જ્યારે એન્ઝાઇમ્સ અણુઓની દુનિયામાં હલચલ મચાવે છે

વિશ્રામ અને ગતિ વચ્ચે

પ્રવાહીમાં રહેલો એક કોષ જીવવિજ્ઞાનની સૌથી નિષ્ક્રિય વસ્તુઓમાંનો એક લાગે છે. પોષક તત્ત્વો અણુઓની અનિયંત્રિત ગતિના પ્રવાહ સાથે તેની તરફ આગળ વધે છે અને ક્યારેક કોઈ અણુ કોષની સપાટી પરના યોગ્ય સ્થળ સાથે અથડાય છે અને અંદર ખેંચાઈ જાય છે. અણુઓ આમતેમ ભટકતા રહે અને કોષ રાહ જોતો રહે—કોષની આ પ્રક્રિયા જાણે માત્ર સંયોગ પર આધારિત હોય તેવી લાગણી એક ગેરસમજ હતી.

જીવવિજ્ઞાનીઓ લાંબા સમયથી જાણે છે કે આ ચિત્ર તેના કરતાં વધુ વ્યસ્ત છે. કોષો સક્રિય હોય છે, અને તેમની આસપાસનું પ્રવાહી કામ કરતા અણુઓથી ભરેલું હોય છે. ઇન્ડિયન ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેક્નોલોજી ગાંધીનગર (IITGN) ના સંશોધકોએ રાષ્ટ્રીય અને આંતરરાષ્ટ્રીય ભાગીદારો સાથે મળીને હવે એક નવો વળાંક આપ્યો છે. 'સ્મોલ' (Small) જર્નલમાં પ્રકાશિત થયેલા તેમના અભ્યાસે દર્શાવ્યું છે કે કોષની આસપાસનું પ્રવાહી ખાલી, તટસ્થ મંચ નથી, જેવું કોઈ ધારી શકે છે. વાસ્તવમાં, તે કોષોની અંદર અણુઓના પરિવહનમાં અત્યંત મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે.

યુનિવર્સિટી ઓફ પેન્સિલવેનિયા, IIT જોધપુર અને ઇન્ડિયન ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ સાયન્સ એજ્યુકેશન એન્ડ રિસર્ચ કોલકાતાની સંશોધન ટીમોએ IITGN સાથે મળીને અહેવાલ આપ્યો છે કે કોષની બહારના પ્રવાહીમાં થતી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા, તેની પોતાની રીતે જ, કોષને ચોક્કસ કાર્ગો (અણુ) વધુ પ્રમાણમાં ગ્રહણ કરવા માટે પ્રેરિત કરી શકે છે.

"આ પરિવર્તનના વાહકો ઉત્સેચકો (એન્ઝાઇમ્સ) છે, તે પ્રોટીન મશીનો જે શરીરમાં પ્રતિક્રિયાઓની વિશાળ શ્રેણીને સંચાલિત કરે છે, અને નોંધપાત્ર રીતે, તેઓ કોષમાં પ્રવેશ કર્યા વિના અથવા કાર્ગોમાં સહેજ પણ ફેરફાર કર્યા વિના આ કરે છે," અભ્યાસના સહ-લેખક અને IITGNના ભૌતિકશાસ્ત્ર વિભાગના એસોસિએટ પ્રોફેસર ડૉ. કૃષ્ણા કાંતિ ડેએ સમજાવ્યું. ડૉ. ડે 'સોફ્ટ એન્ડ લિવિંગ મેટર લેબોરેટરી' નું નેતૃત્વ કરે છે, જે અભ્યાસ કરે છે કે પોતાની ગતિ ઉત્પન્ન કરતી પ્રણાલીઓ સૌથી નાના સ્તરે કેવું વર્તન કરે છે.

આ અભ્યાસને વધુ સારી રીતે સમજવા માટે એક તળાવનું ચિત્ર વિચાર કરો. જો કોઈ સ્થિર પાણીમાં ટેનિસ બોલ ફેંકે છે, તો તે ભાગ્યે જ હલનચલન કરશે. જે કંઈ પણ ક્ષીણ પ્રવાહો હશે તેના પર બોલ તરતો રહેશે. હવે કલ્પના કરો કે તળાવ નાના, અથાક તરવૈયાઓથી ભરેલું છે, જેમાંના દરેક પગ મારીને પાણીને ઉછાળી રહ્યા છે. તેમનામાંથી કોઈ પણ બોલને સ્પર્શતું નથી, પરંતુ તેમનું સામૂહિક મંથન પાણીમાં અશાંતિ ઊભી કરે છે. ટેનિસ બોલ હવે વધુ વ્યાપકપણે ભ્રમણ કરવાનું શરૂ કરે છે, જે તેની પોતાની રીતે પહોંચ્યો હોત તેના કરતાં વધુ વારંવાર અને ખૂબ ઝડપથી તળાવની ધાર સુધી પહોંચે છે.

સંશોધન ટીમ દ્વારા કરવામાં આવેલા કોષીય પ્રયોગોમાં આ અસર પ્રતિબિંબિત થાય છે, જ્યાં 'તરવૈયાઓ' અથવા ઉત્સેચકો દ્વારા ઊભી થયેલી યાંત્રિક હલચલ નજીકના અણુઓને કોષ તરફ ધકેલવામાં મદદ કરે છે, જેના પરિણામે કોષ તેમને વધુ પ્રમાણમાં શોષી લે છે. તેઓ જે 'ટેનિસ બોલ' ને પ્રભાવિત કરી રહ્યા છે તે ટ્રાન્સફરિન છે, જે એક પ્રોટીન છે જેનો ઉપયોગ શરીર કોષોમાં આયર્ન પહોંચાડવા માટે કરે છે. અને 'તળાવની ધાર' એ કોષની સપાટી છે, જેમાં રીસેપ્ટર્સ ટપકાંની જેમ આવેલા છે જે કાર્ગો સુવિધાકર્તા તરીકે કામ કરે છે, જે પસાર થતા ટ્રાન્સફરિનને પકડી લે છે અને તેને ક્લેથ્રિન-મેડિએટેડ એન્ડોસાઇટોસિસ દ્વારા અંદર ખેંચી લે છે.

નિર્ણાયક ગતિવિધિ

ક્લેથ્રિન-મેડિએટેડ એન્ડોસાઇટોસિસ મૂળભૂત રીતે પકડાયેલા અણુની આસપાસ કોષ દ્વારા તેની પોતાની પટલી (મેમ્બ્રેન) ને અંદરની તરફ ખાડો પાડવાની ક્રિયા છે, જેમાં પ્રોટીનનું નેટવર્ક પટલીને નાની પોકેટમાં વળવામાં મદદ કરે છે. જેમ જેમ પોકેટ ઊંડી થાય છે, તેમ તે આખરે કોષની સપાટીથી અલગ થઈ જાય છે, અને એક નાના વેસિકલનું નિર્માણ કરે છે જે પકડાયેલા અણુને કોષમાં લઈ જાય છે. કોષ જીવવિજ્ઞાનમાં સૌથી સંપૂર્ણ રીતે અભ્યાસ કરાયેલી પ્રક્રિયાઓમાંની એક તરીકે, તેણે સંશોધકો માટે તેમની હાઇપોથીસિસ (પરિકલ્પના) ચકાસવા માટે એક પર્યાપ્ત કસોટી ક્ષેત્ર તરીકે કામ કર્યું.

"અમે ટ્રાન્સફરિન પસંદ કર્યું કારણ કે કોષમાં તેની મુસાફરી દાયકાઓથી વિગતવાર રીતે મેપ કરવામાં આવી છે, તેથી અમે બરાબર જાણતા હતા કે સામાન્ય ગ્રહણ કેવું હોવું જોઈએ. તે પ્રસ્થાપિત બેઝલાઇનની સામે, ઉત્સેચકો દ્વારા ઉત્પન્ન કરાયેલ કોઈપણ ફેરફાર અવાજમાં ખોવાઈ જવાને બદલે સ્પષ્ટપણે અલગ તરી આવે. અને કારણ કે અમે બે ખૂબ જ અલગ ઉત્સેચક-સબસ્ટ્રેટ પ્રણાલીઓ સાથે સમાન પેટર્ન જોઈ છે, તેથી અમને ખાતરી છે કે આ અસર કોઈ એક ચોક્કસ પ્રતિક્રિયાની વિચિત્રતા નથી," અભ્યાસના સહ-લેખક (કોરેસ્પોન્ડિંગ ઓથર) અને IITGN ના બાયોલોજિકલ સાયન્સિસ એન્ડ એન્જિનિયરિંગ વિભાગના એસોસિએટ પ્રોફેસર ડૉ. ધીરજ ભાટિયાએ જણાવ્યું હતું.

સંશોધકોએ તેમના પ્રયોગો માટે ફ્લોરોસન્ટલી લેબલવાળા ટ્રાન્સફરિનનો ઉપયોગ કર્યો હતો. તેમણે નજીકમાં સક્રિય ઉત્સેચકો સાથે અને તેના વિના, કોષોને આ લેબલવાળા આયર્ન ટ્રાન્સપોર્ટર્સને શોષવાની મંજૂરી આપી. ફ્લોરોસન્ટ ડાઇ ગ્લોઇંગ GPS સિગ્નલ તરીકે કામ કરે છે, જે ટ્રાન્સફરિનને ટ્રેક કરે છે અને ગ્રહણની કાર્યક્ષમતા પણ દર્શાવે છે. વધુ ચમક, વધુ શોષણ.

કામ કરતા ઉત્સેચકો ધરાવતા કોષો વધુ તેજસ્વી ચમકતા હતા. તેમણે આશરે 17 ટકા વધુ ટ્રાન્સફરિન શોષી લીધું હતું. પરંતુ વધુ ચમકતો કોષ માત્ર એટલું જ સાબિત કરે છે કે કંઈક બદલાયું છે, શા માટે બદલાયું તે નહીં.

કોષીય પરિવહનને પ્રકાશિત કરવું

એક બહિકોષીય (એક્સ્ટ્રાસેલ્યુલર) ઉત્સેચક સંભવિત રીતે કોષીય ગ્રહણને અસર કરી શકે તેવી ઘણી રીતો છે. તે કોષ પટલીને બદલી શકે છે, પરિવહન પદ્ધતિને પ્રભાવિત કરી શકે છે, રીસેપ્ટરના વર્તનને અસર કરી શકે છે, અથવા તે ભૌતિક વાતાવરણને બદલી શકે છે જેમાંથી ટ્રાન્સફરિન પસાર થાય છે.

તેથી ટીમે ટોટલ ઇન્ટરનલ રિફ્લેક્શન ફ્લોરોસન્સ (TIRF) માઇક્રોસ્કોપીનો ઉપયોગ કરીને ટ્રાન્સફરિનની ગતિવિધિ જોઈ. આ ઇમેજિંગ ટેકનિક કોષની સપાટી પર જગ્યાના માત્ર સૌથી પાતળા ભાગને પ્રકાશિત કરે છે, જ્યાં કાર્ગો (ટ્રાન્સફરિન) રીસેપ્ટરને મળે છે. જ્યારે ઉત્સેચકો સક્રિય હતા ત્યારે તેમણે ટ્રાન્સફરિનને આશરે 50 ટકા વધુ ઝડપથી ગતિ કરતું નોંધ્યું હતું.

બીજી ટેકનિક, ફ્લોરોસન્સ કોરિલેશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીએ સમાન પરિણામ આપ્યું, જેમાં યુરેઝ ઉત્સેચક સાથે ટ્રાન્સફરિન ડિફ્યુઝિવિટીમાં આશરે 40 ટકા અને આલ્કલાઇન ફોસ્ફેટઝ ઉત્સેચક સાથે 44 ટકાનો વધારો માપવામાં આવ્યો.

"અમારા પ્રયોગોએ નોંધ્યું છે કે વધેલું ગ્રહણ કોષોમાં અથવા કાર્ગોના રસાયણશાસ્ત્રમાં થતા ફેરફારોથી પ્રભાવિત થતું નથી, પરંતુ એ હકીકત દ્વારા થાય છે કે વ્યસ્ત ઉત્સેચકો, વાસ્તવમાં, બહિકોષીય પ્રવાહીને મંથન કરી રહ્યા છે, જે કાર્ગોની ગતિને ઝડપી બનાવે છે," અભ્યાસના પ્રથમ લેખક અને IITGNના ભૌતિકશાસ્ત્ર વિભાગના પીએચડી સ્કોલર નિવિધિએ ઉમેર્યું.

પરંતુ સંશોધકોએ હજુ પણ એ સ્થાપિત કરવાની જરૂર હતી કે શું ઉત્સેચકો ખરેખર તેમની હાઇપોથીસિસ દ્વારા સૂચવ્યા મુજબ ભૌતિક વિક્ષેપ ઉત્પન્ન કરી રહ્યા હતા.

ગતિ પાછળનું બળ

તેઓ ઓપ્ટિકલ ટ્વીઝર તરફ વળ્યા, એક એવી તકનીક જે સૂક્ષ્મ વસ્તુઓ અને દળોને પકડવા અને માપવા માટે ચુસ્તપણે ધ્યાન કેન્દ્રિત લેસર બીમનો ઉપયોગ કરે છે. અહીં, તેણે તેમને ઉત્સેચકની પ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલા યાંત્રિક ઉતાર-ચઢાવને માપવાની મંજૂરી આપી. બંને એન્ઝાઇમ સિસ્ટમ્સે સક્રિય રીતે પોતાની રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓને ઉત્પ્રેરિત કરતી વખતે પિકોન્યુટન (piconewton) સ્તરના બળો ઉત્પન્ન કર્યા.

ત્યારબાદ સંશોધકોએ પરીક્ષણ કર્યું કે શું આ અસર માત્ર ઉત્સેચકો, તેમના સબસ્ટ્રેટ્સ અથવા પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદનોની હાજરીને કારણે હોઈ શકે છે. "અમે નિરીક્ષણ કર્યું કે તે તેમ હોઈ શકે નહીં. આ અસર માત્ર પ્રતિક્રિયાના ઘટકો પર જ નહીં પરંતુ સક્રિય એન્ઝાઇમ ઉત્પ્રેરણ પર આધારિત હોવાનું જણાયું હતું," નિવિધિએ કહ્યું.

ટીમે અંતે એ જાણવા માંગ્યું કે વધુ ઝડપથી ગતિ કરતું ટ્રાન્સફરિન શું રિસેપ્ટર્સ સાથે વધુ વખત સંપર્ક કરે છે? અને શું તેનો અર્થ એ છે કે તે અનિવાર્યપણે કોષની અંદર પણ વધુ પ્રમાણમાં પ્રવેશ કરશે?

 

આ તપાસવા માટે સંશોધકોએ ડાયનામિન (dynamin) નામના પ્રોટીનને અવરોધિત કર્યું. ડાયનામિન ક્લેથ્રિન-મિડિયેટેડ એન્ડોસાઇટોસિસના અંતિમ તબક્કામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે, જ્યારે કોષની ઝિલામાં બનેલું પોકેટ કોષની સપાટીથી અલગ થઈ જાય છે. ડાયનામિનને અવરોધિત કરતાં આ પરિવહન માર્ગ અટકી ગયો. કોષોએ તેમ છતાં થોડું ટ્રાન્સફેરિન શોષ્યું. આ દર્શાવે છે કે ડાયનામિનથી સ્વતંત્ર અન્ય માર્ગો દ્વારા પણ ટ્રાન્સફેરિન કોષની અંદર જઈ શકે છે. પરંતુ એન્ઝાઇમ્સ દ્વારા થતો વધારાનો શોષણનો લાભ સંપૂર્ણપણે અદૃશ્ય થઈ ગયો. આથી સ્પષ્ટ થયું કે આ વધારાની અસર સામાન્ય રીતે ટ્રાન્સફેરિનના શોષણ પર નહીં, પરંતુ ખાસ કરીને ક્લેથ્રિન-મિડિયેટેડ માર્ગ પર આધારિત હતી.

એક ઇન-બિલ્ટ સીલિંગ (મર્યાદા)

ટીમ માટે ઊભો થયેલો એક પ્રશ્ન એ હતો કે, જો ટ્રાન્સફરિન ~50 ટકા વધુ ઝડપથી ગતિ કરી રહ્યું હતું, તો ગ્રહણમાં માત્ર 17 ટકા જેટલો જ વધારો કેમ થયો? મોટા ધક્કાએ સરખામણીમાં મામૂલી લાભ આપ્યો હતો.

આ વિસંગતતાને સમજવા માટે, સંશોધકોએ ટ્રાન્સફરિન તેના રીસેપ્ટર સાથે બાઇન્ડ થવા અને અંદર ખેંચાવાનું એક સરળ કોમ્પ્યુટેશનલ મોડેલ બનાવ્યું, જેનો ઉપયોગ ગતિમાં થતા ફેરફારો ગ્રહણમાં કેવી રીતે પરિણમવા જોઈએ તે ટ્રેસ કરવા માટે કરવામાં આવ્યો.

નોંધવામાં આવ્યું હતું કે કારણ કે કોષ માત્ર મર્યાદિત સંખ્યામાં ટ્રાન્સફરિન રીસેપ્ટર્સ ધરાવે છે, તેથી ઝડપથી ગતિ કરતો કાર્ગો તે રીસેપ્ટર્સને વહેલા ભરી દે છે. પરંતુ એકવાર તેઓ બધા રોકાઈ જાય, પછી વધારાની ઝડપ ક્યાંય જઈ શકતી નથી, અને લાભ સ્થિર થઈ જાય છે. ટીમે સમાન સીલિંગ જોઈ જ્યારે તેમણે ઓફર પર ટ્રાન્સફરિનનું પ્રમાણ વધાર્યું. ગ્રહણ વધ્યું, પછી એકવાર રીસેપ્ટર્સ સંતૃપ્ત થઈ ગયા પછી સ્થિર થઈ ગયું. આમ, ઉત્સેચક-સંચાલિત મંથન કાર્ગોને ત્યાં સુધી જ ઝડપી બનાવી શકે છે જ્યાં સુધી કોષ તેને મેળવવા માટે સક્ષમ હોય.

શોધવા યોગ્ય એક નવો ઉપાય

આ અભ્યાસના તારણોને દવા વિતરણ (ડ્રગ ડિલિવરી) માં મૂળભૂત પડકારોના સંદર્ભમાં ધ્યાનમાં લઈ શકાય છે. યોગ્ય કોષ સુધી તબીબી અણુ પહોંચાડવો. અણુ પાસે યોગ્ય જૈવિક લક્ષ્ય હોઈ શકે છે, પરંતુ તેણે હજી પણ કોષની બહારના ભીડવાળા વાતાવરણમાં નેવિગેટ કરવું પડે છે, યોગ્ય રીસેપ્ટરનો સામનો કરવો પડે છે, અને કોષ પટલીને પાર કરવી પડે છે.

આ ક્ષેત્રમાં મોટો ભાગ કાર્ગોને જાતે ડિઝાઇન કરવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. આમાં તેને નેનોપાર્ટિકલ્સમાં સમાવવાનો, લક્ષિત અણુઓ જોડવાનો અથવા જૈવિક વાતાવરણ દ્વારા સક્રિયપણે ગતિ કરી શકે તેવી સિસ્ટમ્સ ડિઝાઇન કરવાનો સમાવેશ થાય છે. આ અભ્યાસ પ્રશ્ન પૂછે છે કે, શું કોષની આસપાસના વાતાવરણને થોડું કામ કરવા માટે પ્રેરિત કરી શકાય તો શું?

"આ તારણો જૈવિક અવરોધો પાર થેરાપ્યુટિક કાર્ગોના વિતરણ સહિત અણુ પરિવહનને નિયંત્રિત કરવાના ભવિષ્યના પ્રયાસો માટે સુસંગત હોઈ શકે છે. પરંતુ તે ઉપયોગોનું પરીક્ષણ કરવાનું બાકી છે. વર્તમાન કાર્ય નિયંત્રિત કોષીય પ્રણાલીમાં અસર સ્થાપિત કરે છે, જોકે તબીબી ઉપયોગો હજી દર્શાવવાના બાકી છે," ડૉ. ડેએ જણાવ્યું હતું.

આ સંશોધનને અનુસંધાન નેશનલ રિસર્ચ ફાઉન્ડેશન (ANRF), શિક્ષણ મંત્રાલયની STARS યોજના અને ગુજરાત સ્ટેટ બાયોટેકનોલોજી મિશન દ્વારા સહાય આપવામાં આવી હતી.

લેખનું શીર્ષક: એન્ઝાઇમ-રેગ્યુલેટેડ નોન-થર્મલ ફ્લક્ચ્યુએશન્સ એન્હાન્સ લિગાન્ડ ડિફ્યુઝન એન્ડ રીસેપ્ટર-મેડિએટેડ એન્ડોસાઇટોસિસ.

લેખકો: નિવિધિ, અર્ણબ મૈતી, ક્ષિતિજ પરિહાર, રિક ચક્રવર્તી, પ્રતિભા અગ્રવાલા, દિવ્યેન્દુ કે સાસમલ, રવિ રાધાકૃષ્ણન, તન્મય ઘોષ, બિદિશા સિંહા, ધીરજ ભાટિયા, કૃષ્ણા કે ડે.

DOI: https://doi.org/10.1002/smll.74049

(રીલીઝ આઈડી: 2319268) મુલાકાતી સંખ્યા : 17