Probing the sequence variability tolerance in a de novo α-helical barrel biocatalyst
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि AlphaFold2-निर्देशित RosettaRemodel और ProteinMPNN को संयोजित करना एक विच्छेदित (truncated) संरचना और काफी बेहतर घुलनशील उपज के साथ एक 'de novo' α-हेलिकल बैरल बायोकैटलिस्ट (biocatalyst) के सफल इंजीनियरिंग को सक्षम बनाता है, जो पर्याप्त अनुक्रम परिवर्तनशीलता (sequence variability) के बावजूद अपने मूल आर्किटेक्चर, तापीय स्थिरता और उत्प्रेरक गतिविधि को बनाए रखता है।
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एंजाइम प्रकृति के कुशल रसायनशास्त्री हैं, जो अविश्वसनीय सटीकता के साथ रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने वाली सूक्ष्म प्रोटीन मशीनें हैं। सदियों से, वैज्ञानिकों ने अपनी स्वयं की संरचनाओं को शून्य से डिजाइन करके, ऐसी पूरी तरह से नई संरचनाएं बनाकर इस शक्ति की नकल करने का प्रयास किया है जो प्राकृतिक दुनिया में मौजूद नहीं हैं। इन कृत्रिम प्रोटीनों के लिए एक आशाजनक आकार अल्फा-हेलिकल बैरल (alpha-helical barrel) है, जो एक खोखली नली बनाने के लिए रस्सी की तरह आपस में लिपटे हुए प्रोटीन के मुड़े हुए धागों से बनी एक संरचना है। ये नलिकाएं इसलिए बेशकीमती हैं क्योंकि वे अविश्वसनीय रूप से मजबूत होती हैं, उच्च ताप को सहन करने में सक्षम होती हैं, और उनके सरल, दोहराव वाले पैटर्न उन्हें कंप्यूटर के लिए फिर से डिजाइन करना आसान बनाते हैं। हालांकि, एक बड़ा प्रश्न लंबे समय से बना हुआ था: आप इन कृत्रिम प्रोटीनों के भीतर निर्देशों को कितना बदल सकते हैं इससे पहले कि पूरी संरचना बिखर जाए? यदि एक कंप्यूटर एक आदर्श प्रोटीन डिजाइन करता है, तो क्या एक वैज्ञानिक फिर इसे कारखाने में बनाना आसान बनाने के लिए, या इसके आकार को बदलने के लिए, इसके कोड के बड़े हिस्सों को फिर से लिख सकता है, बिना इसकी कार्य करने की क्षमता को तोड़े?
ग्राज़ यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी और ग्राज़ यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने 6H5L नामक एक विशिष्ट, कंप्यूटर-डिजाइन किए गए प्रोटीन की सीमाओं का परीक्षण करके इस प्रश्न का उत्तर देने का प्रयास किया। यह प्रोटीन एक छह-स्ट्रैंड वाला बैरल है जो एक विशिष्ट रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए उत्प्रेरक (catalyst) के रूप में कार्य करता है। टीम ने इसे संशोधित करने के लिए दो अलग-अलग कंप्यूटर रणनीतियों का उपयोग किया। सबसे पहले, उन्होंने प्रोटीन के सतह कोड (surface code) को पूरी तरह से फिर से लिखने के लिए एक शक्तिशाली आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस टूल का उपयोग किया, इस उम्मीद में कि इससे इसे बैक्टीरिया में उगाना आसान हो जाएगा। दूसरा, उन्होंने एक क्लासिक भौतिकी-आधारित कंप्यूटर पद्धति का उपयोग करके प्रोटीन को छोटा करने के लिए, बैरल का एक छोटा संस्करण बनाया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये भारी बदलाव प्रोटीन के आकार या इसकी कार्यक्षमता को नष्ट कर देंगे, या क्या संरचना परिवर्तन से बचने के लिए पर्याप्त मजबूत थी।
परिणामों ने दिखाया कि कृत्रिम प्रोटीन उम्मीद से कहीं अधिक लचीला था। जब टीम ने प्रोटीन के सतह कोड को फिर से लिखने के लिए आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस टूल का उपयोग किया, तो उन्होंने पाया कि एक संस्करण उल्लेखनीय रूप से अच्छा काम करता है। इस नए वेरिएंट में, जिसकी सतह पर निर्माण खंडों (building blocks) का क्रम पूरी तरह से अलग था, मूल डिजाइन की तुलना में दस गुना अधिक उपज के साथ बैक्टीरिया में उत्पादन हुआ। अलग रासायनिक संरचना होने के बावजूद, यह सही बैरल आकार में मुड़ा और उबलने के करीब तापमान पर भी स्थिर रहा। इसने रासायनिक प्रतिक्रिया को तेज करने की अपनी क्षमता को भी बनाए रखा, हालांकि इसने अपने लक्ष्य अणु (target molecule) को मूल की तुलना में थोड़ा कम मजबूती से पकड़ा। यह सुझाव देता है कि प्रोटीन का मुख्य ढांचा इसके बाहरी निर्देशों में बड़े बदलावों को सहने के लिए पर्याप्त लचीला है, जो एक ऐसा निष्कर्ष है जो औद्योगिक उपयोग के लिए इन कृत्रिम एंजाइमों के निर्माण को बहुत आसान बना सकता है।
अध्ययन के दूसरे भाग में, शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि क्या वे बैरल को तोड़े बिना उसे छोटा कर सकते हैं। उन्होंने प्रोटीन के सिरों को काटने के लिए एक कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया, जिससे एक काफी छोटा संस्करण तैयार हुआ। जब उन्होंने इस संक्षिप्त प्रोटीन की क्रिस्टल संरचना को देखा, तो यह कंप्यूटर के अनुमान से लगभग पूरी तरह मेल खाती थी, जिसमें छह धागे अभी भी एक स्थिर ट्यूब बना रहे थे। पुन: डिजाइन किए गए संस्करण की तरह, यह संक्षिप्त प्रोटीन भी ऊष्मा-स्थिर और सक्रिय रहा। इसने अपने लक्ष्य अणु को संसाधित करने की गति में भी मामूली सुधार दिखाया। टीम ने एक दूसरा, और भी छोटा संस्करण भी परीक्षण किया, लेकिन वह सही ढंग से फोल्ड (fold) होने में विफल रहा, जो यह दर्शाता है कि संरचना को बदलने की एक सीमा है जिसके बाद वह ढह जाती है।
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि ये 'डी नोवो' (de novo) प्रोटीन स्कैफोल्ड अत्यधिक इंजीनियर योग्य हैं। वे अपने जेनेटिक कोड में नाटकीय बदलावों और अपनी भौतिक लंबाई में महत्वपूर्ण परिवर्तनों को झेल सकते हैं और अपनी संरचनात्मक अखंडता और उत्प्रेरक शक्ति को बनाए रख सकते हैं। यह सिद्ध करके कि ये कृत्रिम बैरल को बेहतर उत्पादन के लिए पुन: डिजाइन किया जा सकता है और नए कार्यों के लिए नया आकार दिया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने विभिन्न प्रकार के मजबूत, कस्टम-निर्मित एंजाइम बनाने का द्वार खोल दिया है। यह कार्य सुझाव देता है कि जैव-उत्प्रेरण (biocatalysis) का भविष्य केवल प्रकृति की नकल करने पर ही नहीं, बल्कि हरित रसायन विज्ञान और टिकाऊ विनिर्माण में विशिष्ट रासायनिक चुनौतियों को हल करने के लिए तैयार किए गए पूरी तरह से नए, अनुकूलन योग्य प्रोटीन मशीनों के निर्माण पर भी निर्भर हो सकता है।
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