अरबों साल पुराने एंजाइमों को वापस लाने से पता चलता है कि प्रकाश संश्लेषण ऑक्सीजन के उदय के लिए कैसे अनुकूलित हुआ

पृथ्वी पर सबसे प्रचलित एंजाइम रूबिस्को है, जो प्रकाश संश्लेषण में प्राथमिक जैव उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है। प्रारंभिक प्रकाश संश्लेषण के प्रमुख अनुकूलनों में से एक को मैक्स प्लैंक शोधकर्ताओं के एक समूह ने अरब साल पुराने एंजाइमों का पुनर्निर्माण करके समझा है। उनके निष्कर्ष न केवल इस बात पर प्रकाश डालते हैं कि आधुनिक प्रकाश संश्लेषण कैसे विकसित हुआ, बल्कि इसे बढ़ाने के लिए नए विचार भी दिए।

आज का अस्तित्व पूरी तरह से CO2 पर निर्भर है जो पौधों और शैवाल जैसे प्रकाश संश्लेषक जीवों द्वारा कब्जा और परिवर्तित किया जा रहा है। रूबिस्को के नाम से जाना जाने वाला एक एंजाइम, जो सालाना 400 बिलियन टन से अधिक CO2 को अवशोषित करता है, इन कार्यों के केंद्र में है। वैश्विक कार्बन चक्र में इतना महत्वपूर्ण स्थान लेने के लिए रूबिस्को को लगातार पर्यावरणीय परिस्थितियों को बदलने के लिए समायोजित करना पड़ा।

सिंगापुर विश्वविद्यालय के साथ साझेदारी में जर्मनी के मारबर्ग में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर टेरेस्ट्रियल माइक्रोबायोलॉजी की एक टीम ने अब कम्प्यूटेशनल और सिंथेटिक विधियों के संयोजन का उपयोग करके लैब में अरबों साल पुराने एंजाइमों को सफलतापूर्वक पुनर्जीवित और जांचा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रक्रिया में, जिसे वे "आणविक पुरापाषाण विज्ञान" के रूप में संदर्भित करते हैं, एक पूरी तरह से नए घटक ने सक्रिय केंद्र में प्रत्यक्ष उत्परिवर्तन के बजाय बढ़े हुए ऑक्सीजन के स्तर के अनुकूल होने के लिए प्रकाश संश्लेषण तैयार किया।

रूबिस्को का प्रारंभिक भ्रम

रुबिस्को बहुत पुराना है; यह पृथ्वी पर ऑक्सीजन के मौजूद होने से लगभग चार अरब साल पहले, प्रारंभिक चयापचय में पहली बार प्रकट हुआ था। जैसे-जैसे वातावरण में ऑक्सीजन का स्तर बढ़ता गया और ऑक्सीजन-उत्पादक प्रकाश संश्लेषण विकसित हुआ, एंजाइम ने एक अनपेक्षित प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करना शुरू कर दिया जिसमें उसने CO2 के लिए O2 को गलत समझा और यौगिकों का निर्माण किया जो कोशिकाओं के लिए हानिकारक थे। यह अस्पष्ट सब्सट्रेट गुंजाइश आज भी रूबिस्कोस को नुकसान पहुंचा रही है और प्रकाश संश्लेषक उत्पादकता को कम करती है। यहां तक ​​​​कि जबकि सीओ 2 विशिष्टता ऑक्सीजन युक्त सेटिंग्स में विकसित रूबिस्को में समय के साथ बढ़ी, उनमें से कोई भी ऑक्सीजन कैप्चर प्रतिक्रिया को पूरी तरह से समाप्त करने में सक्षम नहीं था।

यह अभी भी पूरी तरह से अज्ञात है कि रुबिस्को की उच्च CO2 विशिष्टता में कौन से रासायनिक कारक योगदान करते हैं। हालांकि, जो लोग प्रकाश संश्लेषण को बढ़ाने का काम कर रहे हैं, उनमें काफी दिलचस्पी है। यह ध्यान रखना दिलचस्प है कि उच्च CO2 विशिष्टता वाले रूबिस्कोस ने एक अज्ञात कार्य के साथ एक बिल्कुल नए प्रोटीन घटक की भर्ती की। यद्यपि यह अनुमान लगाया गया था कि यह घटक CO2 विशिष्टता को बढ़ाने के लिए जिम्मेदार था, इसकी उत्पत्ति के वास्तविक कारण का पता लगाना मुश्किल था क्योंकि यह पहले से ही अरबों वर्षों की अवधि में विकसित हो चुका था।

प्रयोगशाला में प्राचीन प्रोटीन को पुनर्जीवित करके विकास का अध्ययन

मारबर्ग में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर टेरेस्ट्रियल माइक्रोबायोलॉजी और सिंगापुर में नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने विकास में इस महत्वपूर्ण घटना को समझने के लिए, ऑक्सीजन के स्तर में वृद्धि शुरू होने से पहले, अरबों साल पहले मौजूद रूबिस्कोस के रूपों को फिर से बनाने के लिए एक सांख्यिकीय एल्गोरिदम का उपयोग किया। अधिक विशिष्ट रूबिस्कोस। मैक्स प्लैंक में टोबियास एर्ब और जॉर्ज होचबर्ग की टीम ने इन प्राचीन प्रोटीनों को उनके गुणों की जांच के लिए प्रयोगशाला में पुनर्जीवित किया। शोधकर्ताओं ने विशेष रूप से सवाल किया कि क्या बढ़ी हुई विशिष्टता के उद्भव का रूबिस्को के नए घटक से कोई लेना-देना है।

जवाब आश्चर्यजनक था, जैसा कि डॉक्टरेट शोधकर्ता लुका शुल्ज बताते हैं: "हमें उम्मीद थी कि नया घटक किसी तरह रूबिस्को उत्प्रेरक केंद्र से ऑक्सीजन को सीधे बाहर कर देगा। ऐसा नहीं हुआ। इसके बजाय, यह नया सबयूनिट विकास के लिए एक न्यूनाधिक के रूप में कार्य करता है: की भर्ती सबयूनिट ने रुबिस्को के कैटेलिटिक सबयूनिट पर बाद के म्यूटेशन के प्रभाव को बदल दिया। जब यह नया घटक मौजूद था, तो पहले असंगत म्यूटेशनों का विशिष्टता पर बहुत बड़ा प्रभाव पड़ा। ऐसा लगता है कि इस नए सबयूनिट ने रूबिस्को की विकासवादी क्षमता को पूरी तरह से बदल दिया है। "

अपने नए सबयूनिट के लिए एक एंजाइम की लत

"विकासवादी न्यूनाधिक" के रूप में यह कार्य नए प्रोटीन घटक के एक अन्य रहस्यमय पहलू की भी व्याख्या करता है: रूबिस्कोस जिसने इसे शामिल किया है वह पूरी तरह से इस पर निर्भर है, भले ही रूबिस्को के अन्य रूप इसके बिना पूरी तरह से कार्य कर सकते हैं। वही मॉड्युलेटिंग प्रभाव बताता है कि क्यों: जब इस छोटे प्रोटीन घटक से बंधे होते हैं, तो रूबिस्को उत्परिवर्तन के प्रति सहिष्णु हो जाता है जो अन्यथा विनाशकारी रूप से हानिकारक होगा। इस तरह के उत्परिवर्तन के संचय के साथ, रुबिस्को प्रभावी रूप से अपने नए सबयूनिट के आदी हो गए।

निष्कर्ष सामूहिक रूप से एक स्पष्टीकरण प्रदान करते हैं कि रुबिस्को ने इस उपन्यास प्रोटीन घटक को खोजे जाने के बाद से क्यों बरकरार रखा है। मैक्स प्लैंक रिसर्च ग्रुप के प्रमुख जॉर्ज होचबर्ग बताते हैं: "तथ्य यह है कि यह कनेक्शन अभी हाल ही में खोजा गया था, इस बात पर जोर देता है कि जैव रसायन को समझने के लिए विकासवादी विश्लेषण कितना महत्वपूर्ण है जो हमारे आसपास की दुनिया को शक्ति देता है। हम इस बारे में बहुत कुछ सीख सकते हैं कि बायोमोलेक्यूल्स क्यों पसंद करते हैं रूबिस्को अपने अतीत का अध्ययन करके आज जिस तरह से हैं। इसके अलावा, हम अभी भी कई जैविक घटनाओं के विकासवादी इतिहास के बारे में बहुत कम जानते हैं। इस समय एक विकासवादी जैव रसायनज्ञ होने के नाते अविश्वसनीय रूप से दिलचस्प है