जीन प्रकाश संकेतों में एन्कोडेड जानकारी का जवाब दे सकते हैं

उत्तरी कैरोलिना स्टेट यूनिवर्सिटी के एक नए अध्ययन से पता चलता है कि जीन प्रकाश संकेतों में एन्कोडेड जानकारी की पहचान करने और प्रतिक्रिया करने में सक्षम हैं, साथ ही कुछ संकेतों को पूरी तरह से फ़िल्टर कर सकते हैं। अनुसंधान से पता चलता है कि एक ही तंत्र एक ही जीन के विभिन्न व्यवहारों का कारण कैसे बन सकता है, और जैव प्रौद्योगिकी क्षेत्र में आवेदन पा सकते हैं।

"मूल विचार यह है कि जीन को प्राप्त होने वाले सिग्नल की गतिशीलता में जानकारी को एन्कोड करना संभव है"कागज के सह-लेखक और एनसी राज्य में रासायनिक और जैव-आणविक इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर अल्बर्ट केउंग कहते हैं।" इसलिए, केवल उपस्थित होने या न होने के बजाय, यह मायने रखता है कि इसे कैसे प्रस्तुत किया जाता है।"

इस अध्ययन के लिए वैज्ञानिकों ने एक यीस्ट सेल को संशोधित करके एक जीन को शामिल किया जो कोशिका के नीले प्रकाश के संपर्क में आने पर फ्लोरोसेंट प्रोटीन पैदा करता है।

यह इस तरह काम करता है। जीन का एक क्षेत्र जिसे प्रमोटर कहा जाता है, जीन गतिविधि को नियंत्रित करने के लिए जिम्मेदार होता है। संशोधित खमीर कोशिकाओं में, एक विशिष्ट प्रोटीन जीन के प्रवर्तक क्षेत्र को बांधता है। जब शोधकर्ता इस प्रोटीन को नीली रोशनी से रोशन करते हैं, तो यह दूसरे प्रोटीन के लिए अतिसंवेदनशील हो जाता है। जब दूसरा प्रोटीन पहले प्रोटीन से जुड़ता है, तो जीन सक्रिय हो जाता है। और यह पता लगाना आसान है क्योंकि सक्रिय जीन अंधेरे में चमकने वाले प्रोटीन का उत्पादन करता है।

फिर शोधकर्ता इन खमीर कोशिकाओं को 119 अलग-अलग प्रकाश पैटर्न में उजागर किया … प्रत्येक प्रकाश पैटर्न प्रकाश की तीव्रता, प्रत्येक प्रकाश नाड़ी की अवधि और नाड़ी आवृत्ति में भिन्न होता है। शोधकर्ताओं ने तब प्रत्येक प्रकाश पैटर्न के जवाब में उत्पादित कोशिकाओं में फ्लोरोसेंट प्रोटीन की मात्रा निर्धारित की।

प्राप्त आंकड़ों से संकेत मिलता है कि जीन चालू या बंद लेकिन यह लाइट स्विच की तरह कम और टॉगल स्विच की तरह अधिक है - जीन सक्रिय किया जा सकता है थोड़ा, बहुत, या कहीं बीच में। यदि किसी दिए गए प्रकाश पैटर्न के परिणामस्वरूप बड़ी मात्रा में फ्लोरोसेंट प्रोटीन का उत्पादन होता है, तो इसका मतलब है कि इस प्रकाश पैटर्न ने जीन को बहुत सक्रिय बना दिया है। यदि प्रकाश पैटर्न ने थोड़ी मात्रा में फ्लोरोसेंट प्रोटीन का उत्पादन किया, तो इसका मतलब था कि पैटर्न केवल कमजोर जीन गतिविधि का कारण बना।

पेपर के पहले लेखक और हाल ही में एनसी स्टेट पीएचडी स्नातक जेसिका ली कहते हैं, "हमने पाया है कि विभिन्न प्रकाश पैटर्न जीन गतिविधि के मामले में बहुत अलग परिणाम उत्पन्न कर सकते हैं।" "हमारे लिए बड़ा आश्चर्य यह था कि आउटपुट सीधे इनपुट से संबंधित नहीं था। हमें उम्मीद थी कि सिग्नल जितना मजबूत होगा, जीन उतना ही अधिक सक्रिय होगा। लेकिन यह जरूरी नहीं था। एक प्रकाश पैटर्न महत्वपूर्ण रूप से जीन बना सकता है दूसरे की तुलना में अधिक सक्रिय। भले ही दोनों पैटर्न ने जीन को समान मात्रा में प्रकाश में उजागर किया हो।"

शोधकर्ताओं ने पाया कि सभी तीन प्रकाश पैटर्न चर - प्रकाश तीव्रता, प्रकाश नाड़ी आवृत्ति, और प्रत्येक नाड़ी की अवधि - जीन गतिविधि को प्रभावित कर सकते हैं, लेकिन उन्होंने पाया कि प्रकाश दालों की आवृत्ति को नियंत्रित करने से उन्हें जीन गतिविधि पर सबसे सटीक नियंत्रण मिलता है।

पेपर के सह-लेखक और एनसी राज्य में स्नातक छात्र लिएंड्रा केवुड कहते हैं, "हमने एक कम्प्यूटेशनल मॉडल विकसित करने के लिए अपने प्रयोगात्मक डेटा का भी उपयोग किया जिसने हमें बेहतर ढंग से समझने में मदद की कि विभिन्न सर्किट जीन गतिविधि के विभिन्न स्तरों का कारण क्यों बनते हैं।"

"उदाहरण के लिए, हमने पाया कि जब प्रकाश की तेज स्पंदें एक-दूसरे के बहुत करीब होती हैं, तो हमें आपूर्ति की गई प्रकाश की मात्रा की अपेक्षा अधिक जीन गतिविधि मिलती है," कीवुड कहते हैं। "मॉडल का उपयोग करके, हम यह निर्धारित करने में सक्षम थे कि ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रोटीन अलग-अलग नहीं हो सकते हैं और प्रत्येक आवेग का जवाब देने के लिए पर्याप्त रूप से एक साथ चिपक सकते हैं। वास्तव में, प्रोटीन के पास आवेगों के बीच एक-दूसरे से पूरी तरह से अलग होने का समय नहीं होता है, इसलिए वे अधिक समय व्यतीत करते हैं संबंध में - इसका मतलब है कि जीन सक्रिय अवस्था में अधिक समय बिताता है। इन संकेतों के माध्यम से जीन गतिविधि को बेहतर ढंग से नियंत्रित करने के तरीके को समझने में हमारी मदद करने के लिए इस प्रकार की गतिशीलता को समझना बहुत उपयोगी है।"

"हमारी खोज प्रकाश-संवेदनशील कोशिकाओं के लिए प्रासंगिक है, जैसे कि पत्तियों में पाए जाने वाले," केउंग कहते हैं। "लेकिन यह हमें यह भी बताता है कि जीन संकेतों का जवाब देते हैं जो न केवल प्रकाश द्वारा, बल्कि अन्य तंत्रों द्वारा भी वितरित किए जा सकते हैं".

एक टिप्पणी: यदि डीएनए किसी प्रकार का एंटीना है, तो शायद कुछ संकेतों का जवाब देने के लिए अधिकांश कोशिकाओं को बनाया जा सकता है

उस पर विचार करें इस प्रोटीन की उपस्थिति और अनुपस्थिति का प्रबंधन कोशिका से जीन में मोर्स कोड संदेश का संचरण है। कई अन्य चरों के आधार पर - जैसे कि अन्य रसायनों की उपस्थिति - कोशिका अपनी गतिविधि को संशोधित करने के लिए जीन को भेजे जाने वाले संदेश को ठीक कर सकती है।

"यह हमें बताता है कि एक ही प्रोटीन का उपयोग एक ही जीन को विभिन्न संदेश भेजने के लिए किया जा सकता है केउंग कहते हैं, "तो एक कोशिका एक प्रोटीन का उपयोग जीन को विभिन्न रसायनों के लिए अलग-अलग प्रतिक्रिया देने के लिए कर सकती है।"

प्रयोगों की एक अलग श्रृंखला में, शोधकर्ताओं ने पाया कि जीन कुछ संकेतों को छानने में भी सक्षम हैं। इस घटना के यांत्रिकी दोनों सरल हैं और रहस्यमय … शोधकर्ता यह निर्धारित करने में सक्षम थे कि जब एक दूसरा प्रोटीन जीन के प्रमोटर क्षेत्र से जुड़ता है, तो प्रकाश दालों की कुछ आवृत्तियां फ्लोरोसेंट प्रोटीन के उत्पादन को ट्रिगर नहीं करती हैं। संक्षेप में, शोधकर्ताओं को पता है कि दूसरा प्रोटीन यह सुनिश्चित करता है कि जीन केवल संकेतों के एक विशिष्ट सेट पर प्रतिक्रिया करता है - लेकिन शोधकर्ता यह नहीं जानते कि दूसरा प्रोटीन यह कैसे करता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि वे विभिन्न संकेतों की संख्या को नियंत्रित कर सकता है जिन पर एक जीन प्रतिक्रिया कर सकता है जीन के प्रमोटर क्षेत्र से जुड़े प्रोटीन की संख्या और प्रकार में हेरफेर करके।

उदाहरण के लिए, प्रोटीन को प्रमोटर क्षेत्र से जोड़ा जा सकता है जो फिल्टर के रूप में काम करता है जो जीन को सक्रिय करने वाले संकेतों की संख्या को सीमित करता है। या, प्रोटीन को प्रमोटर क्षेत्र से जोड़ा जा सकता है जो जीन सक्रियण की अलग-अलग डिग्री का कारण बनता है।

"इस कार्य का एक अतिरिक्त योगदान यह है कि हमने निर्धारित किया है कि हम केवल एक प्रोटीन के साथ जीन के प्रमोटर क्षेत्र के माध्यम से लगभग 1.71 बिट जानकारी स्थानांतरित कर सकते हैं", ली कहते हैं। व्यावहारिक रूप से, इसका अर्थ है कि प्रोटीन संलग्नक के एक जटिल नेटवर्क के बिना जीन, 3 से अधिक संकेतों को सटीक रूप से भेद करने में सक्षम है"। पिछले काम में, यह आधार रेखा 1.55 बिट्स पर सेट की गई थी, इसलिए यह अध्ययन हमारी समझ का विस्तार करता है कि यहां क्या संभव है। यही वह आधार है जिस पर हम निर्माण कर सकते हैं।"

शोधकर्ताओं का कहना है कि यह काम भविष्य के शोध की अनुमति देता है जो सेल व्यवहार और जीन अभिव्यक्ति की गतिशीलता की हमारी समझ को आगे बढ़ाएगा।

अल्पावधि में, शोधकर्ताओं के अनुसार, काम फार्मास्युटिकल में व्यावहारिक अनुप्रयोग पा सकता है और जैव प्रौद्योगिकी क्षेत्र।

ली कहते हैं, "बायोप्रोडक्शन में, आपको अक्सर कोशिकाओं की वृद्धि और उन कोशिकाओं के कुछ प्रोटीन बनाने की दर दोनों को नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है।""हमारा काम निर्माताओं को इन दोनों चरों को ठीक करने और नियंत्रित करने में मदद कर सकता है।"

इस काम को नेशनल साइंस फाउंडेशन ने ग्रांट १८३०९१० के तहत "न्यू फ्रंटियर्स इन रिसर्च एंड इनोवेशन" और नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ हेल्थ ने ग्रांट ५टी३२जीएम१३३३६६ के तहत समर्थन दिया था।