Engineered protein cages with phosphate-dependent reversible opening
शोधकर्ताओं ने एक प्रोटीन केज वेरिएंट (AaLS-POF) को इंजीनियर किया है जो फॉस्फेट के जवाब में बंद और खुले अवस्थाओं के बीच तेजी से, प्रतिवर्ती संरचनात्मक संक्रमणों से गुजरता है, जिससे गैर-विनाशकारी कार्गो हेरफेर सक्षम होता है और उत्तेजना-उत्तरदायी नैनोकैरियर्स को डिजाइन करने के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है।
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एक सूक्ष्म कंटेनर की कल्पना करें, जो पूरी तरह से प्रोटीन से बनी एक खोखली खोल है, जिसे जीवित कोशिका के जटिल वातावरण के माध्यम से नाजुक कार्गो ले जाने के लिए बनाया गया है। दशकों से, वैज्ञानिक इन जैविक बक्सों को इस तरह इंजीनियर करने की कोशिश कर रहे हैं कि उन्हें आदेश पर खोला और बंद किया जा सके, जिससे वे बिना टूटे दवा छोड़ सकें या नमूने उठा सकें। चुनौती एक ऐसे ट्रिगर को खोजने की थी जो इतना सौम्य हो कि अंदर के कीमती सामान को नुकसान न पहुँचाए, फिर भी इतना शक्तिशाली हो कि कठोर खोल को अपना आकार बदलने के लिए मजबूर कर सके। मौजूदा अधिकांश तरीकों के लिए कठोर रसायनों या चरम स्थितियों की आवश्यकता होती है जो उन्हीं अणुओं को नष्ट कर देती हैं जिन्हें वे बचाने के लिए बनाए गए हैं। लक्ष्य एक ऐसा स्विच बनाना था जो एक सरल, प्राकृतिक संकेत के साथ काम करे, एक सीलबंद तिजोरी को एक छिद्रपूर्ण छलनी में और फिर वापस बदल दे, और यह सब कार्गो को सुरक्षित रखते हुए करे।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने Aquifix aeolicus नामक एक गर्मी पसंद बैक्टीरिया में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले प्रोटीन का उपयोग करके ऐसा कंटेनर सफलतापूर्वक इंजीनियर किया है। उन्होंने इस प्रोटीन का एक नया संस्करण बनाया, जिसे उन्होंने AaLS-POF नाम दिया, जो फॉस्फेट (एक सामान्य रसायन जो शरीर में पाया जाता है) की उपस्थिति या अनुपस्थिति के जवाब में तेजी से फैलने और सिकुड़ने में सक्षम है। जब फॉस्फेट मौजूद होता है, तो प्रोटीन एक सघन, सीलबंद डोडिकाहेड्रोन (dodecahedron) के रूप में व्यवस्थित होता है, जो बारह पंचकोणीय फलकों से बनी एक आकृति है जो इसके भीतर की सामग्री को लॉक कर देती है। जब फॉस्फेट हटा दिया जाता है, तो संरचना एक नाटकीय परिवर्तन से गुजरती है, जो एक बहुत बड़े, छिद्रपूर्ण टेट्राहेड्रल (tetrahedral) आकार में खुल जाती है जिसकी दीवारों में बड़े छेद होते हैं। यह स्विच परिवर्तनीय है और सामान्य जैविक स्थितियों के तहत होता है, जो कंटेनर में क्या प्रवेश करेगा या क्या बाहर जाएगा, इसे नियंत्रित करने का एक गैर-आक्रामक तरीका प्रदान करता है।
शोधकर्ताओं ने इस व्यवहार की खोज कुछ हद तक दुर्घटना से की। उन्होंने मूल रूप से प्रोटीन को धातु आयनों के प्रति प्रतिक्रिया देने के लिए डिज़ाइन किया था, जिसमें धातुओं के लिए विशिष्ट बाइंडिंग साइट बनाने हेतु विशेष उत्परिवर्तन (mutations) पेश किए गए थे। हालाँकि, जब उन्होंने प्रोटीन का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह धातुओं के प्रति अपेक्षित प्रतिक्रिया नहीं दे रहा था। इसके बजाय, उन्होंने देखा कि प्रोटीन का आकार पूरी तरह से उस बफर समाधान पर निर्भर था जिसमें वह स्थित था। फॉस्फेट युक्त समाधान में, प्रोटीन एक सघन, 16-नैनोमीटर का पिंजरा बनाता है। लेकिन जब उन्होंने समाधान को बिना फॉस्फेट वाले घोल से बदला, तो पिंजरे फैलने लगे। कुछ घंटों के दौरान, संरचनाएं बड़े, 20-से-28-नैनोमीटर के असेंबली में विकसित हुईं। टीम को एहसास हुआ कि फॉस्फेट को हटाना ही मुख्य कुंजी थी, जिससे प्रोटीन एक पफरफिश की तरह फूल गया, इसलिए इसका नाम AaLS-POF रखा गया।
यह समझने के लिए कि वास्तव में यह कैसे हुआ, वैज्ञानिकों ने परमाणु स्तर पर प्रोटीन संरचनाओं को देखने के लिए शक्तिशाली इमेजिंग तकनीकों का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि उनके द्वारा पेश किए गए उत्परिवर्तनों ने प्रोटीन के निर्माण खंडों के बीच के कनेक्शन को कमजोर कर दिया था, जिससे पिंजरा स्वाभाविक रूप से अस्थिर और फैलने के प्रति संवेदनशील हो गया था। फॉस्फेट की उपस्थिति में, प्रोटीन का एक विशिष्ट रासायनिक समूह फॉस्फेट आयन को पकड़ लेता है, जो एक आणविक गोंद की तरह कार्य करता है जो टुकड़ों को एक साथ जोड़कर रखता है, जिससे वह सघन, बंद आकार बना रहता है। फॉस्फेट के बिना, वह गोंद गायब हो जाता है, और प्रोटीन के हिस्सों के बीच का इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण (electrostatic repulsion) उन्हें दूर धकेलता है, जिससे खोल में बड़े अंतराल बन जाते हैं। शोधकर्ताओं ने प्रोटीन के विशिष्ट अमीनो एसिड को बदलकर इस तंत्र की पुष्टि की; जब उन्होंने फॉस्फेट को पकड़ने के लिए जिम्मेदार भागों को बदला, तो प्रोटीन आकार बदलने की अपनी क्षमता खो बैठा और एक ही रूप में स्थिर रहा।
पिंजरे को आदेश पर खोलने और बंद करने की इस क्षमता से जैविक सामग्रियों को संभालने के व्यावहारिक अवसर खुलते हैं। टीम ने प्रदर्शित किया कि वे एक विशिष्ट लिंक को काटने के लिए एक बड़ी एंजाइम को अंदर जाने देने के लिए खुले रूप का उपयोग कर सकते हैं, जो प्रभावी रूप से कार्गो को कंटेनर से मुक्त कर देता है। इसके विपरीत, उन्होंने दिखाया कि वे पिंजरे को खोल सकते हैं, छोटे अणुओं या यहाँ तक कि डीएनए के छोटे स्ट्रैंड्स को लोड कर सकते हैं, और फिर समाधान में फॉस्फेट वापस डालकर इसे फिर से बंद कर सकते हैं। एक बार बंद होने के बाद, कंटेनर अपने डीएनए कार्गो को आसपास के तरल में पाचन एंजाइमों द्वारा खाए जाने से बचाने में सक्षम था, जिससे सिद्ध हुआ कि सील प्रभावी थी। यह प्रणाली उस कार्गो के लिए सबसे अच्छा काम करती थी जो उसके कैविटी (गुहा) में आसानी से फिट हो सके; बड़े स्ट्रैंड जो बाहर निकले हुए थे, वे केवल आंशिक रूप से ही सुरक्षित थे, जिससे पता चलता कि सील की अखंडता के लिए कार्गो का आकार मायने रखता है।
यह अध्ययन इन प्रतिक्रियाशील कंटेनरों को इंजीनियर करने के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। प्रोटीन उपइकाइयों (subunits) के बीच प्राकृतिक संबंधों को कमजोर करके और एक सरल रासायनिक संकेत के लिए एक विशिष्ट बाइंडिंग साइट पेश करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जिसे एक सीलबंद तिजोरी और एक खुले छलनी के बीच बदला जा सकता है। यह दृष्टिकोण कठोर रसायनों या अत्यधिक तापमान की आवश्यकता के बिना, एक सौम्य, प्राकृतिक ट्रिगर पर निर्भर करता है जो जीवित प्रणालियों के अनुकूल है। हालांकि यह तकनीक अभी विकास के शुरुआती चरणों में है, रिर्सिबल ओपनिंग और कार्गो सुरक्षा का सफल प्रदर्शन, सटीकता और देखभाल के साथ अणुओं को वितरित करने या पुनः प्राप्त करने के लिए अनुकूलित नैनोकंटेनर बनाने की दिशा में एक आशाजनक मार्ग का सुझाव देता है।
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