समझाया: चीनी कोटिंग जीवन | एमआईटी समाचार

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एक संकीर्ण अर्थ में, ग्लाइकोबायोलॉजी प्रत्येक जीवित जीव में पाए जाने वाले ग्लाइकेन, कार्बोहाइड्रेट और चीनी-लेपित अणुओं की संरचना, जीव विज्ञान और विकास का अध्ययन है। जैसा कि एमआईटी में एक हालिया संगोष्ठी ने स्पष्ट कर दिया है, यह क्षेत्र पुनर्जागरण के दौर में है जो जीवन के निर्माण खंडों के बारे में वैज्ञानिकों की समझ को नया आकार दे सकता है।

मूल रूप से 1980 के दशक में कार्बोहाइड्रेट रसायन विज्ञान और जैव रसायन विज्ञान में पारंपरिक अनुसंधान के विलय का वर्णन करने के लिए गढ़ा गया, ग्लाइकोबायोलॉजी विचारों के एक बहुत व्यापक और बहु-विषयक सेट को शामिल करने के लिए आया है। “ग्लाइकोसाइंस” वास्तव में तेजी से बढ़ते क्षेत्र के लिए एक अधिक उपयुक्त नाम हो सकता है, जो न केवल जीव विज्ञान और रसायन विज्ञान, बल्कि बायोइंजीनियरिंग, चिकित्सा, सामग्री विज्ञान और भी बहुत कुछ के लिए इसके व्यापक अनुप्रयोग को दर्शाता है।

नोवार्टिस में रसायन विज्ञान की प्रोफेसर लौरा किस्लिंग कहती हैं, “यह स्पष्ट होता जा रहा है कि ये ग्लाइकेन स्वास्थ्य और बीमारी में बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।” “यह पहली बार में कठिन लग सकता है, लेकिन नए उपकरण डिजाइन करने और नए प्रकार के इंटरैक्शन की पहचान करने के लिए बिल्कुल उसी तरह की रचनात्मक समस्या-समाधान कौशल की आवश्यकता होती है जो एमआईटी के लोगों के पास है।”

शरीर पर चीनी का लेप लगाएं

ग्लाइकेन में रैखिक और शाखित संरचनाओं वाले अणुओं का एक विविध समूह शामिल होता है जो मौलिक जैविक कार्यों के लिए महत्वपूर्ण हैं। बिना किसी ज्ञात अपवाद के, प्रकृति में सभी कोशिकाएँ इन चीनी अणुओं से लेपित होती हैं – अधिकांश सेलुलर सतहों के आसपास शर्करा की जटिल श्रृंखलाओं से लेकर संयुग्मित अणुओं तक, जब शर्करा लिपिड और मचान जैसे प्रोटीन से जुड़ती है। वे जीवन के लिए बिल्कुल मौलिक हैं। उदाहरण के लिए, किसलिंग बताते हैं कि ग्रह पर सबसे प्रचुर मात्रा में कार्बनिक अणु कार्बोहाइड्रेट सेलूलोज़ है।

वह कहती हैं, “शुक्राणु-अंडे का बंधन प्रोटीन और कार्बोहाइड्रेट के बीच परस्पर क्रिया द्वारा मध्यस्थ होता है।” “हममें से कोई भी इन अंतःक्रियाओं के बिना अस्तित्व में नहीं होगा।”

हालाँकि कार्बोहाइड्रेट और शर्करा के बारे में बात करने से कुछ लोगों का ध्यान अपने आहार पर केंद्रित हो सकता है, ग्लाइकेन वास्तव में सबसे महत्वपूर्ण जैव अणुओं में से एक है। वे ऊर्जा का भंडारण करते हैं और कुछ मामलों में सेलूलोज़ जैसे बहुकोशिकीय जीवों के लिए संरचनात्मक ढांचा प्रदान करते हैं। वे कोशिकाओं के बीच संचार में मध्यस्थता करते हैं; मेजबान और परजीवी के बीच बातचीत को प्रभावित करता है; और प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाओं, रोग की प्रगति, विकास और शरीर क्रिया विज्ञान को आकार देते हैं।

“यह पता चला है कि इनमें से कुछ संरचनाएं, जिनके बारे में हमें पता भी नहीं था कि शरीर में इतनी प्रचुर मात्रा में मौजूद हैं, के कई अलग-अलग जैविक कार्य हैं,” बायोलॉजिकल इंजीनियरिंग के एंड्रयू और एर्ना विटर्बी प्रोफेसर कैटरीना रीबेक कहते हैं। “ज्ञान के इस तीव्र विस्तार के साथ, ऐसा लगता है कि हम यह समझने लगे हैं कि ये कार्य जीव विज्ञान के लिए कितने विविध और महत्वपूर्ण हैं।”

ये अणु कितने सर्वव्यापी और महत्वपूर्ण हैं, इसकी बेहतर समझ के साथ, जैव प्रौद्योगिकी और चिकित्सा जैसे व्यावहारिक क्षेत्रों के शोधकर्ताओं ने रोग चालकों को निर्धारित करने के लिए एक उपकरण के रूप में ग्लाइकोसाइंस पर अपना ध्यान केंद्रित किया है।

कई स्थितियाँ शरीर में ग्लाइकेन का उत्पादन कैसे होता है या ग्लाइकोसिलेशन के साथ समस्याओं से जुड़ी होती हैं, वह प्रक्रिया जिसके द्वारा कार्बोहाइड्रेट प्रोटीन और अन्य अणुओं से जुड़े होते हैं। इसमें कुछ प्रकार के कैंसर भी शामिल हैं। यह भी देखा गया है कि कैंसर कोशिकाएं प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया से बचने के लिए खुद को कुछ ग्लाइकोप्रोटीन से ढक लेती हैं।

दूसरी ओर, ग्लाइकान एक संभावित चिकित्सीय भंडार हो सकता है। उदाहरण के लिए, रक्त को पतला करने वाली हेपरिन, दुनिया की सबसे अधिक बिकने वाली प्रिस्क्रिप्शन दवाओं में से एक, एक कार्बोहाइड्रेट-आधारित दवा है।

ग्लाइकान और लेक्टिन जैसे शर्करा-बाध्यकारी प्रोटीन मस्तिष्क से आंत तक मानव शरीर की लार परतों में रोगाणुओं के आदान-प्रदान को प्रभावित करने में भी मदद करते हैं। ग्लाइकेन बलगम से घिरे रोगाणुओं के साथ बातचीत करते हैं, अच्छे रोगाणुओं को अंदर आने देते हैं और सेल सिग्नलिंग को बाधित करके या रोगज़नक़ों को विषाक्त पदार्थों को छोड़ने से रोककर समस्याग्रस्त व्यक्तियों की विषाक्तता को कम करते हैं।

पुराने विज्ञान को आगे बढ़ाने के लिए नए उपकरण

यह “चीनी कोट” कितना महत्वपूर्ण है, इसके बावजूद, लंबे समय तक, आणविक जीवविज्ञानी न्यूक्लिक एसिड और प्रोटीन पर ध्यान केंद्रित करते थे, और उन्हें कवर करने वाले शर्करा पर अपेक्षाकृत कम ध्यान देते थे।

किस्लिंग कहते हैं, “अन्य अणुओं के कार्यों की जांच करने के उपकरण ग्लाइकेन के लिए काफी हद तक अनुपस्थित हैं।”

उदाहरण के लिए, एक कोशिका के डीएनए और आरएनए अनुक्रम भविष्यवाणी करते हैं कि कोशिका कौन सा प्रोटीन बनाती है, इसलिए वैज्ञानिक आनुवंशिक रूप से एन्कोडेड टैग का उपयोग यह ट्रैक करने के लिए कर सकते हैं कि प्रोटीन कहां है और यह क्या कर रहा है। लेकिन ग्लाइकेन संरचना कोशिका के डीएनए में इतनी स्पष्ट रूप से एन्कोडेड नहीं है, और एक ही प्रोटीन को कार्बोहाइड्रेट की विभिन्न श्रृंखलाओं से सजाया जा सकता है।

इसके अलावा, कार्बोहाइड्रेट कई प्रकार के रूप ले सकते हैं, और तथ्य यह है कि वे रक्तप्रवाह में जल्दी से टूट जाते हैं, जिससे ग्लाइकन्स को संश्लेषित करना या दवा के विकास के लिए उन्हें लक्षित करना मुश्किल हो जाता है। इसलिए, उन्हें ट्रैक करने के लिए रचनात्मक नए तरीकों की आवश्यकता है।

यह एक क्लासिक चिकन और अंडे वाली स्थिति है। चूँकि वैज्ञानिक कई जैविक प्रक्रियाओं में ग्लाइकन्स के महत्व को बेहतर ढंग से समझते हैं, इसने उन्हें ग्लाइकन्स का अध्ययन करने के लिए बेहतर उपकरण विकसित करने के लिए प्रेरित किया है, जिससे ये अणु क्या कर सकते हैं, इस पर अधिक डेटा उत्पन्न हो सके। वास्तव में, 2022 में, नोबेल पुरस्कार स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में ग्लाइकोबायोलॉजी में अग्रणी कैरोलिन बर्टोज़ज़ी को कोशिकाओं में अणुओं पर नज़र रखने के उनके काम के लिए प्रदान किया गया था, जिसे उन्होंने और अन्य लोगों ने ग्लाइकेन पर लागू किया है।

लेकिन कृत्रिम बुद्धिमत्ता इस क्षेत्र में विकासवादी छलांग लगा सकती है।

“मुझे लगता है कि ग्लाइकोबायोलॉजी, लगभग किसी भी अन्य क्षेत्र से अधिक, परिपक्व है और एआई व्याख्या के लिए तैयार है,” रिबैक कहते हैं, यह बताते हुए कि एआई वैज्ञानिकों को मानव जीनोम की तरह ही “ग्लाइकेन कोड” को पढ़ने में कैसे सक्षम कर सकता है। यह शोधकर्ताओं को इसकी संरचना के बारे में डेटा के आधार पर ग्लाइकेन के वास्तविक कार्य की भविष्यवाणी करने की अनुमति देगा। वहां से, वे पहचान सकते हैं कि कौन से परिवर्तन बीमारी का कारण बनते हैं या रोग की संवेदनशीलता को बढ़ाते हैं – और, सबसे महत्वपूर्ण बात, उन दोषों को ठीक करने के तरीकों के साथ आते हैं।

एक अंतर- और अंतर-विषयक प्रयास

गणना में बढ़ती रुचि अंतर्निहित अंतःविषयता को दर्शाती है जिसने ग्लाइकोसाइंस को उसकी स्थापना के बाद से परिभाषित किया है।

उदाहरण के लिए, सिर्फ एमआईटी में, पूरे संस्थान में प्रासंगिक शोध हो रहा है। किसलिंग ने एमआईटी को “अंतःविषय अनुसंधान के लिए खेल का मैदान” के रूप में वर्णित किया है, जिसने जैव प्रौद्योगिकी, कैंसर अनुसंधान, मस्तिष्क विज्ञान, प्रतिरक्षा विज्ञान और अन्य क्षेत्रों में अनुप्रयोगों के साथ महत्वपूर्ण प्रगति को सक्षम किया है।

रसायन विज्ञान विभाग में, किसलिंग कार्बोहाइड्रेट-बाइंडिंग प्रोटीन का अध्ययन करते हैं और ग्लाइकन्स के साथ उनकी बातचीत प्रतिरक्षा प्रणाली को कैसे प्रभावित करती है। वह जैविक इंजीनियरिंग विभाग में एसोसिएट प्रोफेसर ब्रायन ब्रायसन और एमआईटी और हार्वर्ड के ब्रॉड इंस्टीट्यूट के प्रमुख संकाय सदस्य डेबोरा हंग के साथ भी काम कर रही हैं, जो दक्षिण अफ्रीका में तपेदिक उपभेदों में अंतर के परीक्षण के लिए कार्बोहाइड्रेट एनालॉग्स का उपयोग कर रहे हैं। इस बीच, जैविक इंजीनियरिंग की सहायक प्रोफेसर जेसिका स्टार्क प्रतिरक्षा प्रणाली में ग्लाइकन्स की भूमिका को बेहतर ढंग से समझने के लिए अग्रणी दृष्टिकोण अपना रही हैं। व्हाइटहेड इंस्टीट्यूट फॉर बायोमेडिकल रिसर्च के एक फेलो टोबी ओनी, अग्नाशय के कैंसर में ट्यूमर का पता लगाने और उसे लक्षित करने में मदद करने के लिए ग्लाइकेन की तलाश कर रहे हैं। बारबरा इंपीरियली, 1922 में जीव विज्ञान और रसायन विज्ञान के प्रोफेसर, कार्बोहाइड्रेट का अध्ययन कर रहे हैं जो बैक्टीरिया जैसे सूक्ष्मजीवों की कोशिकाओं को कवर करते हैं, और रसायन विज्ञान के प्रोफेसर मैथ्यू शोल्डर, प्रोटीन संश्लेषण और तह में ग्लाइकान की भूमिका का अध्ययन कर रहे हैं।

रिबेक कहते हैं, “हम बीमारी और स्वास्थ्य के लिए पूरी तरह से नए सवालों के समाधान और जवाब देने के लिए विषयों के संयोजन से एक बहुत ही रोमांचक और अनोखी स्थिति में हैं।” विशेष रूप से, विज्ञान, इंजीनियरिंग और संगणना के रचनात्मक संयोजन से निर्माण किया जा सकता है।”

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