दशकों तक, फ्लोरोसेंट प्रोटीन जीव विज्ञान में सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक रहा है। रोशनी पड़ने पर वे चमकते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को यह देखने में मदद मिलती है कि अणु कोशिकाओं के अंदर कहाँ हैं और वे कैसे चलते हैं। कैंसर कोशिकाओं पर नज़र रखने से लेकर तंत्रिका सर्किटों की मैपिंग तक, इन चमकदार मार्करों ने जीवन विज्ञान को बदल दिया, इस काम को 2008 में नोबेल पुरस्कार से मान्यता मिली।
अब, दो प्रमुख अध्ययन प्रकाशित हुए प्रकृति सुझाव है कि फ्लोरोसेंट प्रोटीन चमक से कहीं अधिक काम कर सकते हैं। जीवित कोशिकाओं के अंदर से चुंबकीय क्षेत्र और रेडियो तरंगों का पता लगाने के लिए कुछ फ्लोरोसेंट प्रोटीन को संशोधित किया जा सकता है। वास्तव में वे क्वांटम सेंसर के रूप में व्यवहार करते हैं, ऐसे उपकरण जिनका संचालन सबसे छोटे पैमाने पर इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार पर निर्भर करता है।
हाल तक, क्वांटम प्रौद्योगिकियाँ विशेष उपकरणों से भरी अति-ठंडी प्रयोगशालाओं तक ही सीमित थीं। इसके विपरीत जीव विज्ञान को क्वांटम प्रभावों के लिए एक असंभावित घर के रूप में देखा गया है। जीवित कोशिकाएँ गर्म, भीड़भाड़ वाली और लगातार गति में रहती हैं – ऐसी स्थितियाँ नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को नष्ट करने वाली होती हैं।
नए परिणाम उस धारणा को चुनौती देते हैं, जो आनुवंशिक रूप से एन्कोडेड क्वांटम सेंसर और हाइब्रिड क्वांटम-जैविक प्रौद्योगिकियों के एक नए वर्ग की ओर रास्ता खोलते हैं।
छुपी हुई संवेदनशीलता
जब एक फ्लोरोसेंट प्रोटीन प्रकाश को अवशोषित करता है, तो उसका एक इलेक्ट्रॉन उच्च-ऊर्जा अवस्था में चला जाता है। आमतौर पर, इलेक्ट्रॉन तुरंत अपनी मूल स्थिति में लौट आता है और प्रकाश के रूप में ऊर्जा छोड़ता है। वह सरल प्रक्रिया ही प्रोटीन को चमकाती है।
हालाँकि, कुछ प्रोटीनों में, यह यात्रा अधिक जटिल है। उत्तेजित इलेक्ट्रॉन प्रोटीन के अंदर पास के अणु के साथ संक्षेप में बातचीत कर सकता है, जिससे वैज्ञानिक रेडिकल जोड़ी कहते हैं, दो अणु जिनमें से प्रत्येक में एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होता है।
थोड़े समय के लिए, इन इलेक्ट्रॉनों के स्पिन जुड़े हुए हैं। उनकी परस्पर क्रिया का परिणाम उनके आसपास के कमजोर चुंबकीय प्रभावों पर निर्भर करता है। यहां तक कि कमजोर चुंबकीय क्षेत्र भी जोड़ी के व्यवहार को बदल सकते हैं, जो बदले में प्रोटीन कितना प्रकाश उत्सर्जित करता है उसे बदल देता है।
रसायनशास्त्री इस प्रभाव के बारे में दशकों से जानते हैं, और इसे एक संभावित स्पष्टीकरण के रूप में प्रस्तावित किया गया है कि कुछ जानवर पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र को कैसे समझते हैं। जो चीज़ गायब थी वह जीवित कोशिकाओं के अंदर इस घटना का विश्वसनीय रूप से दोहन करने का एक तरीका था।
प्रोटीन सेंसर
शिकागो विश्वविद्यालय के प्रिट्जकर स्कूल ऑफ मॉलिक्यूलर इंजीनियरिंग के शोधकर्ता केंद्रित उन्नत पीले फ्लोरोसेंट प्रोटीन (ईवाईएफपी) के एक प्रकार पर, जो हरे फ्लोरोसेंट प्रोटीन का करीबी रिश्तेदार है। उन्होंने पता लगाया कि ईवाईएफपी में एक मेटास्टेबल ट्रिपलेट अवस्था होती है – एक अस्थायी इलेक्ट्रॉनिक कॉन्फ़िगरेशन जिसमें एक इलेक्ट्रॉन के चुंबकीय स्पिन को अलग और नियंत्रित किया जा सकता है।
सावधानीपूर्वक समयबद्ध लेजर पल्स का उपयोग करते हुए, टीम ने ईवाईएफपी की स्पिन स्थिति को आरंभ किया, इसे माइक्रोवेव फ़ील्ड के साथ हेरफेर किया, और इसे वैकल्पिक रूप से पढ़ा, एक क्वैबिट के लिए आवश्यक पूर्ण अनुक्रम को पूरा किया।
उन्होंने जीवित कोशिकाओं के अंदर ईवाईएफपी से ऑप्टिकली संचालित चुंबकीय अनुनाद संकेतों का भी पता लगाया। ये प्रभाव मानव गुर्दे की कोशिकाओं में कम तापमान पर और अंदर दिखाई दिए इशरीकिया कोली कमरे के तापमान पर भी बैक्टीरिया, यह दर्शाता है कि प्रोटीन का क्वांटम व्यवहार जीव विज्ञान के शोर वाले वातावरण में भी जीवित रहता है।
ऑक्सफ़ोर्ड विश्वविद्यालय के एक दूसरे शोध समूह ने एक अलग दृष्टिकोण अपनाया। पौधे के प्रकाश-संवेदन प्रोटीन के साथ काम करते हुए, उन्होंने मैगलोव नामक मैग्नेटो-संवेदनशील फ्लोरोसेंट प्रोटीन का एक परिवार बनाने के लिए जेनेटिक इंजीनियरिंग का उपयोग किया। उत्परिवर्तन और चयन के बार-बार दौर के माध्यम से, वे उत्पादन मजबूत और अधिक स्थिर चुंबकीय प्रतिक्रियाओं वाले संस्करण।
शोधकर्ताओं ने दिखाया कि मैग्एलओवी प्रोटीन कमरे के तापमान पर जीवित जीवाणु कोशिकाओं में ऑप्टिकल रूप से पता लगाए गए चुंबकीय अनुनाद प्रदर्शित करते हैं। दूसरे शब्दों में, विशिष्ट आवृत्तियों पर रेडियो तरंगें प्रतिदीप्ति को अनुमानित रूप से बदल सकती हैं, जिससे सीधे इलेक्ट्रॉन-स्पिन व्यवहार का पता चलता है।
ऐतिहासिक रूप से, क्वांटम सेंसर के लिए जैविक उम्मीदवार शुद्ध, इन-विट्रो सिस्टम तक ही सीमित थे, कमजोर प्रतिक्रिया दिखाते थे, या प्रकाश के संपर्क में आने पर जल्दी से नष्ट हो जाते थे। इंजीनियर्ड मैगलोव प्रोटीन स्थिरता, संवेदनशीलता और आनुवंशिक अनुकूलता के संयोजन से इनमें से कई बाधाओं को दूर करते हैं।
साथ में, अध्ययन से पता चलता है कि क्वांटम सेंसर के रूप में कार्य करने के लिए प्रोटीन को डीएनए के माध्यम से प्रोग्राम किया जा सकता है।
कोशिकाओं के अंदर का महत्व क्यों है?
अधिकांश मौजूदा क्वांटम सेंसर हीरे जैसी ठोस सामग्री से बने होते हैं। ये उपकरण असाधारण रूप से संवेदनशील हो सकते हैं, लेकिन इन्हें कोशिकाओं के अंदर रखना या विशिष्ट जैविक लक्ष्यों से जोड़ना मुश्किल होता है।
प्रोटीन सेंसर मौलिक रूप से भिन्न होते हैं। सही आनुवंशिक निर्देश दिए जाने पर कोशिकाएं स्वाभाविक रूप से इनका उत्पादन कर सकती हैं। सेंसर को अन्य प्रोटीनों से भी जोड़ा जा सकता है, जिससे शोधकर्ता उन्हें कोशिका के अंदर सटीक स्थानों पर रख सकते हैं।
यह मायने रखता है क्योंकि कई महत्वपूर्ण जैविक प्रक्रियाओं में सूक्ष्म चुंबकीय या इलेक्ट्रॉनिक प्रभाव शामिल होते हैं, जिनमें धातु परमाणुओं के साथ एंजाइम प्रतिक्रियाएं, अल्पकालिक मुक्त कणों का निर्माण और श्वसन और प्रकाश संश्लेषण के दौरान इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण शामिल हैं।
अब तक, जीवित कोशिकाओं के अंदर इन घटनाओं का अध्ययन करना लगभग असंभव रहा है। प्रोटीन-आधारित क्वांटम सेंसर एक संभावित समाधान प्रदान करते हैं।
पता लगाने से भी अधिक
MagLOV शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि चुंबकीय मॉड्यूलेशन पारंपरिक प्रतिदीप्ति इमेजिंग में सुधार कर सकता है। चुंबकीय क्षेत्र को चालू और बंद करके, उन्होंने मैग्लोव सिग्नल को पृष्ठभूमि प्रतिदीप्ति और सेलुलर ऑटोफ्लोरेसेंस से अलग कर दिया। लॉक-इन डिटेक्शन के रूप में जानी जाने वाली यह तकनीक शोर वाले वातावरण में कमजोर संकेतों को बढ़ाती है।
उन्होंने आगे चुंबकीय अनुनाद पर आधारित स्थानिक स्थानीयकरण का एक रूप प्रदर्शित किया। चुंबकीय-क्षेत्र ग्रेडिएंट्स का उपयोग करके, वे त्रि-आयामी नमूने के भीतर मैगलोव-व्यक्त करने वाली कोशिकाओं की स्थिति निर्धारित कर सकते हैं, तब भी जब प्रकाश बिखरने से छवि सामान्य रूप से धुंधली हो जाएगी।
यह दृष्टिकोण चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) के कुछ सिद्धांतों जैसा दिखता है, लेकिन सिग्नल स्रोत के रूप में आनुवंशिक रूप से एन्कोडेड फ्लोरोसेंट प्रोटीन का उपयोग करता है।
देखने के नए तरीके
ये अध्ययन एक ऐसे भविष्य की ओर इशारा करते हैं जिसमें आनुवंशिक रूप से एन्कोडेबल क्वांटम सेंसर वैज्ञानिकों द्वारा जीवित प्रणालियों की जांच करने के तरीके को नया आकार देंगे। जैसे-जैसे संवेदनशीलता में सुधार होता है, प्रोटीन-आधारित क्वैबिट और चुंबकीय-अनुनाद जांच सीधे कोशिकाओं के अंदर चुंबकीय क्षेत्र, विद्युत क्षेत्र, तापमान और रासायनिक वातावरण के नैनोस्केल माप को सक्षम कर सकते हैं।
ऐसे सेंसर प्रोटीन के आकार में बदलाव को ट्रैक कर सकते हैं, वास्तविक समय में जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं की निगरानी कर सकते हैं, या यह बता सकते हैं कि दवाएं अभूतपूर्व सटीकता के साथ अपने लक्ष्य से कैसे जुड़ती हैं।
हालाँकि, महत्वपूर्ण चुनौतियाँ बनी हुई हैं। प्रोटीन-आधारित क्वांटम सेंसर वर्तमान में ठोस-अवस्था वाले उपकरणों की तुलना में कम संवेदनशील हैं, सुसंगतता का समय कम है, और फोटोब्लीचिंग एक चिंता का विषय बना हुआ है। फिर भी फ्लोरोसेंट प्रोटीन को नियमित उपकरण बनने में दशकों लग गए, और इसी तरह का सुधार इस अंतर को लगातार कम कर सकता है।
मंजीरा गौरवरम ने आरएनए जैव रसायन में पीएचडी की है और एक स्वतंत्र विज्ञान लेखक के रूप में काम करती हैं।
