Assembly and priming of the VPS4B AAA+ ATPase of the human ESCRT system

कल्पना कीजिए कि आपकी कोशिकाएं हलचल भरी, हाई-टेक शहरों की तरह हैं। इन शहरों के भीतर, सफाई करने, पुराने पुर्जों को रीसायकल करने और यहाँ तक कि संदेश भेजने या वायरस को बाहर निकालने के लिए झिल्ली (मेम्ब्रेन) के छोटे बुलबुलों को काटने की निरंतर आवश्यकता होती है। इसे करने के लिए, कोशिका एक विशेष निर्माण दल का उपयोग करती है जिसे ESCRT सिस्टम कहा जाता है। ESCRT को एक आणविक श्रमिकों की टीम के रूप में समझें जो एक झिल्ली को पकड़ सकते हैं, उसे मरोड़ सकते हैं और उसे अलग कर सकते हैं—जैसे कि अंदर से बाहर की ओर काम करने वाली आणविक कैंची का एक जोड़ा। लेकिन ये कार्यकर्ता केवल काम करके छोड़ नहीं देते; उन्हें अलग किया जाना और रीसायकल किया जाना आवश्यक है ताकि वे फिर से उपयोग किए जा सकें। यहाँ हमारी कहानी के मुख्य पात्र का प्रवेश होता है: VPS4। आप VPS4 को कोशिका के अंतिम "अनलोडर" या "रीसाइक्लिंग रोबोट" के रूप में देख सकते हैं। यह एक ऐसी मशीन है जो ESCRT श्रमिकों को पकड़ती है, उन्हें अलग करती है, और उन्हें अपने केंद्रीय छेद के माध्यम से धकेल देती है ताकि उन्हें पुन: उपयोग किया जा सके।

बड़ा रहस्य जिसे वैज्ञानिक हल करने की कोशिश कर रहे हैं वह यह है: इस रीसाइक्लिंग रोबोट को पता कैसे चलता है कि कब चालू होना है? यह केवल बेतरतीब ढंग से नहीं घूमता; इसे जरूरत पड़ने पर ही खुद को छह भागों वाले एक छल्ले (हेक्सामर) में व्यवस्थित करना होता है। वर्षों तक, हम जानते थे कि रोबोट मौजूद है, लेकिन हम यह नहीं देख पा रहे थे कि यह ठीक से कैसे जुड़ता है या यह काम करने के लिए कैसे तैयार होता है। यह एक जटिल मशीन के कार्य को समझने की कोशिश करने जैसा है बिना कभी उसके ब्लूप्रिंट को देखे या उसे असेंबल होते हुए देखे। यदि हम यह नहीं देख सकते कि यह कैसे काम करता है, तो हम इसे ठीक नहीं कर सकते जब यह टूट जाता है (जो अल्जाइमर जैसे रोगों में होता है) या इसे तब नहीं रोक सकते जब यह कैंसर या HIV जैसे बुरे लोगों की मदद करता है।

इस अध्ययन में, UC बर्कले के शोधकर्ताओं ने अंततः इस रोबोट के मानव संस्करण, VPS4B का एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्नैपशॉट लिया। उन्होंने इस मशीन को क्रिया में देखने के लिए क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी नामक एक शक्तिशाली कैमरे का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि यह कुछ वैसा ही है जैसे एक गुप्त "प्राइमिंग" (तैयारी) चरण की खोज करना। उन्होंने देखा कि इससे पहले कि रोबट अपने लक्ष्यों को अलग करना शुरू करे, इसे एक विशिष्ट छह-भाग वाले छल्ले को व्यवस्थित करना होता है। लेकिन यहाँ एक मोड़ है: रोबोट के अपने दो छोटे हाथ (जिन्हें MIT डोमेन कहा जाता है) वास्तव में मशीन के मुख्य शरीर को पकड़ते हैं और उसे थामे रखते हैं, जो एक सुरक्षा लैच (safety latch) की तरह काम करते हैं। उन्होंने यह भी देखा कि रोबोट की अपनी पूंछ का एक हिस्सा (लिंकर) केंद्रीय छेद में फंस जाता है, जो मशीन के पूरी तरह तैयार होने तक उसे ब्लॉक रखता है। अध्ययन बताता है कि एक बार जब रोबोट असेंबल हो जाता है और इन आंतरिक लैच द्वारा "प्राइम" हो जाता है, तो यह अंततः काम में लग सकता है, ब्लॉकिंग टेल को बाहर धकेल सकता है, और ESCRT श्रमिकों को रीसायकल करना शुरू कर सकता है। यह खोज हमें एक स्पष्ट तस्वीर देती है कि मशीन कैसे चालू होती है, जो वैज्ञानिकों को ऐसे नए ड्रग्स डिजाइन करने में मदद कर सकती है जो इसे तेज कर सकें (न्यूरोडीजेनेरेशन से लड़ने के लिए) या इसे जाम कर सकें (कैंसर या वायरस को रोकने के लिए)।

मानव रीसाइक्लिंग रोबोट की कहानी

चुनौती: एक भूत को पकड़ना
मानव VPS4B मशीन एक भूत की तरह है। इसे रीसाइक्लिंग का भारी काम करने वाला एक छह-भाग वाला छल्ला (हेक्सामर) होना चाहिए, लेकिन एक टेस्ट ट्यूब में, यह शर्मीला है। यह ज्यादातर जोड़ों (डिमर्स) या एकल इकाइयों के रूप में रहता है, और केवल तभी अपने छह-भाग वाले छल्ले में बदलता है जब इसकी आवश्यकता होती है। इसकी तस्वीर लेना एक उड़ते हुए हमिंगबर्ड की फोटो खींचने जैसा था; यह बहुत तेज़ और अस्थिर था। इस रोबोट के यीस्ट संस्करण पर पिछले अध्ययनों ने हमें कुछ संकेत दिए थे, लेकिन मानव कोशिकाएं अलग हैं, और हमें मानव रोगों का इलाज करने के लिए मानव मशीन को देखने की आवश्यकता थी।

ट्रिक: मशीन को फ्रीज करना
मानव VPS4B को काम करते हुए पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं को चतुर होना पड़ा। वे केवल इसके स्वाभाविक रूप से असेंबल होने का इंतजार नहीं कर सकते थे क्योंकि यह फोटो खींचने के लिए पर्याप्त समय तक स्थिर नहीं रहता। इसलिए, उन्होंने कुछ तरकीबें अपनाईं। सबसे पहले, उन्होंने रोबोट का एक ऐसा संस्करण बनाया जो अपने ईंधन (ATP) को "खा" नहीं सकता था लेकिन उसे थामे रख सकता था, जिससे छल्ले को एक साथ रखने में मदद मिली। उन्होंने रिंग को असेंबल रहने के लिए मजबूर करने हेतु एक सहायक प्रोटीन (Hcp1) को जोड़ने का भी प्रयास किया, और इसे एक प्राकृतिक सक्रिय प्रोटीन जिसे VTA1 कहा जाता है, के साथ मिलाया।

एक सुपर-पावरफुल इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करके, वे मशीन को तीन अलग-अलग अवस्थाओं में फ्रीज करने में सफल रहे, जिससे यह खुलासा हुआ कि VPS4B काम करने के लिए कैसे तैयार होता है।

अवस्था 1: "ट्रांजिशनल" स्नैप
पहली अवस्था जिसे उन्होंने पकड़ा, वह एक मशीन की तरह थी जो बीच के स्टेप में पकड़ी गई हो। छह में से पांच भाग एक साफ स्पाइरल स्टेयरकेस (सर्पिल सीढ़ी) में पंक्तिबद्ध थे, लेकिन छठा भाग डगमगा रहा था, अपनी जगह खोजने की कोशिश कर रहा था। यह बहुत समान था जो हमने यीस्ट में देखा था। इस अवस्था में, केंद्रीय छेद (पोर) में प्रोटीन का एक एकल स्ट्रैंड गुजर रहा था, जो दिखाता है कि मशीन अपने लक्ष्य को कैसे पकड़ती है। हालांकि, इस अवस्था ने हमें यह नहीं दिखाया कि मशीन वास्तव में कैसे शुरू होती है या इसके अपने हिस्से आपस में कैसे बात करते हैं ताकि यह तैयार हो सके।

अवस्था 2: "प्रोसेसिंग" मोड
इसके बाद, उन्होंने मशीन को तब देखा जब वह पूरी तरह से असेंबल और काम में जुटी हुई थी। इस "प्रोसेसिंग" अवस्था में, सभी छह भागों ने एक सटीक, टाइट स्पाइरल स्टेयरकेस बनाया। उन्होंने देखा कि केंद्रीय छेद पूरी तरह खुला था और एक साथ प्रोटीन के दो स्ट्रैंड्स को पकड़े हुए था। इसने पुष्टि की कि मशीन अपने लक्ष्य के दो हिस्सों को एक साथ खींच सकती है, जैसे कि एक डबल-साइडेड जिपर को अलग किया जा रहा हो। यह मशीन की पूरी सक्रियता है, अपने लक्ष्यों को रीसायकल कर रही है।

अवस्था 3: "प्राइम्ड" अवस्था (बड़ी खोज)
सबसे रोमांचक खोज तीसरी अवस्था थी, जिसे शोधकर्ताओं ने "प्राइम्ड" अवस्था कहा। यह वह क्षण है जब मशीन काम शुरू करने से पहले का है लेकिन असेंबल होने के बाद का है। यहाँ, उन्होंने कुछ ऐसा देखा जो पहले कभी नहीं देखा गया था: रोबोट के अपने दो "हाथ" (MIT डोमेन) मशीन के मुख्य शरीर पर लॉक थे।

कल्पना कीजिए कि एक निर्माण दल है जहाँ दो श्रमिकों को क्रेन द्वारा कुछ भी उठाने से पहले अपनी सुरक्षा हार्नेस को क्रेन से क्लिप करना पड़ता है। यहाँ वही हो रहा है। छह में से दो MIT डोमेन रिंग में एक गैप को भर रहे हैं, और पूरे ढांचे को थामे हुए हैं। एक हाथ (MIT-I) केंद्र के पास स्थित है, और दूसरा (MIT-II) किनारे पर क्लैंप करता है, जो रिंग के दो अलग-अलग हिस्सों को जोड़ता है। यह "सीम-ब्रिजिंग" (जोड़ को जोड़ना) एक गोंद की तरह काम करता है, रिंग को स्थिर करता है ताकि तैयार होने से पहले यह बिखर न जाए।

लेकिन एक पेच है। जबकि मशीन को इन हाथों द्वारा थामे रखा गया है, केंद्रीय छेद अवरुद्ध है। रोबोट की अपनी पूंछ का एक हिस्सा (MIT-AAA+ लिंकर) सीधे बीच में फंसा हुआ है, जो एक बोतल के कॉर्क की तरह काम कर रहा है। मशीन असेंबल और स्थिर है, लेकिन यह अभी अपना काम नहीं कर सकती क्योंकि छेद बंद है।

यह कैसे शुरू होता है: "पॉप" तंत्र
शोधकर्ता इस बात के लिए एक दिलचस्प तंत्र प्रस्तावित करते हैं कि मशीन कैसे शुरू होती है। उनका सुझाव है कि एक बार जब रिंग असेंबल हो जाती है और दो हाथों द्वारा "प्राइम" हो जाती है, तो मशीन को कॉर्क को बाहर निकालना पड़ता है। वे सोचते हैं कि ऊर्जा का एक एकल विस्फोट (एक ATP अणु का हाइड्रोलिसिस) रिंग के डगमगाते हिस्से को हिला देता है। यह बदलाव उस "सीम" को तोड़ देता है जहाँ हाथ जुड़े हुए थे। जैसे ही रिंग हिलती है, हाथ छोड़ने के लिए मजबूर होते हैं, और कॉर्क (लिंकर) को छेद से बाहर धकेल दिया जाता है। अब, छेद खुला है, हाथ स्वतंत्र हैं, और मशीन वास्तविक लक्ष्यों (ESCRT प्रोटीन) को पकड़ने के लिए तैयार है, और मशीन रीसायकल करना शुरू कर सकती है!

यह क्यों मायने रखता है: प्रमाण
शोधकर्ताओं ने केवल चित्र नहीं बनाए; उन्होंने परीक्षण किया कि क्या उनके विचार सही थे। उन्होंने रोबोट के म्यूटेंट संस्करण बनाए जहाँ उन्होंने "हाथों" (MIT डोमेन) को तोड़ दिया या "कॉर्क" (लिंकर) को हटा दिया।

• हाथ: जब उन्होंने उन हाथों को तोड़ दिया जो रिंग को थामे रखते हैं, तो रोबोट एकल टुकड़ों में बिखर गया और काम नहीं कर सका। कोशिकाओं में, ये टूटे हुए रोबोट अपने लक्ष्यों को साफ नहीं कर सके, जिससे कचरे का ढेर (CHмP4B पंक्टा) लग गया और यहाँ तक कि कोशिकाओं के विभाजित होने या वायरस छोड़ने में भी विफलता आई।
• कॉर्क: जब उन्होंने छेद को ब्लॉक करने वाले लिंकर को हटा दिया, तो रोबोट को असेंबल होने में ही कठिनाई हुई।

इन प्रयोगों ने पुष्टि की कि "प्राइमिंग" चरण—जहाँ हाथ रिंग को थामे रखते हैं और लिंकर छेद को ब्लॉक करता है—एक वास्तविक, आवश्यक चरण है। इस विशिष्ट असेंबली के बिना, मशीन बेकार है।

बड़ा परिप्रेक्ष्य
यह अध्ययन VPS4 मशीन के प्रति हमारे दृष्टिकोण को बदल देता है। यह केवल एक साधारण रिंग नहीं है जो लक्ष्य देखते ही घूमने लगती है। यह एक जटिल मशीन है जिसमें एक सुरक्षा लॉक (प्राइम्ड अवस्था) है जो यह सुनिश्चित करता है कि यह केवल तभी असेंबल और सक्रिय हो जब सब कुछ सही जगह पर हो। यह "प्राइमिंग" तंत्र संभवतः एक नियंत्रण बिंदु है जिसका उपयोग कोशिका यह सुनिश्चित करने के लिए करती है कि वह गलती से ऊर्जा बर्बाद न करे या चीजों को नुकसान न पहुँचाए।

वैज्ञानिकों के लिए, यह एक खजाना है। यदि हम कैंसर कोशिकाओं को विभाजित होने से रोकना चाहते हैं या HIV को बाहर निकलने से रोकना चाहते हैं, तो हम इस "प्राइमिंग" चरण को जाम करने वाले ड्रग्स डिजाइन कर सकते हैं, जिससे रोबोट अपनी निष्क्रिय अवस्था में लॉक रहे। इसके विपरीत, यदि हम उन लोगों की मदद करना चाहते हैं जिनमें न्यूरोडीजेनेरेटिव रोगों के कारण रीसाइक्लिंग सिस्टम सुस्त है, तो हम ऐसे ड्रग्स डिजाइन कर सकते हैं जो रोबोट को तेज़ी से "प्राइम्ड" अवस्था में जाने में मदद करें। मशीन के सटीक आकार और उसके हिस्सों के फिट होने के तरीके को समझकर, हमारे पास बेहतर दवाएं बनाने के लिए अंततः एक ब्लूप्रिंट है।