Proton-coupled alternating access in a versatile mycobacterial Spns drug transporter

एक कोशिका के भीतर की कल्पना एक हलचल भरे, उच्च-सुरक्षा वाले शहर के रूप में करें। चीजों को सुचारू रूप से चलाने के लिए, इस शहर को गेट और दरवाजों की एक परिष्कृत प्रणाली की आवश्यकता होती है जो यह नियंत्रित करती है कि क्या अंदर आता है और क्या बाहर जाता है। इनमें से कुछ दरवाजे छोटे, विशिष्ट श्रमिकों द्वारा संचालित होते हैं जिन्हें 'ट्रांसपोर्टर' कहा जाता है। उन्हें एक क्लब के बाउंसर या हवाई अड्डे के सीमा शुल्क अधिकारियों के रूप में सोचें। उनका काम विशिष्ट अणुओं—जैसे पोषक तत्व, अपशिष्ट या दवाएं—को पकड़ना और उन्हें कोशिका की सुरक्षात्मक दीवार, यानी झिल्ली (मेम्ब्रेन) के पार पहुँचाना है। लेकिन यहाँ पेचीदा बात यह है: ये दरवाजे केवल बेतरतीब ढंग से खुलते और बंद नहीं होते। वे ऊर्जा से संचालित होते हैं, जो अक्सर प्रोटॉन (जो वास्तव में इलेक्ट्रॉन खो चुके हाइड्रोजन परमाणु हैं) के संचलन से उत्पन्न बिजली की एक छोटी सी चिंगारी का उपयोग करते हैं। जब एक प्रोटॉन उस पर कूदता है, तो यह दरवाजे के आकार को बदल देता है, जिससे वह एक तरफ या दूसरी तरफ खुलने के लिए मजबूर हो जाता है। इस प्रक्रिया को "अल्टरनेटिंग एक्सेस" (alternating access) कहा जाता है, और यह वह मौलिक लय है जिससे कोशिकाएं चीजों को इधर-उधऱ ले जाती हैं। इन आणविक दरवाजों के काम करने के तरीके को ठीक से समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि वे खराब हो जाते हैं, तो यह बीमारियों का कारण बन सकता है, या यदि बैक्टीरिया एंटीबायोटिक्स को बाहर निकालने के लिए उनका उपयोग करते हैं, तो यह सुपरबग्स का कारण बनता है जिन्हें मारना कठिन होता है।

अब, इन ट्रांसपोर्टरों के एक विशिष्ट परिवार से मिलिए जिसे Spns कहा जाता है। वैज्ञानिक काफी समय से जानते हैं कि Spns प्रोटीन कोशिका जगत में बहुमुखी स्विस आर्मी नाइफ की तरह हैं, जो प्रतिरक्षा प्रणाली के संकेतों से लेकर वसा के अणुओं की सफाई करने तक सब कुछ करने में मदद करते हैं। लेकिन एक बड़ा रहस्य था: इस प्रोटीन दरवाजे का वही बुनियादी आकार अलग-अलग कामों को कैसे संभाल लेता है? कभी-कभी यह चीजों को कोशिका से बाहर धकेलता है, और कभी-कभी ऐसा लगता है जैसे यह उन्हें अंदर खींच रहा है। क्या यह प्रत्येक काम के लिए प्रोटॉन की चिंगारी का उपयोग अलग तरह से करता है? इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान मायकोबैक्टीरियम स्मैगैटिस (Mycobacterium smegmatis), जो कि एक प्रकार का बैक्टीरिया है, में पाए जाने वाले इस ट्रांसपोर्टर के एक संस्करण की ओर लगाया। वे वास्तविक समय में देखना चाहते थे कि प्रोटॉन और विभिन्न प्रकार के कार्गो (माल) के साथ परस्पर क्रिया करते समय दरवाजा कैसे आकार बदलता है।

रेज़ा दस्तवन और सहयोगियों के नेतृत्व वाली टीम ने DEER स्पेक्ट्रोस्कोपी नामक एक उच्च-तकनीकी पद्धति का उपयोग किया। आप इसे एक आणविक रूलर (माप दंड) के रूप में समझ सकते हैं जो प्रोटीन से जुड़े दो छोटे टैग के बीच की दूरी को मापने के लिए चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करता है। इन दूरियों में बदलाव को देखकर, वे देख सके कि प्रोटीन कैसे मुड़ता और फैलता है। उन्होंने प्रोटीन का परीक्षण विभिन्न अम्लता स्तरों (pH 4, 7.5, और 9) पर किया ताकि यह देखा जा सके कि प्रोटॉन जोड़ने या हटाने से दरवाजे के आकार पर क्या प्रभाव पड़ता है। उन्होंने विभिन्न "यात्रियों" को भी पेश किया ताकि यह देखा जा सके कि दरवाजा उनके प्रति कैसी प्रतिक्रिया देता है।

उन्होंने यह खोजा: प्रोटॉन एक मास्टर स्विच की तरह कार्य करता है। जब वातावरण अम्लीय (प्रोटॉन की अधिकता) होता है, तो ट्रांसपोर्टर अपना आकार बदल लेता है ताकि दरवाजा कोशिका के अंदर की ओर खुले। जब वातावरण क्षारीय (प्रोटॉन की कमी) होता है, तो दरवाजा बाहर की ओर खुल जाता है। लेकिन असली जादू तब होता है जब अलग-अलग यात्री आते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि दरवाजा अपने साथ ले जा रहे अणु की "व्यक्तित्व" के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है।

यदि यात्री एक पानी से प्यार करने वाला (water-loving), धनात्मक रूप से आवेशित अणु जैसे कैप्रेओमाइसिन (एक एंटीबायोटिक) या एथिडियम ब्रोमाइड है, तो ट्रांसपोर्टर उसे बाहर धकेलना पसंद करता है। ये अणु दरवाजे को उसके "बाहर की ओर खुले" स्थिति में स्थिर करते हैं, जो एक वेज (खूंटी) की तरह काम करते हैं जो निकास को खुला रखता है। यह पुष्टि करता है कि इन दवाओं के लिए, ट्रांसपोर्टर एक 'इफ्लक्स पंप' (efflux pump) के रूप में कार्य करता है, जो बैक्टीरिया को विषाक्त पदार्थों से छुटकारा पाने में मदद करता है।

हालाँकि, यदि यात्री एक वसा-प्रेमी (lipophilic) अणु जैसे रिफैम्पिसिन (एक अन्य एंटीबायोटिक), एपिचोल कोलेस्ट्रॉल, या कुछ वसा है, तो कहानी पलट जाती है। ये अणु दरवाजे को उसके "अंदर की ओर खुले" स्थिति में स्थिर करते हैं। यह सुझाव देता है कि इस विशिष्ट प्रकार के कार्गो के लिए, ट्रांसपोर्टर वास्तव में उल्टा काम कर रहा होगा, यानी उन्हें कोशिका के अंदर खींच रहा है या उन्हें वहां थामे हुए है।

यह शोध पत्र सुझाव देता है कि यह दोहरा व्यवहार कोई त्रुटि नहीं है; बल्कि यह एक विशेषता है। एक ही प्रोटीन संरचना को इस आधार पर ट्यून किया जा सकता है कि वह वस्तुओं को निर्यात (export) करे या आयात (import) करे, जो इस बात पर निर्भर करता है कि वह क्या ले जा रहा है और रासायनिक वातावरण कैसा है। उन्होंने प्रोटीन की आंतरिक "वायरिंग" का भी मानचित्रण किया, जिससे पता चला कि वहां विशिष्ट स्थान हैं जहाँ प्रोटॉन जुड़ते और हटते हैं जिससे आकार में परिवर्तन होता है। दिलचस्प बात यह है कि प्रोटीन का वह हिस्सा जो यात्री को थामे रखता है, प्रोटॉन के प्रति उसी तरह प्रतिक्रिया नहीं करता जैसे दरवाजे का बाकी हिस्सा करता है, और अधिक स्वतंत्र रूप से कार्य करता है।

संक्षेप में, यह अध्ययन प्रकट करता है कि Spps ट्रांसपोर्टर एक आकार बदलने वाला गिरगिट (chameleon) है। यह अपने कार्गो की रासायनिक प्रकृति के आधार पर अपना आकार बदलकर, ट्रैफिक को विपरीत दिशाओं में चलाने के लिए एक ही प्रोटॉन-संचालित इंजन का उपयोग करता है। यह खोज बताती है कि बैक्टीरिया कितने अनुकूलनशील हो सकते हैं, जो संभावित रूप से एंटीबायोटिक्स के खिलाफ बचाव करने और पोषक तत्वों को प्राप्त करने दोनों के लिए एक ही उपकरण का उपयोग कर सकते हैं, और यह वैज्ञानिकों को मानव कोशिकाओं में इसी तरह के ट्रांसपोर्टरों के काम करने के तरीके को समझने के लिए एक नया ब्लूप्रिंट भी देता है, जो भविष्य में नई दवाएं विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है।