Home | Divya Marathi Special | Dr. Ranjan Garge write about The observation of the biological clock controller in the human body

मानवी शरीरातील जैविक घड्याळाच्या नियंत्रकाचा वेध

डॉ. रंजन गर्गे | Update - Jan 04, 2018, 02:00 AM IST

क्रायाे-इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपीमुळे जैवरासायनिक प्रक्रियांच्या मालिकेतील विविध टप्प्यांत निर्माण होणाऱ्या रेणूंच्या

  • Dr. Ranjan Garge write about The observation of the biological clock controller in the human body

    क्रायाे-इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपीमुळे जैवरासायनिक प्रक्रियांच्या मालिकेतील विविध टप्प्यांत निर्माण होणाऱ्या रेणूंच्या प्रतिमा घेणे शक्य झाले. प्रथिनांचा प्रवास आणि दोन प्रथिनांची परस्परांशी होणारी क्रिया देखील आता स्पष्टपणे निरखता येते. याचे एक उदाहरण म्हणजे किमोथेरपीसाठी वापरल्या जाणाऱ्या रसायनांना आणि प्रतिजैविकांना विरोध करणाऱ्या प्रथिनांच्या रचना या क्रायो-इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाचा वापर करून अभ्यासता येऊ लागल्या. प्रकाश संश्लेषणासह मानवी शरीरातील जैविक घड्याळाचे नियंत्रण करणाऱ्या विविध क्रियांचा वेध घेणे शक्य झाले.


    इ. स. २०१७ चा रसायनशास्त्राचा नोबेल पुरस्कार जॅक ड्युबोशेट, योआकिम फ्रँक आणि रिचर्ड हेंडरसन या तिघांना जाहीर झाला. जैव-रसायन शास्त्रातील संशोधनासाठी अत्यंत उपयुक्त ठरलेल्या ‘क्रायो-इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी’ तंत्रज्ञानाच्या विकासासाठी तो देण्यात अाला. ‘क्रायो’ याचा अर्थ थंड. पेशीतील जैविक रेणूंची स्पष्ट प्रतिमा मिळवण्याचे, हे अत्यंत थंड तापमानात वापरले जाणारे तंत्र,जैव-रसायनशास्त्रात क्रांतिकारी ठरले आहे.


    जर्मनीच्या अर्न्स्ट रुस्का यांनी १९३० च्या दशकात इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाचा शोध लावला त्या वेळी त्याची वर्धन क्षमता [ Magnifying power] १७००० पट होती . १९३८ साली त्यात सुधारणा करून ती क्षमता ३०००० पर्यंत त्यांनी नेली. १९८६ साली त्यांना या शोधासाठी नोबेल पुरस्काराने सन्मानित करण्यात आले होते. त्यांनी विकसित केलेल्या क्रायो-इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपीच्या साहाय्याने एखाद्या पेशीतील जैवरासायनिक रेणूंची यंत्रणा नेमकी कशी कार्य करते, हे कसे जाणून घेणे शक्य झाले आहे.


    विसाव्या शतकाच्या पूर्वार्धात विविध प्रथिने, तसेच आरएनए, डीएनए, अशा पेशींत अस्तित्वात असणाऱ्या रेणूंचा शोध लागला. त्यांचे जैविक प्रक्रियेत असलेले महत्त्वही लक्षात आले. परंतु त्यांचा प्रत्यक्ष आकार आणि अणुरचना नेमकी कशी आहे हे मात्र गूढच राहिले. १९५० साली केम्ब्रिज विद्यापीठात प्रथिनांचे स्फटिक क्ष-किरणांच्या खाली बघून त्यांच्या स्प्रिंग सारख्या वेटोळ्या आकाराची कल्पना आली. जोन केंड्य्रू [John Kendrew ] आणि माक्स पेरुत्झ [Max Perutz ] यांना क्रिस्टलाेग्राफी या तंत्राचा वापर करून ग्लोबुलीन प्रथिनांची रचना निश्चित केल्याबद्दल १९६२ सालचे रसायनशास्त्रातील नोबेल देऊन गौरवण्यात आले होते. १९८० सुरवातीला या क्ष-किरण क्रिस्टलोग्राफी तंत्राला, अणूंच्या चुंबकीय गुणधर्मांवर आधारलेल्या न्यूक्लिअर मॅग्नेटिक रेझोनन्स स्पेक्ट्रोस्कोपिया तंत्राची साथ मिळाली. यामुळे घन तसेच विद्राव्य स्थितीतील विविध प्रथिनांचा अधिक तपशीलवार अभ्यास करणे शक्य झाले. या तंत्राद्वारे या प्रथिनांच्या आकाराची आणि रचनेची कल्पना तर आलीच, पण त्याही पलीकडे जाऊन रेणूंच्या हालचाली आणि त्यांच्या इतर रेणूंशी होणाऱ्या क्रियांचीही कल्पना आली. ही दोन्ही तंत्रे अनेक जैविक रेणूंबद्दल मोठ्या प्रमाणात माहिती मिळवण्यासाठी अतिशय उपयुक्त ठरली. तरीही या दोन तंत्रांना मोठ्या मर्यादा होत्या. क्ष-किरण क्रिस्टलोग्राफीचा वापर करायचा तर रेणूंचे व्यवस्थितपणे तयार झालेले स्फटिक मिळायला हवेत. सर्वच रेणूंपासून असे स्फटिक तयार होत नाहीत. तसेच न्यूक्लिअर मॅग्नेटिक रेझोनन्स स्पेक्ट्रोस्कोपी हे तंत्र फक्त लहान आकाराच्या रेणूंच्या बाबतीतच उपयुक्त ठरते. इंग्लंडमधील केम्ब्रिज विद्यापीठात संशोधन करीत असताना, क्ष-किरण क्रिस्टलोग्राफीद्वारे रिचर्ड हेंडरसन यांनी विविध प्रथिनांच्या रेणूंच्या प्रतिमा तयार करण्याचा प्रयत्न केला. परंतु पेशींवरील पटलातील प्रथिनांची प्रतिमा घेणे हे अतिशय अवघड ठरत होते. हे स्फटिक जेव्हा या पटलाच्या बाहेर काढले जायचे, तेव्हा त्यांचा मूळ आकार नष्ट होऊन त्यांचे रूपांतर गुठळ्यांत होत असे. या कामात अपयश आल्यानंतर हेंडरसन यांनी आपल्या संशोधनाची दिशाच बदलली. हेंडरसन यांनी आपला मोर्चा इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाकडे वळवला. परंतु इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाच्या खाली जैविक पदार्थ ठेवले की इलेक्ट्रॉनच्या शक्तिशाली शलाकेमुळे ते जाळले जाऊन मृत होतात आणि त्यांची योग्य प्रतिमा मिळत नाही. दुसरी अडचण अशी की इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शक वापरायचा तर विश्लेषण करायचा नमूना निर्वात पोकळीत ठेवावा लागतो. निर्वात पोकळीमुळे जैविक रेणूंना वेढणाऱ्या पाण्याचे बाष्पीभवन होऊन जैविक रेणूंचा नमुना कोरडा पडतो. परिणामी, त्यातील रेणूंची नैसर्गिक रचनाच नष्ट होऊन असा नमुना संशोधनासाठी निरूपयोगी ठरतो.अशा परिस्थितीतही रिचर्ड हेन्डरसन यांनी आपल्या संशोधनासाठी वापरलेल्या बॅक्टेरिओऱ्होडोप्सीन या प्रथिनाने त्यांचा पुढील मार्ग काहीसा सुकर केला. बॅक्टेरिओऱ्होडोप्सीन हे जांभळ्या रंगाचे प्रथिन प्रकाश संश्लेषण करणाऱ्या सूक्ष्मजीवांच्या पेशींच्या पटलात असते. सूर्यकिरणांतील ऊर्जा शोषून घेणारे हे प्रथिन, पेशींच्या पटलापासून अलग करण्याऐवजी रिचर्ड हेंडरसन यांनी हे संपूर्ण पटल ग्लुकोजच्या द्रावणात बुडवले व इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाद्वारे त्याचे निरीक्षण केले. ग्लुकोजच्या द्रावणाने या प्रथिनाला कोरडे होण्यापासून वाचवले होते. १९७५ साली घेतलेली, एकूण सात वेटोळ्यांच्या स्वरूपातील ही बॅक्टेरिओऱ्होडोप्सीनची त्रिमितीय प्रतिमा इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाद्वारे घेतलेली एखाद्या प्रथिनाची, तेव्हापर्यंतची सर्वोत्तम प्रतिमा ठरली. याची रिझोल्युशन क्षमता ७ अंगस्ट्रोम म्हणजे ०.००००००७ मी.मी. इतकी होती. ती त्याला ३ अंगस्ट्रोमपर्यंत आणायची होती. अशा रीतीने इलेक्ट्रोन मायक्रोस्कोपचा वापर करून प्रतिमा तंत्र विकसित व्हायला सुरुवात झाली.


    अमेरिकेतील न्यू यॉर्क स्टेट आरोग्य विभागात योआकिम फ्रँक यांनीही पेशींतील प्रथिनांच्या स्पष्ट प्रतिमा मिळवण्याच्या दृष्टीने संशोधनाला सुरुवात केली होती. फ्रँक यांची योजना होती ती - इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकातून घेतलेल्या द्विमितीय प्रतिमांचे एकत्रिकरण करून त्यातून अतिशय स्पष्ट अशी त्रिमितीय प्रतिमा निर्माण करण्याची. प्रथिनांच्या प्रतिमा या मूळातच अस्पष्ट होत्या. त्या स्पष्टपणे दिसणे गरजेचे होते. यावर उपाय म्हणून योआकिम फ्रँक यांनी प्रथम, विविध दिशांकडे रोखल्या गेलेल्या प्रथिनांचे आकृतीबंध विविध गटांच्या स्वरूपात एकत्र करण्याचे ठरवले. त्यासाठी फ्रँक यांनी, प्रतिमेतील पुनरावृत्ती होत असलेले आकृतीबंध वेगळे करून त्यांचे गट बनवण्यासाठी गणिती प्रारूप तयार केले. या प्रारूपाद्वारे प्रतिमेतील समान स्वरूपाचे आकृतीबंध एकाच गटात एकत्रित केले गेले. प्रत्येक गट हा एकेका विशिष्ट आकृतीबंधाशी निगडीत होता. दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे तर प्रत्येक गट हा, हे प्रथिन एका ठराविक कोनातून पाहिल्यास कसे दिसेल, ते दर्शवत होता. त्यामुळे प्रत्येक गटात एकत्र झालेल्या आकृतीबंधांची ‘बेरीज-वजाबाकी’ करून, प्रत्येक गटाशी निगडीत असणाऱ्या आकृतीबंधाची स्पष्ट रचना फ्रँक यांना मिळवता आली.


    इ.स. १९७८ साली योआकिम फ्रँक हे आपली संगणक प्रणाली विकसित करीत असतानाच जॅक ड्युबोशेट हे जर्मनीतील हायडेलबर्ग येथे, जैविक रेणूंच्या इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाच्या वापराच्या संबंधित असलेला पूर्वीचाच प्रश्न सोडवण्याच्या मागे लागले होते. हा प्रश्न होता तो निर्वात पोकळीत जैविक नमुने बाष्पीभवनामुळे कोरडे पडून खराब होण्यासंबंधीचा. जैविक नमुने कोरडे होऊन खराब होऊ नये म्हणून रिचर्ड हेंडरसन यांनी ग्लुकोजचे द्रावण वापरले होते. काही संशोधकांनी हे जैविक नमुने गोठवलेल्या स्वरूपात वापरून, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाद्वारे त्यांच्या प्रतिमा घेण्याचा प्रयत्न केला होता. मात्र मिळणाऱ्या प्रतिमा या निरूपयोगी ठरत होत्या.


    जॅक ड्युबोशेट यांनी नेहमीच्या बर्फाऐवजी पाण्याचे रूपांतर स्फटिकांचा अभाव असलेल्या बर्फात म्हणजेच पाण्याच्या काचेत करण्याचे ठरवले. सुरुवातीला जॅक ड्युबोशेट आणि त्यांच्या सहकारी संशोधकांनी द्रवरूप नायट्रोजन वापरून (म्हणजे शून्याखाली १९६ अंश सेल्सियस तापमानाला) पाण्याचे काचेत रूपांतर करण्याचा प्रयत्न केला. परंतु त्यांना अपेक्षित यशाने हुलकावणी दिली. मात्र त्यांना यश आले ते द्रवरूपी नायट्रोजनच्या साहाय्याने थंड केलेला इथेन पाण्याची काच बनवण्यासाठी वापरला तेव्हा. आतापर्यंत पाण्याची काच बनवता येणे शक्य नसल्याचे अनेक संशोधकांचे मत होते. परंतु जॅक ड्युबोशेट यांनी अशी काच बनवता येणे हे शक्य असल्याचे दाखवून दिले. यानंतर लवकरच ड्युबोशेट यांनी इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाद्वारे, पाण्याच्या काचेचा वापर करून जैविक नमुन्यांच्या प्रतिमा घेण्याचे तंत्र विकसित केले आणि १९८४ साली या तंत्राद्वारे घेतलेल्या काही विषाणूंच्या प्रतिमा प्रसिद्ध केल्या. त्यानंतर १९९१ साली योआकिम फ्रँक यांनी, जॅक ड्युबोशेट यांनी विकसित केलेले तंत्र आणि आपली स्वतःची संगणकीय प्रणाली वापरून रायबोसोमच्या प्रतिमा मिळवल्या. या प्रतिमांचा स्पष्टपणा जरी कमी असला तरी जैविक रेणूंच्या, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाच्या साहाय्याने प्रतिमा मिळवण्याच्या दृष्टीने गरजेच्या असणाऱ्या सर्व वैज्ञानिक गोष्टी आता साध्य झाल्या होत्या. या क्रायो-इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपीमुळे प्रकाश संश्लेषणाची प्रक्रिया ‘दिसू’ शकली आहे, आपल्याला ऐकू येण्याच्या क्रियेत भाग घेणारे कानातले संवेदक ओळखता आले आहेत. इतकेच कशाला... ब्राझिलमध्ये पसरलेल्या झिका रोगाच्या साथीतील झिका विषाणूंचा वेध घेणेही या क्रायो-इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपीमुळेच शक्य झाले. असे हे बहुपयोगी तंत्र आता मानव जातीला वरदान ठरले आहे.


    - डॉ. रंजन गर्गे

  • Dr. Ranjan Garge write about The observation of the biological clock controller in the human body

Trending