अनुसंधान को गति देना: अनुसंधान को जीवन में लाने में मदद करने के लिए नई तकनीकों का विकास करना

एंजाइम प्रकृति के उत्प्रेरक हैं, वे जीवन को संभव बनाते हैं। उनकी उत्प्रेरक शक्ति ही वर्तमान जैव प्रौद्योगिकी क्रांति का आधार है; फिर भी, एंजाइमों के बारे में हमारी समझ उनकी आंतरिक जटिलता के कारण सीमित है।

मैनचेस्टर विश्वविद्यालय के मैनचेस्टर इंस्टीट्यूट ऑफ बायोटेक्नोलॉजी में मार्किन लैब यह समझने के लिए नई तकनीकों का विकास कर रही है कि ये अद्भुत प्राकृतिक उत्प्रेरक दो तत्काल चुनौतियों का समाधान करने के लिए इस ज्ञान को लागू करने के समग्र लक्ष्य के साथ कैसे काम करते हैं: पहला, एंजाइम कैसे काम करते हैं इसकी बेहतर समझ प्राप्त करना। मानव रोगों में गलतियाँ और उन्हें कैसे ठीक किया जाए, और दूसरा, औद्योगिक उपयोग के लिए नए एंजाइमों को इंजीनियर करने के लिए अधिक पूर्वानुमानित तरीके खोजना।

जीनोमिक्स युग में एंजाइमोलॉजी

जब मानव जीनोम को पहली बार 2003 में अनुक्रमित किया गया था, तो यह उस समय की शुरुआत हुई जिसे अब बोलचाल की भाषा में “जीनोमिक्स युग” के रूप में जाना जाता है। इस महत्वपूर्ण उपलब्धि के बाद से, डीएनए अनुक्रमण की प्रौद्योगिकियों में तेजी से वृद्धि हुई है, जिसकी परिणति तेजी से और सस्ते में डीएनए अनुक्रमण करने की हमारी वर्तमान क्षमता में हुई है। अब हमारे पास रोगी के नमूनों को नियमित रूप से अनुक्रमित करने की क्षमता है, जो “सटीक चिकित्सा” के लिए कई संभावनाएं प्रस्तुत करती है, जहां उपचारों को व्यक्तिगत रोगी स्तर पर एंजाइमों में रोग पैदा करने वाले उत्परिवर्तन को ठीक करने के लिए तैयार किया जा सकता है।

हालाँकि, यह एक चुनौती प्रस्तुत करता है कि डीएनए अनुक्रमों में भिन्नता की एक विस्तृत श्रृंखला है और ये सभी विविधताएँ बीमारी का कारण नहीं बनती हैं; इस प्रकार रोगी अनुक्रमण प्रयास अक्सर सैकड़ों आनुवंशिक विविधताओं (अनिश्चित महत्व के वेरिएंट या वीयूएस) की पहचान करते हैं, लेकिन उनमें से केवल कुछ ही वास्तव में बीमारी का कारण बनते हैं। दूसरी चुनौती यह है कि क्योंकि डीएनए एंजाइम बनाने के निर्देश प्रदान करता है, डीएनए अनुक्रम हमें इस बारे में बहुत कम बताता है कि एक विशेष उत्परिवर्तन एंजाइम के वास्तविक कार्य से कैसे समझौता कर सकता है। इसलिए, महत्वपूर्ण कदम यह निर्धारित करना है कि क्या कोई विशेष वीयूएस एंजाइम के कार्य को बाधित करता है (इस प्रकार बीमारी में योगदान देता है) और उत्परिवर्तित एंजाइम का उत्पादन कर रहा है, और फिर इसके जैव रासायनिक प्रभावों को मापना है: उदाहरण के लिए, एक विशेष उत्परिवर्ती एंजाइम को बहुत धीमा कर सकता है , अन्य संभावित प्रभावों के बीच, इसकी प्रतिक्रिया बदलें, या बस इसे हटाने या इसे गलत जगह पर निर्देशित करने के लिए सेल को संकेत दें।

कार्यात्मक विविधताओं को तेजी से मापने के लिए एक नई तकनीक

मार्किन लैब में हम यही अध्ययन करते हैं; डीएनए अनुक्रमों के एंजाइम-स्तर के प्रभाव। डीएनए अनुक्रमण के विपरीत, जो प्रौद्योगिकियां जैव रसायन और एंजाइमोलॉजी (एंजाइमों का जैव रासायनिक अध्ययन) का आधार बनती हैं, वे थ्रूपुट (यानी, एक निश्चित समय सीमा में किए जा सकने वाले मापों की संख्या), पहुंच और व्यापक रूप से अपनाने के मामले में पिछड़ गई हैं। . एंजाइमों का अभी भी आम तौर पर दशकों से अपरिवर्तित तरीकों का उपयोग करके “एक-एक-बार” अध्ययन किया जाता है और इस तरह पारंपरिक जैव रासायनिक तरीकों का उपयोग करके वीयूएस को तेजी से और सस्ते में जैव रासायनिक रूप से प्रोफाइल करना संभव नहीं है। इसे संबोधित करने के लिए, मार्किन लैब HT-MEK (हाई-थ्रूपुट माइक्रोफ्लुइडिक एंजाइम कैनेटीक्स (HT-MEK)) नामक तकनीक का उपयोग करती है। डॉ. मार्किन ने स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में HT-MEK तकनीकी मंच विकसित किया और तब से मैनचेस्टर में अपने काम के माध्यम से इसे विकसित किया है।

एचटी-एमईके में अंतर्निहित केंद्रीय तकनीकी नवाचार एक माइक्रोफ्लुइडिक चिप है जो लगभग एक डाक टिकट के समान आकार का है जिसमें 1,500 विभिन्न एंजाइम वेरिएंट को एक साथ उत्पादित, शुद्ध किया जा सकता है, और पारंपरिक तरीकों के समान (या इससे भी अधिक) सटीकता के साथ मात्रात्मक रूप से मापा जा सकता है। HT-MEK इस प्रकार हजारों VUS को एक समान समय सीमा (1-2 सप्ताह) में कार्यात्मक रूप से प्रोफाइल करने की अनुमति देता है, और समान लागत (£ 5 प्रति संस्करण) पर, जैसा कि वर्तमान में पारंपरिक तरीकों का उपयोग करके मुट्ठी भर वेरिएंट के लिए आवश्यक है।

एंजाइम 7,000 से अधिक वर्षों की जैव प्रौद्योगिकी के केंद्र में हैं

मानव स्वास्थ्य में एंजाइमों की भूमिका से परे, मानव ने हजारों वर्षों से हमारे जीवन की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए अन्य जीवों के प्राकृतिक एंजाइमों की उत्प्रेरक शक्ति का उपयोग किया है। उदाहरण के लिए, शराब बनाना और पकाना (जो खमीर चयापचय के लिए आवश्यक एंजाइमों पर निर्भर करता है) की उत्पत्ति लगभग 7,000 साल पहले हुई थी – सिक्के और लिखित भाषा जैसी उपलब्धियों से भी पहले।

इन प्रारंभिक जैव प्रौद्योगिकी खोजों के बाद से, एंजाइमों के साथ हमारा संबंध और निर्भरता कई अरब पाउंड के उद्योग में विकसित हो गई है। औद्योगिक क्रांति में, ब्रूइंग और बेकिंग का औद्योगीकरण हो गया, जो आधुनिक जैव प्रौद्योगिकी उद्योग की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। आधुनिक दुनिया में, हम अब दैनिक जीवन में अक्सर एंजाइमों का सामना करते हैं, अक्सर इसका एहसास किए बिना। अनुप्रयोग सांसारिक से लेकर होते हैं – उदाहरण के लिए, एंजाइमों का उपयोग डिटर्जेंट एडिटिव्स, दाग हटाने वाले और सिंक डी-क्लॉगर्स के रूप में किया जाता है – चिकित्सीय और बढ़िया कमोडिटी रसायनों के अत्यधिक विशिष्ट उत्पादन तक। हाल ही में, एंजाइमों ने नई कार्बन कैप्चर प्रौद्योगिकियों के साथ-साथ बायोरेमेडिएशन में अपनी उत्प्रेरक शक्ति का उपयोग करने की क्षमता के कारण विशेष रुचि प्राप्त की है – प्लास्टिक कचरे का क्षरण एक लोकप्रिय उदाहरण है।

इस ग्रह पर जीवन की व्यापक विविधता के साथ मिलकर लाखों वर्षों के प्राकृतिक विकास ने विभिन्न एंजाइम उत्प्रेरकों का खजाना प्रदान किया है, जिनमें से कई हजारों को डीएनए स्तर पर अनुक्रमित किया गया है। ये एंजाइम लगभग निश्चित रूप से नवीन प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं और अगली पीढ़ी के जैव प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों को बढ़ावा देने में मदद कर सकते हैं; हालाँकि, ऊपर वर्णित वीयूएस वेरिएंट की तरह, वर्तमान चुनौती यह है कि उनके वास्तविक कार्य (यानी वे कौन से अणु बनाते हैं और कितनी तेजी से वे उन्हें बना सकते हैं) की भविष्यवाणी करना मुश्किल है, और विशाल बहुमत को अभी तक चित्रित नहीं किया गया है। मैनचेस्टर इंस्टीट्यूट ऑफ बायोटेक्नोलॉजी में विशेषज्ञ अनुसंधान समूहों के सहयोग से मार्किन लैब ने अब एक साथ सैकड़ों से हजारों एंजाइमों के कार्य को मापने के लिए HT-MEK का विस्तार करना शुरू कर दिया है। इस तरह, हम विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए अधिक तेजी से (और अधिक सस्ते में) नए आशाजनक उत्प्रेरक की पहचान कर सकते हैं।

“एंजाइम युग” को बढ़ावा देने के लिए खुली और सुलभ प्रौद्योगिकियाँ

डीएनए अनुक्रमण प्रौद्योगिकियों के विकास और अपनाने की तुलना करते हुए, इस दृष्टिकोण की अंतिम सफलता (और संभावित प्रभाव) व्यापक जैव रसायन और एंजाइमोलॉजी समुदाय को अपनी प्रयोगशालाओं में समान उच्च-थ्रूपुट प्रयोगों को करने की क्षमता प्रदान करने पर निर्भर करती है। इस प्रयोजन के लिए, मार्किन लैब मूल लागत के एक अंश पर HT-MEK माइक्रोफ्लुइडिक चिप्स बनाने और चलाने के लिए नए ओपन-सोर्स हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर भी विकसित कर रही है, साथ ही व्यापक रूप से उच्च-थ्रूपुट दृष्टिकोण लागू करने के लिए नए माप तौर-तरीके विकसित कर रही है। एंजाइमों का क्रॉस-सेक्शन। अंतिम दृष्टिकोण मात्रात्मक जैव रसायन के एक नए युग की शुरुआत करना है जहां ये प्रौद्योगिकियां सभी अनुसंधान समूहों के लिए सुलभ और उपलब्ध हैं, और जहां हजारों एंजाइमों का मात्रात्मक अध्ययन उतना ही नियमित है जितना कि वर्तमान में एकल एंजाइमों का अध्ययन है।

शब्द और चित्र – डॉ. क्रेग मार्किन

जैव प्रौद्योगिकी मैनचेस्टर विश्वविद्यालय के अनुसंधान बीकन में से एक है – अंतःविषय सहयोग और क्रॉस-सेक्टर साझेदारी के उदाहरण जो अग्रणी खोजों को जन्म देते हैं और दुनिया भर के लोगों के जीवन में सुधार करते हैं। अधिक जानकारी के लिए, मैनचेस्टर विश्वविद्यालय के जैव प्रौद्योगिकी पृष्ठ पर जाएँ।