AI-driven structural informatics reveals diverse glycosylation machinery across double-stranded DNA viruses
एआई-संचालित संरचनात्मक सूचना विज्ञान (structural informatics) को जीनोमिक विश्लेषणों के साथ एकीकृत करके, यह अध्ययन डबल-स्ट्रैंडेड डीएनए वायरसों में वायरल ग्लाइकोसिलट्रांसफेरेज़ की एक विशाल, पूर्व में अनदेखी विविधता को उजागर करता है, जिसमें एक नवीन जंबो-फेज लोकस शामिल है जो सल्फेटेड पेंटासैकेराइड डीएनए संशोधन के लिए एक जटिल मशीनरी को एनकोड करता है।
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वायरस को अक्सर सरल आनुवंशिक परजीवी के रूप में कल्पित किया जाता है, छोटे आक्रमणकारी जो खुद की नकल करने और फिर बाहर फूटने के लिए मेजबान कोशिका की मशीनरी का अपहरण कर लेते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि जब वायरस अपनी सतह को शर्करा श्रृंखलाओं (sugar chains) से सजाते हैं—जिसे ग्लाइकोसिलेशन (glycosylation) कहा जाता है—तो वे इस काम को करने के लिए पूरी तरह से मेजबान कोशिका पर निर्भर होते हैं। इस दृष्टिकोण में, वायरस केवल मेजबान के उपकरणों को उधार लेता था, जिसके परिणामस्वरूप एक ऐसा वायरल कोट बनता था जो काफी हद तक उस कोशिका जैसा दिखता था जिसे उसने संक्रमित किया था। हालांकि, साक्ष्यों का एक बढ़ता हुआ समूह बताता है कि कुछ बड़े वायरस उम्मीद से कहीं अधिक आत्मनिर्भर हैं। वे जटिल शर्करा बनाने के अपने स्वयं के ब्लूप्रिंट रखते हैं, जो एक छिपी हुई, स्वायत्त वायरल रसायन विज्ञान की ओर संकेत करते है जो काफी हद तक अदृश्य रही है क्योंकि इन उपकरणों के लिए आनुवंशिक निर्देश इतने बदल गए हैं कि मानक कंप्यूटर खोज उन्हें पहचान नहीं पाती हैं।
जॉर्जिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब प्रोटीन के अनुक्रम (sequence) के बजाय उसके आकार को देखने वाले एक नए दृष्टिकोण का उपयोग करके इस अदृश्यता की परत को हटा दिया है। आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस को उन्नत संरचनात्मक मानचित्रण (structural mapping) के साथ जोड़कर, उन्होंने डबल-स्ट्रैंडेड डीएनए वायरस के डीएनए में कोडित शर्करा बनाने वाली मशीनरी की एक विशाल, अज्ञात विविधता को उजागर किया है। उनका काम प्रकट करता है कि ये वायरस केवल कुछ ज्ञात विधियों पर ही निर्भर नहीं हैं; इसके बजाय, उनके पास अपने स्वयं के आनुवंशिक पदार्थ और अपनी बाहरी परतों को संशोधित करने के लिए एक समृद्ध, विविध टूलकिट है, जिसमें कुछ ऐसी प्रक्रियाएं भी शामिल हैं जो पहले कभी नहीं देखी गईं।
शोधकर्ताओं ने एक मौलिक समस्या से शुरुआत की: एंजाइमों की पहचान करने के पारंपरिक तरीके आनुवंशिक अनुक्रमों की तुलना करने पर निर्भर करते हैं, लेकिन वायरल जीन इतनी तेज़ी से विकसित होते हैं कि उनके अनुक्रम अक्सर अपरिचित हो जाते हैं, भले ही उनके द्वारा उत्पादित प्रोटीन अभी भी समान कार्य करते हों। इस सीमा को दरकिनार करने के लिए, टीम ने प्रोटीन संरचना की ओर रुख किया। क्योंकि प्रोटीन का त्रि-आयामी आकार उसके आनुवंशिक कोड की तुलना में अधिक स्थिर होता है, इसलिए दो प्रोटीन अपने डीएनए निर्देशों में पूरी तरह से अलग दिख सकते हैं फिर भी एक ही कार्यात्मक आकार में मुड़ सकते हैं। टीम ने लगभग 3,00,000 अनुमानित वायरल प्रोटीन संरचनाओं को स्कैन करने के लिए एक एआई-संचालित प्रणाली का उपयोग किया, जो ग्लाइकोसिलट्रांसफेरेज़ (glycosyltransferases)—वे एंजाइम जो शर्करा अणुओं को जोड़ने के लिए जिम्मेदार हैं—से जुड़े विशिष्ट वास्तुशिल्प फोल्ड्स (architectural folds) की तलाश कर रहे थे।
इस संरचनात्मक खोज ने 1,700 से अधिक उन उम्मीदवार प्रोटीनों को पुनः प्राप्त किया जिन्हें मानक आनुवंशिक विश्लेषण द्वारा छोड़ दिया गया था। जब शोधकर्ताओं ने इन उम्मीदवारों को उनके आकार के आधार पर समूहीकृत किया, तो उन्हें एक प्रमुख क्लस्टर मिला जिसमें लगभग 600 प्रोटीन शामिल थे, साथ ही कई छोटे, विशिष्ट समूह भी मिले। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने छह ज्ञात वायरल शर्करा बनाने वाले एंजाइमों को फीड करके अपने तरीके का परीक्षण किया; सिस्टम ने उन सभी को मुख्य क्लस्टर में सही ढंग से समूहीकृत किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि संरचनात्मक दृष्टिकोण इन उपकरणों को सफलतापूर्वक पहचान सकता है, भले ही उनके आनुवंशिक हस्ताक्षर कमजोर हों। इस सफलता ने टीम को वायरल जीव विज्ञान के "डार्क मैटर" की खोज करने की अनुमति दी, यह पाते हुए कि इनमें से कई नए खोजे गए एंजाइम किसी भी ज्ञात शर्करा बनाने वाले टूल के परिवार में फिट नहीं बैठते थे, जो यह सुझाव देता है कि वे विकासवादी वृक्ष की पूरी तरह से नई शाखाओं का प्रतिनिधित्व करते हैं।
सबसे आश्चर्यजनक खोजों में से एक इन एंजाइमों का एक विशिष्ट समूह था, जिसे शोधकर्ताओं ने अमीबा को संक्रमित करने वाले विशाल वायरस से लेकर बैक्टीरिया को संक्रमित करने वाले बड़े बैक्टीरियोफेज तक विभिन्न प्रकार के वायरसों में पाया। कुछ मामलों में, ये एंजाइम वायरस के बाहरी आवरण के निर्माण में शामिल जीन के बगल में स्थित थे, जो यह सुझाव देते हैं कि वे वायरस के कण को ही सजाते हैं। अन्य मामलों में, वे वायरस के अपने डीएनए को संशोधित करने वाले जीन के साथ पाए गए। इससे एक विशेष रूप से दिलचस्प खोज हुई, जो एक विशाल बैक्टीरियोफेज (jumbo phage) में पाई गई। शोधकर्ताओं ने इस वायरस में एक विशिष्ट आनुवंशिक क्षेत्र की पहचान की जिसमें पांच शर्करा बनाने वाले एंजाइम एक पंक्ति में काम करते हैं, साथ ही वे एंजाइम भी हैं जो डीएनए को संशोधन के लिए तैयार करते हैं और वे भी जो सल्फेट समूह जोड़ते हैं।
यह व्यवस्था बताती है कि वायरस के पास एक जटिल, पांच-शर्करा श्रृंखला बनाने और उसे सीधे अपने डीएनए से जोड़ने, फिर अंत में एक सल्फेट टैग जोड़ने की क्षमता है। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि कुछ वायरस बैक्टीरिया की प्रतिरक्षा प्रणाली से बचने के लिए अपने डीएनए से सरल शर्करा जोड़ते हैं, अपने स्वयं के आgetic पदार्थ पर एक लंबी, सल्फेटेड शर्करा श्रृंखला बनाने की अवधारणा एक नई बात है। शामिल एंजाइमों का संरचनात्मक विश्लेषण इंगित करता है कि एक एंजाइम संभवतः एक संशोधित डीएनए बेस से पहली शर्करा जोड़ता है, जबकि अन्य श्रृंखला का विस्तार करते हैं, जिससे एक अनूठी रासायनिक पहचान बनती है जो पहले कभी प्रदर्शित नहीं की गई है।
इस विशिष्ट उदाहरण से परे, शोधकर्ताओं ने सैकड़ों विभिन्न वायरल जीनोमों में इन शर्करा बनाने वाले जीनों के स्थानों का मानचित्रण किया। उन्होंने पाया कि शर्करा बनाने की क्षमता केवल कुछ विशेष मामलों तक सीमित नहीं है बल्कि वायरल दुनिया में व्यापक रूप से फैली हुई है, जो प्राचीन बैक्टीरिया वायरस से लेकर विशाल यूकेरियोटिक वायरस तक विविध समूहों में दिखाई देती है। बैक्टीरिया और अन्य जीवों में शर्करा बनाने वाले मार्गों के ज्ञात पथों के साथ इन वायरल एंजाइमों के आनुवंशिक पड़ोस की तुलना करके, उन्होंने पाया कि वायरल प्रणालियाँ रासायनिक परिदृश्य के विशिष्ट क्षेत्रों पर कब्जा करती हैं। कुछ वायरल क्लस्टर बैक्टीरिया के चारों ओर सुरक्षात्मक कैप्सूल बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली मशीनरी के समान हैं, जबकि अन्य जटिल सतह कोटिंग बनाने वाली प्रणालियों जैसे दिखते हैं।
यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने पाए गए प्रत्येक वायरस के लिए सटीक रासायनिक नुस्खा हल कर लिया है, और न ही यह सिद्ध करता है कि प्रत्येक अनुमानित मार्ग प्रकृति में सक्रिय है। इसके बजाय, यह एक संरचनात्मक मानचित्र प्रदान करता है जो संकेत देता है कि ये गतिविधियाँ कहाँ होने की संभावना है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि ये विविध वायरल प्रणालियाँ विभिन्न उद्देश्यों को पूरा कर सकती हैं: कुछ वायरस डीएनए को मेजबान की रक्षा प्रणालियों द्वारा नष्ट होने से बचा सकती हैं, जबकि अन्य इस बात को बदल सकती हैं कि वायरस को प्रतिरक्षा प्रणाली द्वारा कैसे पहचाना जाता है। स्वायत्त शर्करा बनाने वाले उपकरणों की इतनी विस्तृत श्रृंखला के स्वामित्व को प्रकट करके, यह कार्य वायरसों को सरल आनुवंशिक परजीवी मानने के पुराने दृष्टिकोण को चुनौती देता है और उन्हें परिष्कृत रासायनिक इंजीनियरिंग में सक्षम जटिल जैविक संस्थाओं के रूप में स्थापित करता है। यह नया दृष्टिकोण जैविक अणुओं के पूरी तरह से नए प्रकारों की खोज करने और यह समझने का द्वार खोलता है कि वायरस रक्षाओं से भरी दुनिया में जीवित रहने के लिए कैसे विकसित हुए हैं।
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