Using machine learning and molecular docking technology to Elucidate the Molecular Pathway of Perfluorooctanoic Acid-Induced Ulcerative Colitis

अल्सरेटिव कोलाइटिस (अल्सरों वाला कोलाइटिस) एक पुरानी स्थिति है जहाँ बड़ी आंत की परत में सूजन और अल्सर हो जाते हैं, जिससे दर्द, रक्तस्राव और लगातार दस्त की समस्या होती है। हालांकि डॉक्टर यह समझते हैं कि इस बीमारी के पीछे आनुवंशिकी, प्रतिरक्षा प्रणाली की गड़बड़ी और पर्यावरणीय कारकों का मिश्रण काम करता है, लेकिन हमारी आधुनिक दुनिया के विशिष्ट रासायनिक अपराधी अक्सर छिपे रहते हैं। ऐसा ही एक संदिग्ध पदार्थ है परफ्लुओरोऑक्टानोइक एसिड, या PFOA। यह एक कृत्रिम रसायन है जिसका उपयोग कभी नॉन-स्टिक बर्तन और कपड़ों को दाग-प्रतिरोधी बनाने के लिए व्यापक रूप से किया जाता था। क्योंकि यह प्रकृति या मानव शरीर में आसानी से नष्ट नहीं होता है, इसलिए यह वैश्विक स्तर पर जल आपूर्ति और खाद्य श्रृंखलाओं में जमा हो गया है। वैज्ञानिकों को लंबे समय से संदेह है कि PFOA के संपर्क में आने से सूजन संबंधी आंत्र रोगों (इन्फ्लेमेटरी बाउल डिजीज) का जोखिम बढ़ सकता है, लेकिन सटीक जैविक तंत्र—कि कैसे रक्त में मौजूद एक छोटा सा अणु क्षतिग्रस्त आंत की परत में बदल जाता है—का पता लगाना कठिन रहा है।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, शानक्सी यूनिवर्सिटी ऑफ चाइनीज मेडिसिन और शानक्सी प्रोविंशियल पीपल्स हॉस्पिटल के शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर विज्ञान और आणविक जीव विज्ञान के एक शक्तिशाली संयोजन की ओर रुख किया। जानवरों या रोगियों पर तुरंत रसायनों का परीक्षण करने के बजाय, उन्होंने पहले मानव जीव विज्ञान के विशाल डिजिटल रिकॉर्ड्स का अध्ययन किया। उन्होंने अल्सरेटिव कोलाइटिस से संबंधित चार विशिष्ट ट्रांसक्रिप्टोमिक डेटासेट से आनुवंशिक डेटा एकत्र किया और स्वस्थ नियंत्रण समूहों के साथ तुलना करके यह पता लगाया कि कौन से जीन असामान्य व्यवहार कर रहे थे। साथ ही, उन्होंने कंप्यूटर मॉडल का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया कि PFOA भौतिक रूप से किन मानव प्रोटीनों से चिपक सकता है, ठीक वैसे ही जैसे एक चाबी ताले की तलाश करती है। इन दो विशाल सूचियों—बीमारी में गलत होने वाले जीन और उस रसायन द्वारा लक्षित प्रोटीन—को आपस में जोड़कर, उन्होंने संदिग्धों के एक विशिष्ट समूह तक अपनी खोज को सीमित कर दिया, जिसमें चौबीस संभावित नाम शामिल थे।

टीम ने इन चौबीस उम्मीदवारों में से छानबीन करने के लिए उन्नत मशीन लर्निंग का उपयोग किया, जो डेटा से पैटर्न सीखने वाला एक प्रकार का कंप्यूटर प्रोग्राम है। लक्ष्य उन सबसे प्रभावशाली खिलाड़ियों, यानी "कोर" जीन को खोजना था जो रासायनिक संपर्क के दौरान बीमारी की प्रक्रिया को संचालित करते हैं। कंप्यूटर मॉडल ने छह विशिष्ट जीनों की पहचान सबसे महत्वपूर्ण के रूप में की: MEP1B, NAAA, PANK3, SCD, SLC23A1, और SLC6A14। विश्लेषण ने एक स्पष्ट पैटर्न दिखाया: इस स्थिति वाले रोगियों में, इन छह में से दो जीन, SCD और SLC6A14, काफी सक्रिय (overactive) थे, जबकि अन्य चार कम सक्रिय (underactive) थे। कंप्यूटर मॉडल इतने सटीक थे कि वे केवल इन छह जीनों की गतिविधि के स्तर के आधार पर रोगग्रस्त और स्वस्थ ऊतकों के बीच उच्च सटीकता के साथ अंतर कर सके।

यह समझने के लिए कि PFOA वास्तव में इन जीनों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है, शोधकर्ताओं ने 'मॉलिक्यूलर डॉकिंग' नामक एक डिजिटल सिमुलेशन किया। यह प्रक्रिया दर्शाती है कि एक अणु प्रोटीन संरचना में कैसे फिट बैठता है। परिणामों ने दिखाया कि PFOA पहचाने गए सभी छह कोर जीनों से मजबूती से और स्थिरता के साथ जुड़ता है। यह भौतिक संबंध बताता है कि यह रसायन केवल बीमारी होने के समय वहां मौजूद नहीं होता; बल्कि, यह संभवतः इन जैविक लक्ष्यों से सीधे जुड़कर उनके सामान्य कार्य में बाधा डालता है। उदाहरण के लिए, जीन SLC6A14, जो अत्यधिक सक्रिय पाया गया था, सूजन के प्रति कोशिकाओं की प्रतिक्रिया को प्रभावित करने के लिए जाना जाता है और कोशिका मृत्यु के एक ऐसे रूप को ट्रिगर कर सकता है जो आंत की परत को नुकसान पहुँचाता है। इसके विपरीत, जीन NAAA, जो कम सक्रिय था, सामान्य रूप से एक प्राकृतिक सूजन-रोधी संकेत बनाने में मदद करता है; इसकी कमी आंत को सूजन के विरुद्ध असुरक्षित छोड़ सकती है।

अध्ययन ने उन व्यापक जैविक मार्गों का भी मानचित्रण किया जिन्हें ये जीन नियंत्रित करते हैं। वे वसा को तोड़ने, विटामिन के परिवहन और आंत की दीवार की संरचनात्मक अखंडता बनाए रखने में शामिल हैं। जब PFOA इन लक्ष्यों से जुड़ता है, तो ऐसा प्रतीत होता है कि वह पूरी व्यवस्था का संतुलन बिगाड़ देता है, जिससे आंत की परत का टूटना और पुरानी सूजन की शुरुआत होती है। हालांकि शोधकर्ता यह उल्लेख करते हैं कि ये निष्कर्ष कंप्यूटर सिमुलेशन और आनुवंशिक डेटा विश्लेषण पर आधारित हैं न कि नए नैदानिक परीक्षणों पर, फिर भी विभिन्न विधियों के बीच परिणामों की निरंतरता बहुत प्रभावशाली है। यह कार्य एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है कि कैसे एक सामान्य पर्यावरणीय प्रदूषक विशिष्ट जैविक स्विचों को हाईजैक करके बीमारी का कारण बन सकता है, जिससे भविष्य की दवाओं के लिए नए लक्ष्य मिलते हैं जो इस अंतःक्रिया को रोक सकें या क्षति की मरम्मत कर सकें।