Neutral Morphological Masking: Constructive Neutral Evolution of Chiral Scaffolds for Information-Maintaining Artificial Cells
यह शोध पत्र कृत्रिम कोशिकाओं के लिए एक संशोधित ढांचे का प्रस्ताव करता है जो डिज़ाइन की गई मजबूती (designed robustness) की धारणा को रचनात्मक तटस्थ विकास (Constructive Neutral Evolution) से प्रतिस्थापित करता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि कैसे काइरल स्कैफोल्ड्स (chiral scaffolds) में यादृच्छिक, तटस्थ संरचनात्मक उत्परिवर्तन अनजाने में परस्पर जुड़े मास्क (interlocking masks) संचित कर सकते हैं जो सूचना-वहन अवस्थाओं को पर्यावरणीय क्षरण से सुरक्षित रखते हैं।
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जीवन केवल एक ब्लूप्रिंट (खाके) को ढोने के बारे में नहीं है; यह उस ब्लूप्रिंट को उस दुनिया के खिलाफ पूरी ताकत से बचाने के बारे में है जो लगातार इसे मिटाने की कोशिश करती है। प्रत्येक जीवित वस्तु, एक एकल बैक्टीरिया से लेकर एक मानव तक, सक्रिय रूप से क्षति की मरम्मत करने, घिसे-पिटे हिस्सों को बदलने और अपनी आंतरिक स्थिति को एक संकीर्ण, व्यवहार्य सीमा के भीतर रखने के लिए संघर्ष करती है। खुद को थामे रखने की इस क्षमता को होमियोस्टैसिस (homeostasis) कहा जाता है। दशकों से, कृत्रिम जीवन बनाने वाले वैज्ञानिक इस पहेली के पहले भाग पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं: ऐसी कोशिकाएं बनाना जो बढ़ सकें और विभाजित हो सकें। उन्होंने निर्जीव रसायनों से न्यूनतम प्रणालियों को सफलतापूर्वक संयोजित किया है जो प्रतिकृति (replicate) बना सकती हैं। हालांकि, इन प्रणालियों में आमतौर पर एक महत्वपूर्ण विशेषता का अभाव होता है: वे अपना बचाव नहीं कर सकतीं। यदि आप उन पर दबाव डालते हैं, तो वे टूट जाती हैं, और उनके पास क्षति को ठीक करने का कोई तरीका नहीं होता। गायब कड़ी केवल एक मरम्मत तंत्र नहीं है, बल्कि इस बात का स्पष्टीकरण है कि उस मरम्मत को करने वाली मशीनरी मूल रूप से आती कहाँ से है। क्या एक कोशिका को अपने बचाव के निर्माण के लिए एक डिजाइनर की आवश्यकता है, या क्या वे बचाव बिना किसी डिजाइनर के एक धीमी, आकस्मिक प्रक्रिया के माध्यम से स्वयं उत्पन्न हो सकते हैं?
स्वतंत्र शोधकर्ता लियोन सैंडलर का एक नया सैद्धांतिक अध्ययन इस प्रश्न का समाधान करने के लिए एक तरीका प्रस्तावित करता है कि कैसे कृत्रिम कोशिकाएं बिना किसी डिजाइनर के अपना स्वयं का सुदृढ़ता (robustness) विकसित कर सकती हैं। यह कार्य 'कंस्ट्रक्टिव न्यूट्रल इवोल्यूशन' (constructive neutral evolution) नामक एक अवधारणा पर आधारित है, जो एक ऐसा ढांचा है जो बताता है कि जटिल जैविक मशीनरी अक्सर उन छोटे, यादृच्छिक चरणों के माध्यम से संचित होती है जो उस समय न तो सहायक होते हैं और न ही हानिकारक। समय के साथ, ये चरण आपस में जुड़कर एक ऐसी संरचना बना लेते हैं जिसे बदलना कठिन होता है। सैंडलर इस विचार को 'कायरल स्कैफोल्ड्स' (chiral scaffolds) नामक एक विशिष्ट प्रकार की कृत्रिम कोशिका पर लागू करते हैं, जो कि आणविक संरचनाएं हैं जिनका एक विशिष्ट "हाथ की बनावट" (handedness) होती है, जैसे कि बायां या दायां हाथ। इस प्रणाली में, कोशिका अपने हिस्सों के सटीक संरेखण (alignment) में सूचना संग्रहीत करती है। यदि संरेखण बिगड़ जाता है, तो सूचना खो जाती है। कोशिका के सामने डी-ग्लूकोज (D-glucose) नामक एक चीनी का निरंतर खतरा रहता है, जो स्वाभाविक रूप से कोशिका के घटकों के साथ प्रतिक्रिया करती है और उनके क्रम को बाधित करती है, ठीक वैसे ही जैसे जंग धातु को खा जाता है।
इस शोध के पिछले संस्करणों में, वैज्ञानिकों ने यह मान लिया था कि चीनी के नुकसान के प्रति कोशिका की प्रतिरोधक क्षमता एक निश्चित गुण है, कुछ ऐसा जिसे उन्होंने बस इस प्रणाली में डिजाइन किया था। उन्होंने कोशिका की सतह को एक चिकने, समान कवच के रूप में माना जो संयोग से मजबूत था। सैंडलर का नया शोध पत्र तर्क देता है कि यह दृष्टिकोण त्रुटिपूर्ण है क्योंकि यह मानता है कि कोशिका को एक विशिष्ट उद्देश्य के साथ बनाया गया था। इसके बजाय, यह पत्र प्रस्तावित करता है कि यह सुरक्षात्मक कवच स्वाभाविक रूप से उभर सकता है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि यदि कोशिका कई परस्पर क्रिया करने वाले हिस्सों से बनी है, तो एक हिस्से के आकार में यादृच्छिक परिवर्तन एक उभार (bump) बना सकता है। कोशिका को बिखरने से बचाने के लिए, एक पड़ोसी हिस्सा उस उभार में फिट होने के लिए अनजाने में एक मिलान वाला गड्ढा (dent) विकसित कर सकता है। यह प्रक्रिया, जिसे 'मास्किंग' (masking) कहा जाता है, कोशिका को उस उभार को सहने की अनुमति देती है। जैसे-जैसे यह बार-बार होता है, हिस्से आपस में मजबूती से जुड़ जाते हैं, जैसे कि एक जटिल पहेली के टुकड़े।
चौंकाने वाली खोज यह है कि यह गहरा जुड़ाव, जो केवल कोशिका के आकार को बनाए रखने के लिए विकसित हुआ था, अनजाने में चीनी के अणुओं को अंदर के संवेदनशील स्थानों तक पहुँचने से रोकता है। सुरक्षा जटिलता का एक दुष्प्रभाव है, न कि वह विशेषता जिसे जीवित रहने के लिए चुना गया था। शोध पत्र इसे कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से प्रदर्शित करता है जहाँ कृत्रिम वंशावलियाँ (lineages) ऐसी स्थितियों में विकसित होती हैं जहाँ चीनी का नुकसान कोई खतरा नहीं है। बिना किसी चीनी प्रतिरोध के दबाव के भी, ये वंशावलियाँ अधिक से अधिक परस्पर जुड़े हिस्सों को संचित करती हैं। जब शोधकर्ताओं ने बाद में इन विकसित वंशावलियों को अचानक चीनी के झटके (sugar shock) के संपर्क में लाया, तो उन्होंने पाया कि जटिल, परस्पर जुड़ी कोशिकाएं सरल कोशिकाओं की तुलना में बहुत बेहतर जीवित रहीं। सुरक्षा उनकी ऐतिहासिकता का एक आकस्मिक उपोत्पाद (byproduct) थी।
यह अध्ययन कोशिका की आंतरिक स्थिति को मापने का एक नया तरीका भी पेश करता है। 'सर्कुलर डाइक्रोइज़्म' (circular dichroism) नामक तकनीक का उपयोग करके, जो विशिष्ट रूप से कायरल अणुओं के प्रकाश को घुमाने के तरीके का पता लगाती है, शोधकर्ता कोशिका को नष्ट किए बिना उसके क्रम की "स्मृति" को पढ़ सकते हैं। यह वैज्ञानिकों को यह ट्रैक करने की अनुमति देता है कि कोशिका ने कितनी सूचना क्षति के कारण खो दी है और उसके मरम्मत तंत्र कितनी अच्छी तरह काम कर रहे हैं। शोध पत्र इन विचारों का वास्तविक प्रयोगशाला में परीक्षण करने के लिए एक रोडमैप तैयार करता है। यह इन परस्पर जुड़े आकारों के विकास का अनुकरण करने वाले कंप्यूटर मॉडल से शुरू करने, फिर भौतिक प्रयोगों की ओर बढ़ने का सुझाव देता है जहाँ वैज्ञानिक स्कैफोल्ड्स का निर्माण करते हैं और उन्हें कई पीढ़ियों तक विकसित होते देखते हैं। लक्ष्य यह देखना है कि क्या एक वास्तविक, भौतिक प्रणाली समय के साथ जटिलता को संचित करके तनाव के प्रति प्रतिरोध स्वतः विकसित कर सकती है।
यह कार्य इस सामान्य धारणा को चुनौती देता है कि प्रकृति में जटिल, सुरक्षात्मक प्रणालियों के लिए सावधानीपूर्वक डिजाइन या अस्तित्व के लिए प्रत्यक्ष चयन आवश्यक है। इसके बजाय, यह सुझाव देता है कि आत्म-रखरखाव की मशीनरी एक 'रैचेट-जैसे' (ratchet-like) प्रक्रिया के माध्यम से उत्पन्न हो सकती है जहाँ छोटे, तटस्थ परिवर्तन लॉक हो जाते हैं, और अंततः एक ऐसे किले का निर्माण करते हैं जिसे बनाने का जीव ने कभी इरादा नहीं किया था। शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि उन्होंने अभी तक एक पूरी तरह से आत्मनिर्भर कृत्रिम कोशिका बनाई है; यह सिमुलेशन और गणितीय मॉडलों द्वारा समर्थित एक सैद्धांतिक ढांचा बना हुआ है। हालाँकि, यह एक ठोस, परीक्षण योग्य स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि कैसे एक प्रणाली अपने बचाव की क्षमता विकसित कर सकती है, जिससे सुदृढ़ता के प्रश्न को एक डिजाइन समस्या से बदलकर ऐतिहासिक दुर्घटना और संरचनात्मक अनिवार्यता की कहानी में बदल दिया गया है। यह दिखाकर कि सुरक्षा जटिलता का एक अनपेक्षित परिणाम हो सकती है, यह शोध इस बात पर एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है कि जीवन अपने वातावरण के निरंतर क्षरण के विरुद्ध खुद को कैसे बनाए रख सकता है।
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