अंतरराष्ट्रीय सहयोगियों के साथ काम करते हुए कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया की पहचान की है जो यह तय करती है कि डीएनए नैनोस्केल छिद्रों के माध्यम से चलते समय कैसे व्यवहार करता है। यह प्रक्रिया कई जैविक गतिविधियों और तेजी से बढ़ती डीएनए सेंसिंग प्रौद्योगिकियों के लिए मौलिक है। शोध में लंबे समय से नजरअंदाज की गई डीएनए संरचना, जिसे पेल्टोनेम्स कहा जाता है, पर प्रकाश डाला गया है, एक ऐसी खोज जो जीनोमिक्स और बायोसेंसिंग में भविष्य की प्रगति को प्रभावित कर सकती है।
नैनोपोर्स बेहद छोटे छिद्र होते हैं जो विद्युत संकेतों का उत्पादन करते समय डीएनए के एकल स्ट्रैंड को गुजरने की अनुमति देते हैं। ये संकेत शोधकर्ताओं को आनुवंशिक सामग्री का विस्तार से विश्लेषण करने में मदद करते हैं। अब तक, उन संकेतों की महत्वपूर्ण विशेषताओं को गलत समझा गया था।
वैज्ञानिकों ने क्यों सोचा कि डीएनए गांठें बना रहा है?
कई वर्षों तक, शोधकर्ताओं का मानना था कि नैनोपोर प्रयोगों के दौरान देखे गए जटिल विद्युत पैटर्न डीएनए बनाने वाली गांठों के कारण होते थे। इस विचार को चित्रित करना आसान था। एक संकीर्ण छेद के माध्यम से जूते का फीता खींचने पर फीता उलझने पर असमान हो जाता है, और वैज्ञानिकों ने माना कि डीएनए भी उसी तरह व्यवहार करता है। ऐसा माना जाता था कि किसी भी अनियमित सिग्नल का मतलब यह था कि छिद्र के माध्यम से चलते समय स्ट्रैंड में गांठ पड़ गई थी।
उस स्पष्टीकरण ने आकार दिया कि दशकों तक नैनोपोर डेटा की व्याख्या कैसे की गई।
मोड़, गांठें नहीं, संकेतों की व्याख्या करें
फिजिकल रिव्यू एक्स में प्रकाशित नए अध्ययन से पता चलता है कि लंबे समय से चली आ रही यह धारणा अक्सर गलत थी। सच्ची गांठें बनाने के बजाय, नैनोपोर ट्रांसलोकेशन के दौरान डीएनए अक्सर अपने चारों ओर मुड़ जाता है। ये मुड़ी हुई संरचनाएँ, जिन्हें पेल्टोनेम्स के नाम से जाना जाता है, एक बंधी हुई गाँठ के बजाय एक कुंडलित फ़ोन कॉर्ड से मिलती जुलती हैं।
यह अंतर मायने रखता है क्योंकि मोड़ और गांठें विद्युत संकेतों को बहुत अलग-अलग तरीकों से प्रभावित करती हैं।
“हमारे प्रयोगों से पता चला है कि जैसे ही डीएनए को नैनोपोर के माध्यम से खींचा जाता है, अंदर का आयनिक प्रवाह स्ट्रैंड को मोड़ देता है, टॉर्क जमा करता है और इसे केवल गांठों में नहीं, बल्कि पेल्टोनेम्स में लपेटता है। इस ‘छिपी’ घुमा संरचना में गांठों के अधिक क्षणिक हस्ताक्षर के विपरीत, विद्युत संकेत में एक विशिष्ट, लंबे समय तक चलने वाला फिंगरप्रिंट होता है,” कैवेंडिश प्रयोगशाला के प्रमुख लेखक डॉ. फी झेंग ने समझाया।
प्रयोग एक लुप्त तंत्र की ओर इशारा करते हैं
इस निष्कर्ष पर पहुंचने के लिए, शोधकर्ताओं ने वोल्टेज और स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला में ग्लास और सिलिकॉन नाइट्राइड नैनोपोर्स दोनों का उपयोग करके डीएनए का परीक्षण किया। उन्होंने देखा कि तथाकथित “पेचीदा” घटनाएँ, जब डीएनए के एक से अधिक अनुभागों ने एक ही समय में छिद्र पर कब्जा कर लिया, गाँठ सिद्धांत की तुलना में कहीं अधिक बार घटित हुई।
जैसे-जैसे वोल्टेज बढ़ता गया और डीएनए स्ट्रैंड लंबे होते गए, ये घटनाएं और भी अधिक होती गईं। इस पैटर्न से पता चलता है कि कोई अन्य बल काम कर रहा था।
कैसे बहता पानी डीएनए को मोड़ देता है
टीम ने पाया कि घुमाव इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह, नैनोपोर के अंदर विद्युत क्षेत्रों द्वारा संचालित पानी की गति से आता है। जैसे ही पानी डीएनए के पार बहता है, यह पेचदार अणु पर एक घूमने वाला बल लगाता है। यह बलाघूर्ण स्ट्रैंड के साथ यात्रा करता है, जिससे छिद्र के बाहर के भाग प्लेक्टोनेम में कुंडलित हो जाते हैं।
गांठों के विपरीत, जो खींचने वाली ताकतों के तहत कस जाती हैं और आम तौर पर जल्दी से गायब हो जाती हैं, प्लेक्टोनीम बड़े हो सकते हैं और संपूर्ण अनुवाद प्रक्रिया के दौरान मौजूद रह सकते हैं। यथार्थवादी बलों और टॉर्कों को लागू करने वाले कंप्यूटर सिमुलेशन ने इस व्यवहार की पुष्टि की और दिखाया कि प्लेक्टोनेम का गठन डीएनए की लंबाई के साथ मोड़ संचारित करने की क्षमता पर निर्भर करता है।
ट्विस्ट को ब्लॉक करना खोज की पुष्टि करता है
इस विचार का और अधिक परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने “निकाले” डीएनए बनाए, जो विशिष्ट बिंदुओं पर बाधित थे। इन रुकावटों ने मोड़ को अणु के साथ फैलने से रोका और प्रयोगों के दौरान पेल्टोनेम्स के गठन को तेजी से कम कर दिया।
इस परिणाम ने पुष्टि की कि प्रक्रिया के लिए मोड़ प्रसार आवश्यक है। यह डीएनए क्षति का पता लगाने के लिए नैनोपोर्स के नए तरीकों का भी संकेत देता है, क्योंकि स्ट्रैंड में टूटने से मुड़ने वाले व्यवहार में बाधा आती है।
नई परिशुद्धता के साथ डीएनए सिग्नल पढ़ना
कैवेंडिश प्रयोगशाला के प्रोफेसर उलरिच एफ. कीसर और अध्ययन के सह-लेखक कहते हैं, “यहां वास्तव में जो शक्तिशाली है वह यह है कि अब हम नैनोपोर सिग्नल में गांठों और पेल्टोनेम को इस आधार पर अलग कर सकते हैं कि वे कितने समय तक चलते हैं।”
“गांठें तेजी से गुजरती हैं, एक त्वरित टक्कर की तरह, जबकि पेल्टोनेम्स लंबे समय तक बने रहते हैं और विस्तारित सिग्नल बनाते हैं। यह डीएनए संगठन, जीनोमिक अखंडता और संभवतः क्षति के समृद्ध, अधिक सूक्ष्म रीडआउट के लिए एक मार्ग प्रदान करता है।”
जीव विज्ञान और प्रौद्योगिकी के लिए व्यापक निहितार्थ
निष्कर्ष नैनोपोर सेंसिंग से आगे बढ़ते हैं। जीवित कोशिकाओं में, डीएनए नियमित रूप से मुड़ता और उलझता है क्योंकि एंजाइम उस पर कार्य करते हैं, और गांठें और पेल्टोनेम दोनों जीनोम संगठन और स्थिरता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। यह समझना कि ये संरचनाएं कैसे बनती हैं, सेलुलर डीएनए व्यवहार के मॉडल में सुधार कर सकती हैं।
निदान और बायोसेंसिंग के लिए, डीएनए घुमाव का पता लगाने या नियंत्रित करने की क्षमता से अधिक संवेदनशील उपकरण बन सकते हैं जो सूक्ष्म आनुवंशिक परिवर्तनों और बीमारी से जुड़े डीएनए क्षति के शुरुआती संकेतों की पहचान करने में सक्षम हो सकते हैं।
कीसर ने निष्कर्ष निकाला, “नैनोटेक्नोलॉजी के नजरिए से, शोध नैनोपोर्स की शक्ति पर प्रकाश डालता है, न केवल परिष्कृत सेंसर के रूप में बल्कि नए तरीकों से बायोपॉलिमर में हेरफेर करने के उपकरण के रूप में भी।”
