विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय के बायोकेमिस्ट्स ने एक नई, कुशल विधि विकसित की है जो पहले उत्तरदाताओं, पर्यावरण निगरानी समूहों या यहां तक कि आपको हमारे शरीर और वातावरण में हानिकारक और स्वास्थ्य-प्रासंगिक पदार्थों का तुरंत पता लगाने की क्षमता दे सकती है।
छोटे अणु जो प्रोटीन के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, महत्वपूर्ण जैविक प्रक्रियाओं को आरंभ, बढ़ा और बाधित कर सकते हैं। कुछ छोटे अणु, जैसे विटामिन या हार्मोन, हमारे स्वास्थ्य से जुड़े होते हैं। अन्य, जैसे ओपिओइड, जहरीले होते हैं, और यह जानना कि क्या वे रोगी के सिस्टम में हैं, आपातकालीन चिकित्सा उपचार के लिए आवश्यक हो सकता है। कुछ छोटे अणुओं की उपस्थिति हमारे पीने के पानी में धातुओं जैसे प्रदूषकों और पर्यावरणीय विषाक्त पदार्थों की उपस्थिति का संकेत भी दे सकती है।
किसी नमूने में छोटे अणुओं का पता लगाने में अक्सर महंगे और समय लेने वाले प्रयोगशाला परीक्षण शामिल होते हैं। दवा की अधिक मात्रा लेने जैसी आपात स्थिति में, कोई भी देरी जीवन-रक्षक उपचार को विलंबित कर सकती है। एक ऑन-साइट परीक्षण किट जो त्वरित और सस्ते में विशिष्ट छोटे अणुओं की उपस्थिति की पहचान करती है, प्रथम-प्रतिक्रिया और आपातकालीन चिकित्सा, घरेलू स्वास्थ्य निगरानी और पर्यावरणीय विषाक्त पदार्थों का पता लगाने में सुधार कर सकती है।
यूडब्ल्यू-मैडिसन जैव रसायन प्रोफेसर वत्सन रमन कहते हैं, “छोटे अणु पूरे जीव विज्ञान में व्यापक हैं।” “प्रकृति वास्तव में ऐसे प्रोटीन बनाने में अच्छी है जो उत्तम विशिष्टता के साथ छोटे अणुओं से जुड़ते हैं। हमारे लिए सवाल यह था कि क्या हम प्रकृति के प्रोटीन को उन छोटे अणुओं से बांधने के लिए फिर से डिज़ाइन कर सकते हैं जिन्हें हम पहचानने में रुचि रखते हैं।”
चूँकि छोटे अणु कुछ प्रोटीनों के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं, एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किया गया प्रोटीन एक विशिष्ट अणु की उपस्थिति में एक जैव रासायनिक चेतावनी प्रणाली शुरू कर सकता है, जैसे कि एक मादक या मेटाबोलाइट (जब हमारे शरीर भोजन जैसे बड़े पदार्थों को तोड़ते हैं तो छोटे अणु उत्पन्न होते हैं)।
रमन की रुचि ऐसी प्रणाली को डिजाइन करने में थी। लेकिन, जबकि कुछ प्रोटीन स्वाभाविक रूप से एक या अधिक छोटे अणुओं के साथ बातचीत करने के लिए विकसित हुए हैं, एक विशिष्ट छोटे अणु के साथ बातचीत करने के लिए प्रोटीन की इंजीनियरिंग में सर्वोत्तम फिट खोजने के लिए हजारों संभावनाओं का परीक्षण करना शामिल है। यह प्रक्रिया लागत और समय-निषेधात्मक हो सकती है।
इस प्रक्रिया को तेज करने के लिए, रमन की प्रयोगशाला में शोधकर्ताओं ने सेंसर-सीक विकसित किया, एक विधि (परख के रूप में जाना जाता है) जो एक साथ हजारों प्रोटीन उत्परिवर्तन की जांच करती है ताकि यह पता लगाया जा सके कि कौन सा उत्परिवर्तन रुचि के अणु से बंधता है। प्रोटीन को एक स्विच के रूप में कार्य करने के लिए और संशोधित किया जा सकता है, जो एक दृश्य संकेत (उदाहरण के लिए, एक हरे रंग की चमक) पर फ़्लिप करता है कि एक छोटा अणु एक नमूने में मौजूद है और एक प्रकार की जैव रासायनिक चेतावनी प्रणाली को सक्रिय करता है।
शोधकर्ताओं ने सेंसर-सीक का परीक्षण रुचि के कई छोटे अणुओं के साथ किया, जिसमें नाल्ट्रेक्सोन भी शामिल है, एक दवा जो ओपिओइड की नकल करती है। उनके द्वारा डिज़ाइन किए गए हजारों संभावित प्रोटीन उत्परिवर्तनों में से, उन्होंने पहचान की कि कौन सा उत्परिवर्तन नाल्ट्रेक्सोन को महसूस करता है। फिर, उन्होंने एक बायोसेंसर बनाया जो नाल्ट्रेक्सोन के साथ संपर्क करने पर प्रोटीन को हरा चमक देता है।
उनकी विधि काम कर गई: नाल्ट्रेक्सोन ने नग्न आंखों को दिखाई देने वाली हरी चमक पैदा की। शोधकर्ताओं के निष्कर्ष नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित हुए थे।
अब, शोधकर्ता ऐसे कंप्यूटर मॉडल बना रहे हैं जो मानव और पर्यावरणीय स्वास्थ्य से संबंधित अन्य छोटे अणुओं के लिए संभावित प्रोटीन मिलान को कम कर देंगे।
“हम इन बड़े डेटासेट से जो सीखते हैं वह हमारी प्रक्रिया को और अधिक प्रभावी और कुशल बना देगा। जैसे-जैसे हम अधिक डेटा इकट्ठा करते हैं, और मॉडल को परिष्कृत करते हैं, हम बायोसेंसर बनाने में बेहतर और बेहतर होते जाएंगे।” रमन कहते हैं. “मेरा लक्ष्य यह है कि यदि आप मुझे बताएं कि आप किस अणु को समझना चाहते हैं, तो हम आपको कुछ ही हफ्तों में उस अणु के लिए एक प्रोटीन बायोसेंसर देने में सक्षम हो जाएंगे।”
अनुसंधान की क्षमता में सेना के लिए अनुप्रयोग शामिल हैं। रमन लैब का काम अमेरिकी सेना के सहयोग से वायु सेना अनुसंधान प्रयोगशाला के सहयोग से किया गया था।
“हम प्रोफेसर रमन और उनकी अनुसंधान टीम के इन परिणामों के बारे में उत्साहित हैं, जो यूएस आर्मी कॉम्बैट कैपेबिलिटीज डेवलपमेंट कमांड आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी के प्रारंभिक बुनियादी शोध अनुदान और एक वाणिज्यिक के विकास पर केंद्रित सेना लघु व्यवसाय प्रौद्योगिकी हस्तांतरण कार्यक्रम अनुबंध के तहत समर्थित हैं। रैपिड बायोसेंसर खोज के लिए मंच, “डेवकॉम एआरएल के आर्मी रिसर्च ऑफिस में प्रोग्राम मैनेजर स्टेफनी मैकएलहिनी ने कहा। “DEVCOM केमिकल बायोलॉजिकल सेंटर युद्ध सेनानियों को रासायनिक और जैविक खतरों, पीने के पानी के दूषित पदार्थों और उभरते विषाक्त पदार्थों से बचाने के लिए तेजी से बायोसेंसर विकसित करने के लिए सेंसर-सेक बायोसेंसर खोज दृष्टिकोण की क्षमता की खोज कर रहा है।”
रमन, जिन्हें इस काम के लिए एक अनंतिम पेटेंट प्राप्त हुआ है, उनकी प्रयोगशाला द्वारा विकसित प्रौद्योगिकी के लिए व्यापक अनुप्रयोग देखते हैं, जिसमें फ़ील्ड परीक्षण शामिल हैं जो मिनटों में स्थानीय जल स्रोतों में प्रदूषकों की पहचान करते हैं और घरेलू परीक्षण जो स्वास्थ्य संकेतकों को ट्रैक करते हैं।
रमन बताते हैं, “हमने नाल्ट्रेक्सोन से शुरुआत की क्योंकि स्वास्थ्य देखभाल तक सीमित पहुंच वाले ग्रामीण समुदायों में ओपिओइड के उपयोग का पता लगाने के लिए कम लागत वाले तरीकों की सख्त जरूरत है।” “लेकिन, सिद्धांत रूप में, हम किसी भी छोटे अणु के लिए बायोसेंसर बना सकते हैं। यह रोमांचक है क्योंकि इसके लिए बहुत सारे व्यावसायिक अनुप्रयोग हैं जो घर और क्षेत्र-आधारित स्वास्थ्य देखभाल और पर्यावरणीय स्वास्थ्य को बदलने की क्षमता रखते हैं।”
इस शोध को यूनाइटेड स्टेट्स आर्मी रिसर्च ऑफिस ग्रांट्स W911NF20C0005 और W911NF1710043 द्वारा समर्थित किया गया था।
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