्तन हो सकते हैं, और उनका काम सुझाव देता है कि वैज्ञानिकों को जीवित कोशिकाओं की छवियों की व्याख्या करते समय सावधान रहना चाहिए, विशेष रूप से यदि वे डीएनए-बाइंडिंग डाई का उपयोग कर रहे हैं। जो एक प्राकृतिक जैविक घटना लग सकती है, वह कुछ परिस्थितियों में, स्थिरीकरण प्रक्रिया को ट्रिगर करने वाली स्वयं प्रकाश की एक आर्टिफैक्ट (artifact) हो सकती है। इस तंत्र को समझकर, शोधकर्ता अपने प्रयोगों को बेहतर ढंग से नियंत्रित कर सकते हैं और अपने डेटा की गलत व्याख्या करने से बच सकते हैं।

अंततः, यह कार्य एक सरल लेकिन शक्तिशाली उपकरण पेश करता है जो सामान्य प्रयोगशाला रंगों को सटीक नियंत्रण के एजेंटों के रूप में पुन: उपयोग करता है। यह एक मानक इमेजिंग तकनीक को चयनात्मक संरक्षण की विधि में बदल देता है, जिससे वैज्ञानिकों को एक एकल कोशिका के जीवन के क्षण को पकड़ने और विस्तृत अध्ययन के लिए उसे वहीं थामे रखने की अनुमति मिलती है। एक कोशिका को उसके प्राकृतिक वातावरण में, उसके पड़ोसियों के जीवित और गतिशील रहने के साथ फ्रीज करने की क्षमता, सूक्ष्म स्तर पर जीवन की जटिलता को देखने के लिए एक नया झरोखा प्रदान करती है। जैसे-जैसे शोधकर्ता इस तकनीक की सीमाओं का पता लगाना जारी रखते हैं, यह उन लोगों के लिए टूलकिट का एक मानक हिस्सा बनने का वादा करता है जो गतिशील अंतःक्रियाओं को समझने की तलाश में हैं जो जैविक प्रणालियों को संचालित करती हैं।