संरचनात्मक जीव विज्ञान में अल्ट्राफास्ट भौतिकी के अनुप्रयोग अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ आणविक "सुसंगतता" के जटिल नृत्य को प्रकट करते हैं। यह समझना कि अणु प्रकाश जैसी उत्तेजनाओं पर कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, उदाहरण के लिए प्रकाश संश्लेषण के दौरान, जीव विज्ञान के लिए मौलिक है। वैज्ञानिक यह पता लगाने के लिए काम कर रहे हैं कि ये परिवर्तन कई क्षेत्रों में कैसे संचालित होते हैं, और इनमें से दो क्षेत्रों को एक साथ लाकर, शोधकर्ता जीवन के लिए महत्वपूर्ण प्रोटीन की आणविक प्रतिक्रियाओं को समझने के एक नए युग का मार्ग प्रशस्त कर रहे हैं।
इंपीरियल कॉलेज लंदन में जीवन विज्ञान विभाग के प्रोफेसर जैस्पर वैन थोर के नेतृत्व में एक बड़ी अंतरराष्ट्रीय शोध टीम ने हाल ही में नेचर केमिस्ट्री जर्नल में अपने निष्कर्षों की रिपोर्ट दी।
क्रिस्टलोग्राफी संरचनात्मक जीवविज्ञान में एक शक्तिशाली तकनीक है जो अणुओं की व्यवस्था कैसे की जाती है इसका "स्नैपशॉट" लेती है। कई बड़े पैमाने के प्रयोगों और वर्षों के सैद्धांतिक शोध के बाद, नए अध्ययन के पीछे की टीम ने इस तकनीक को अणु के इलेक्ट्रॉनिक और परमाणु विन्यास के कंपन को मैप करने के लिए एक अन्य तकनीक के साथ जोड़ा, जिसे स्पेक्ट्रोस्कोपी के रूप में जाना जाता है।
दुनिया भर में शक्तिशाली एक्स-रे लेजर सुविधाओं पर नई तकनीक का प्रदर्शन करते हुए, टीम ने दिखाया कि जब उनके द्वारा अध्ययन किए गए प्रोटीन के अणु ऑप्टिकली उत्तेजित थे, तो उनकी प्रारंभिक गतिविधियां "सुसंगतता" का परिणाम थीं। इससे पता चलता है कि यह जैविक प्रतिक्रिया के कार्यात्मक भागों के बाद के आंदोलन के बजाय एक कंपन प्रभाव है।
पहली बार प्रयोगात्मक रूप से दिखाया गया यह महत्वपूर्ण अंतर इस बात पर प्रकाश डालता है कि कैसे वर्णक्रमीय भौतिकी संरचनात्मक जीव विज्ञान के क्लासिक क्रिस्टलोग्राफिक तरीकों पर नई रोशनी डाल सकती है।
प्रोफेसर वान टोल ने कहा: "जीवन को बनाए रखने वाली हर प्रक्रिया प्रोटीन द्वारा की जाती है, लेकिन यह समझने के लिए कि ये जटिल अणु अपना काम कैसे करते हैं, उनके परमाणुओं की व्यवस्था को समझना आवश्यक है और प्रतिक्रियाओं के दौरान यह संरचना कैसे बदलती है। स्पेक्ट्रोस्कोपी विधियों का उपयोग करके अब हम उनकी क्रिस्टल संरचनाओं को हल करके छवियों के रूप में सीधे देख सकते हैं। "अब हमारे पास परमाणु संकल्प के करीब आने वाले बेहद तेज़ समय के पैमाने पर आणविक गतिशीलता को समझने और यहां तक कि नियंत्रित करने के लिए उपकरण हैं। हमें उम्मीद है कि इस नई तकनीक के पद्धति संबंधी विवरण साझा करके, हम सुसंगत प्रक्रियाओं की क्रिस्टल संरचना का पता लगाने के लिए समय-समाधान संरचनात्मक जीवविज्ञान के साथ-साथ अल्ट्राफास्ट लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी के क्षेत्र में शोधकर्ताओं को प्रोत्साहित करेंगे।
प्रौद्योगिकी संयोजन
इन प्रौद्योगिकियों के संयोजन के लिए एक्स-रे मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर (एक्सएफईएल) सुविधाओं के उपयोग की आवश्यकता होती है, जिसमें संयुक्त राज्य अमेरिका में लिनाक सुसंगत प्रकाश स्रोत (एलसीएलएस), जापान में एसपीरिंग -8 एंगस्ट्रॉम कॉम्पैक्ट फ्री इलेक्ट्रॉन लेजर (एसएसीएलए), दक्षिण कोरिया में पीएएल-एक्सएफईएल और हाल ही में हैम्बर्ग में यूरोपीय एक्सएफईएल शामिल है।
टीम के सदस्य 2009 से एक्सएफईएल में काम कर रहे हैं, फेमटोसेकंड (एक सेकंड का अरबवां) समय पैमाने पर प्रतिक्रियाशील प्रोटीन की गति का उपयोग और समझ कर रहे हैं, जिसे फेमटोसेकंड रसायन विज्ञान के रूप में जाना जाता है। लेजर पल्स के साथ उत्तेजना के बाद, संरचना का "स्नैपशॉट" लेने के लिए एक्स-रे का उपयोग किया जाता है।
2016 में, प्रौद्योगिकी ने प्रारंभिक सफलता हासिल की, जिसमें प्रकाश से प्रेरित जैविक प्रोटीन में होने वाले परिवर्तनों का विस्तार से वर्णन किया गया। हालाँकि, शोधकर्ताओं को अभी भी एक महत्वपूर्ण प्रश्न को हल करने की आवश्यकता है: फेमटोसेकंड समय पैमाने पर छोटे आणविक "आंदोलन" पहले लेजर प्रकाश पल्स के बाद सीधे कहां उत्पन्न होते हैं? पिछले शोध ने माना है कि सभी गतिविधियाँ जैविक प्रतिक्रियाओं, यानी उनकी कार्यात्मक गतिविधियों के अनुरूप हैं। लेकिन नई पद्धति का प्रयोग करते हुए टीम ने प्रयोग में पाया कि ऐसा नहीं है।
सुसंगत नियंत्रण
इस निष्कर्ष पर पहुंचने के लिए, उन्होंने "सुसंगतता नियंत्रण" बनाया - प्रोटीन की गति को पूर्वानुमानित तरीके से नियंत्रित करने के लिए लेजर प्रकाश को आकार देना। 2018 में स्टैनफोर्ड के एलसीएलएस में प्रारंभिक सफलता के बाद, दृष्टिकोण की जांच और सत्यापन करने के लिए, उन्होंने दुनिया भर में एक्सएफईएल सुविधाओं में कुल छह प्रयोग किए, हर बार बड़ी टीमों का गठन किया और अंतरराष्ट्रीय सहयोग बनाया। फिर उन्होंने इन प्रायोगिक डेटा को ड्रॉपलेट रसायन विज्ञान से संशोधित सैद्धांतिक तरीकों के साथ जोड़ा ताकि उन्हें स्पेक्ट्रोस्कोपिक डेटा के बजाय एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफिक डेटा पर लागू किया जा सके।
निष्कर्ष यह है कि पिकोमीटर और फेमटोसेकंड टाइम स्केल पर सटीक रूप से मापी गई अल्ट्राफास्ट गतियां जैविक प्रतिक्रियाओं से संबंधित नहीं हैं, बल्कि शेष जमीनी स्थिति की कंपन संबंधी सुसंगतता से संबंधित हैं। इसका मतलब यह है कि फेमटोसेकंड लेजर पल्स के बाद "बचे हुए" अणु बाद में मापी गई गति पर हावी हो जाते हैं, लेकिन केवल तथाकथित कंपन सुसंगतता समय के भीतर।
प्रोफेसर वान थोर ने कहा: "हम यह निष्कर्ष निकालते हैं कि हमारे प्रयोगों में, सुसंगतता नियंत्रण को शामिल किए बिना भी, पारंपरिक समय-समाधान माप वास्तव में अंधेरे 'प्रतिक्रियाशील' जमीनी स्थिति से गतियों पर हावी होते हैं जो प्रकाश-प्रेरित जैविक प्रतिक्रियाओं से संबंधित नहीं हैं। इसके बजाय, ये गतियां पारंपरिक कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा मापी जाने वाली गतियों के विपरीत हैं।